Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques Anthony Ayari

Une nanobalance ? x Objet mécanique nanométrique  mesure de masse Excitation(s) x Detection Objet mécanique nanométrique  mesure de masse

Plan Qu’est qu’un NEMS ? Comment mesure-t-on une masse ? Mesure ultime de masse avec un NEMS Avantage des NEMS Historique Mesures résolus à l’échelle de l’atome Vers les applications biologiques Défis Développements futurs

Comment mesure-t-on une masse? Avec un ressort en mesurant sa compression sous l’effet de la masse à déterminer En fait mesure le poids m δL k : rigidité du ressort g : accélération de la pesanteur

Et une nanomasse ? Mesure résonante Principe de la balance à quartz δf plus précis Breveté en 2004 WO02090246 m k : rigidité du ressort f : fréquence de vibration

Dans les NEMS ça donne quoi ? Quartz/ressort  NEMS Mesure le déplacement en fréquence. δf Sensibilité : f0 : fréquence de résonance Meff ~ masse initiale du NEMS L : longueur caractéristique du NEMS f0

Effet d’échelle Masse min. Détectable à l’air 10-21 g 10-15 g 10-9 g Sensibilité 1MHz/fg 1mHz/fg 1nHz/fg nm µm Longueur caractéristique mm 100 µm 7

Avantages des NEMS Plus grande sensibilité en masse ~ 1/L4 Plus rapide ~ 1/L Convergence avec microélectronique Miniaturisation et mise en parallèle (VLSI) 5 µm Mettre image au GHz et tout plein de NEMS en parallelle

Historique 1 proton=1Da = 1.6*10-24 g 1 atome DWNT Spectromètre de masse conventionnel 1 atome DWNT 100 MHz, Berkeley 2008 10-21g SiC 100 MHz, Caltech 2006 10-18g Si et SiN 10 MHz, Cornell 2004 Protéine 10 kDa 10-15g MWNT, 1 MHz, Georgia Tec 1999 Virus 1MDa 10-12g microbalance à quartz, 10 MHz

Dispositif Expérimental Excitation AC rétroaction Nanotube e- Au

1 atome Sensibilité : 104 kHz/zg K. Jensen et al., Nature Nanotechnology 3: 533 (2008) Sensibilité : 104 kHz/zg Résolution en masse : 0.13zg/Hz ~ 0.4 atome d’Au/ Hz Mesure shot noise : 0.29 0.05 zg pour MAu=0.327 zg

Oui mais Problèmes liés à la microfluidique et aux lab-on-chip Fonctionnalisation, spécificité Intégration, détection, traitement Pourquoi faire ? Problèmes liés aux NEMS en général Faible reproductibilité dans la fabrication Beaucoup moins stable qu’un quartz Faibles signaux Forte Dissipation Problèmes liés à cette mesure Sous ultra vide, condition de laboratoire Modèle trop simpliste pas transposable au milieu biologiques Mesure d’ 1 atome pas vraiment réalisée

Mesure statistique ? δf dépend de la position sur le NEMS Modèle trop simpliste, interaction, objet déposé immobile ? « Measuring more than mass » H. Craighead nature nanotechnology (2007)

New results ~ 20 zg in ambient air Résultats à l’air noise floor is ~ 2 ppb DMMP M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007) Atmospheric pressure and ambient temperature Mass resolution ~100 zg. New results ~ 20 zg in ambient air ~ a few zg under vaccuum M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007)

Etat de l’art des détecteurs Méthode de détection groupe R&D concentration en DMMP détectée expérimentalement Nanotube chemicapacitor E. S. Snow Naval Research Lab 320 ppb Surface Acoustic Wave (SAW) Jay W. Grate Pacific Northwest National Lab 1~2 ppm Chemiresistor N. S. Lewis Caltech 1 ppm CMOS Cantilever M. Zaghloul GWU 720 ppb NEMS Cantilever Roukes Group 2 ppb

