Microcapteurs chimiques en phase liquide Historique 1980 - 1990: développement du pH-ISFET 1997: reprise des activités "transistors chimiques à effet de champ ChemFETs" 1997-2001: développement du pH-ISFET 1998-2001: développement des capacités chimiques à effet de champ ChemFECs 2000-2005: projet MICROMEDIA, développement des EnFETs 2001-2004: projet européen SEWING, développement des ISFETs 2005: développement des microélectrodes chimiques Domaines d’applications: la santé, l’environnement, l'agro-alimentaire Mesure du pH Détection d’ions Détection biochimique et biologique Potentiel: 7,5 personnes Permanents: 2,5 - post-doctorants: 2 - doctorants: 2 - ingénieur privé: 1 Contacts: Pierre TEMPLE-BOYER, temple@laas.fr Jérôme LAUNAY, jlaunay@laas.fr

Présentation du ChemFET Adaptation du MOSFET à la détection en milieu liquide Substitution de la grille métallique par une couche chimiquement sensible Utilisation d’une structure électrolyte/isolant*/ semi-conducteur (EIS) en tant que commande de grille Principe de détection Piégeage de charges (ions…) sur la couche chimiquement sensible, variation du potentiel électrochimique de l'électrolyte y0 et mesure de la tension de seuil du ChemFET VT* Avantages et inconvénients Compatibilité avec la microélectronique (théorie, technologie, interfaces électroniques) Nécessité d'une encapsulation adaptée (et optimisée…) à la détection en milieu liquide Polarisation de l'électrolyte par une (pseudo) électrode de référence… Politique de développement Fabrication collective d'une structure générique de détection: le pH-ISFET Adaptation et optimisation en fonction de l'application électrolyte Grille P type silicon substrate Source Drain y0 + substrat silicium type P SiO2 Si3N4

Le microcapteur pH-ISFET ISFET: ion sensitive field effect transistor Détection de l'ion H+ à partir d'une grille SiO2/Si3N4 SiO2: propriétés diélectriques Si3N4: propriétés diélectriques et chimiques Détection potentiométrique: variation de la tension de seuil du transistor en fonction du potentiel électrochimique y0 de la solution VT* = VT - y0 ≈ VT + sNernst (pH - pHpcn) sNernst = (ln10)kT/q soit: sNernst ≈ 59 mV/pH à 300K Microcapteur chimique N-pH-ISFET: IDS = K[(VGS - VT*)VDS - 0,5VDS] Variation linéaire de la tension grille-source VGS en fonction du pH pour un courant drain-source IDS et une tension drain-source VDS constants électrolyte Grille substrat silicium type P substrat silicium Source Drain IDS VDS VGS y0 + SiO2 Si3N4

Filière technologique de pH-ISFETs Microcapteur pH-ISFET 1cm Microcapteur ISFET/ReFET Microcapteur pH-ISFET/ReMOS

Développement des interfaces de mesure

Mesure du pH Caractérisation I(V) 3 4 5 6 7 8 9 10 -1,65 -1,60 -1,55 -1,50 -1,45 -1,40 -1,35 -1,30 -1,25 S = 57 mV/pH expérience fit linéaire tension de sortie (V) pH Mesure du pH 20 30 40 50 60 70 temps (min) électrode pH pH ISFET I ds = 200 µA V = 1 V électrode de référence KCl Caractérisation I(V) Mesure en temps réel des variations de la tension de seuil du pH-ISFET

Intégration des couches chimiquement sensibles Intégration de molécules organiques au sein de polymères photosensibles par photolithographie Poly vinyl alcool (PVA): hydrophilie, compatibilité avec les matériaux biochimiques Polysiloxane (PSX): hydrophobie, compatibilité avec les ionophores Etude et modélisation Procédé de dépot à la tournette de liquides newtoniens (PVA) et maxwelliens (PSX) Procédé de photolithographie aux ultraviolets motifs en PSX (e ≈ 15 microns) 100 µm motifs en PVA (e ≈ 1 micron)

Détection d'activités bactériennes Suivi de milieux bactériens à l'aide de pH-ISFETs Intéret: la diminution du volume d'analyse V est responsable de l'augmentation de la cinétique bactérienne dpH/dt: dpH/dt a a/V où "a" est l'activité bactérienne Fabrication collective de microcuves en PDMS (≈ 1 mm3) en technologies polymères Intégration sur puce pH-ISFET, connexion (électrique et fluidique) et assemblage Etude de la bactérie non pathogène lactobacillus acidophilus Métabolisme principal: consommation de sucres spécifiques, fabrication d'acide lactique et diminution du pH du milieu bactérien (valeur limite: pH ≈ 4) Test de sucres caractérisés par différents métabolismes: glucose (+) and sorbitol (-) 2 4 6 8 1 5 9 , 7 Vg/Vg0 temps (min) Test sorbitol Test glucose