Détection de la PSA LAUSANNE Vol. = 89 km3 EVIAN GENEVE 16

Détection de la PSA 1 fg/ml 1 pg/ml 1 ng/ml 1 µg/ml 89 grams of PSA Détection de la PSA Niveau normal de PSA= 1 ng/ml 1 fg/ml 89 kg of PSA 1 pg/ml 8.9 tones of PSA 1 ng/ml 1 µg/ml 8.9 ktones de PSA !! Le Colombo Express (plus de 3000 containers), le plus grand transporteur maritime de container au monde 17

NEMS-MS : Electrospray ESI Needle capillary Top hexapole Bottom Sample Stage (T= 40K) Magnet 760Torr 1Torr 10mTorr 10-6 Torr <10-8 Torr (a) (b) (c) (d) A. Naik et al., Nature Nanotechnology (July 2009) 18 18

Réponse d’un nanolevier dans un liquide Q~1  NON resonant Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech Nobel Symposium 2007 Physiques: Résonateur sur amorti.

Détection purement électronique de bactéries uniques en milieu liquide Anticorps spécifiques 100 nm La bactérie relie les deux leviers Fixation d’une bactérie  perturbation de la réponse mécanique Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech 2005

Conclusion En dix ans la résolution en masse a progressée de 7 ordres de grandeurs Résolution d’un atome : atteinte statistiquement Prochain but : le proton Besoin localiser les dépôts de masse Besoin affiner modèle NEMS détecteur de gaz : très sensible Besoin de nouvelles stratégies pour travailler en milieu liquide

Références Et une nanomasse M. L. Roukes “An apparatus and method for ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection” WO/2002/090246 Effet d’échelle A. Naik et al., “ Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology, 2, 114 (2007) C. Bergaud et al., “Viscosity measurements based on experimental investigations of composite cantilever beam eigenfrequencies in viscous media” Review of scientific instruments, 71, 2487, (2000) G. A. Campbell et al., “Detection and quantification of proteins using self-excited PZT-glass millimeter-sized cantilever” Biosensors & bioelectronics, 21, 597, (2005)

Références Historique G. Sauerbrey, “ Verwendung von schwingquarzen zur wagung dunner schichten und zurmikrowagung  ” Zeitschrift Fur Physik 155, 206 (1959). P. Poncharal et al., “ Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes ” Science, 5 1513 (1999). B. Ilic et al., “ Attogram Detection Using Nanoelectromechanical Oscillators ” Journal of Applied Physics, 95, 3694 (2004). Y.T. Yang et al., “ Zeptogram-scale nanomechanical mass sensing ” Nano Letters, 6, 583 (2006) K. Jensen et al., “An atomic-resolution nanomechanical mass sensor”, Nature Nanotechnology, 3, 553, (2008)

Références Mesures statistiques ? H. Craighead, “ Measuring more than mass” Nature Nanotechnology, 2, 18, (2007) Tamayo, J. et al., “ Effect of the adsorbate stiffness on the resonance response of microcantilever sensors” Appl. Phys. Lett. 89, 224104 (2006). Résultats à l’air Mo Li et al.,“ Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology, 2, 114, (2007)

Références Etat de l’art des détecteurs E. S. Snow et al.,“Chemical Detection with a Single-Walled Carbon Nanotube Capacitor ” Science, 307, 1942(2005) Grate J. W. et al., “Hybrid Organic/Inorganic Copolymers with Strongly Hydrogen-Bond Acidic Properties for Acoustic Wave and Optical Sensors”, 9, 1201, Chem. Mat. (1997) Hopkins A. R. et al., “Article Detection and Classification Characteristics of Arrays of Carbon Black/Organic Polymer Composite Chemiresistive Vapor Detectors for the Nerve Agent Simulants Dimethylmethylphosphonate and Diisopropylmethylphosponate” Anal. chem. 73, 884 (2001). Voiculescu et al., “Electrostatically actuated resonant microcantilever beam in CMOS technology for the detection of chemical weapons ” IEEE Sensors journal 5, 641 (2005)

Références NEMS-MS Electrospray A. Naik et al., “Towards single-molecule nanomechanical mass spectrometry” Nature Nanotechnology, 4, 445 (2009) En milieu liquide Pas encore publié