Application à la biochimie Utilisation de réactions enzymatiques à variation de pH pour la détection d’espèces chimiques et biochimiques Uréase: CO(NH2)2 (urée) + H2O ----> 2NH3 + H2CO3 Créatinine déiminase: créatinine + H2O ----> N-méthyl-hydantoïne + NH3 Autres hydrolases… Intégration de couches enzymatiques en poly vinyl alcool (PVA) sur la grille du pH-ISFET: développement d’EnFETs réaction enzymatique N P H+/OH- SiO2 Si3N4 PVA

Application à l’hémodialyse Fabrication collective de couches enzymatiques à base de poly vinyl alcool (PVA) par dépôt à la tournette et photolithographie UV Réalisation d’EnFETs pour la détection de l’urée et de la créatinine Uréase-EnFET: 95 mV/pUrée dans la gamme [5 - 50 mmol/L] Créatinine-déiminase-EnFET: 35 mV/pCréatinine dans la gamme [0,01 - 1 mmol/L] Application à l’hémodialyse PVA /enzyme EnFET pH-ISFET S s D G 6 5 4 3 2 1 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 tension (V) s ≈ 35 mV/pCreatinine s ≈ 95 mV/pUrée pC

Transfert industriel en cours (société HEMODIA) Fabrication industrielle des puces pH-ISFETs en fonderie silicium Utilisation des technologies de type « carte à puces » pour la fabrication en grande série des capteurs EnFETs Dépôt des couches enzymatiques à partir des techniques de jets d’encre Conditionnement, connectique et encapsulation des puces Report au sein d’une chambre de mesure de type « mini-fluidique » Standardisation des connexions électriques Transfert industriel en cours (société HEMODIA) Grille urée-EnFET pH- ISFET

Etude des mécanismes de détection enzymatique Modélisation des EnFETs en vue d’optimisation Réaction enzymatique (équation de Michaelis-Menten) Diffusion des espèces (bio)chimiques dans la solution (Loi de Fick) Lois de l'hydrodynamique (pseudo 2D) Réactions acido-basiques Réponse du pH-ISFET

Application à la chimie Intégration d'ionophores à l'aide de polymères photosensibles de type polysiloxane (PSX): réalisation de couches ionosensibles Application à des ionophores standards Nonactine pour la détection de l'ion ammonium NH4+ Tetradodecyl ammonium nitrate (TDDAN) pour la détection de l'ion nitrate NO3- Valinomycine pour la détection de l'ion potassium K+ Monensine pour la détection de l'ion sodum Na+ … Source Drain silicon substrate SiO2 Si3N4 PSX In+

Détection d'ions en solution Intégration de couches ionosensibles Technologie polysiloxane (PSX) & ionophore: NH4+, NO3-, Na+, K+ Utilisation de la lactalbumine pour la détection des ions Ca2+ et Mg2+ Réalisation d’ISFETs pour la détection de l’ion ammonium NH4+ Utilisation de la nonactine en tant qu’ionophore pNH4-ISFET: 45 mV/pNH4 dans la gamme de pNH4 [1 - 4] PSX + ionophore ISFET Détection de l'ion ammonium NH4+

Présentation des microélectrodes chimiques Développement de capacités chimiques à effet de champ ChemFECs (ou structures électrolyte/isolant/semi-conducteur EIS) Utilisation de la filière ChemFET à grille ionosensible SiO2/Si3N4 Extension aux microélectrodes métalliques (Au, Pt,…) Intérêt: Ouverture vers les principes de détection voltampérométriques et impédancemétriques électrolyte Grille substrat silicium type P substrat silicium Source Drain V substrat SiO2 Si3N4 I +

Technologie des microélectrodes chimiques Structure conductrice métal(Au)/électrolyte/métal(Au) Structure capacitive métal/électrolyte/isolant(SiO2/Si3N4)/silicium Réalisation technologique Substrat type P (oxyde de champ de 800 nm) Contact N ou N+ Grille: SiO2(30nm)/Si3N4(80nm) Métallisations Ti/Au Passivation: oxyde PECVD de 800nm Report, câblage, encapsulation et conditionnement à la phase liquide Montage amplificateur pour ChemFEC

Caractérisation des microélectrodes chimiques Développement des techniques de caractérisation Voltampérométrie cyclique Spectroscopie d'impédance Modélisation électrique Interface solide/liquide: circuit de Randels (type RLC) Voltammogramme I(V) Diagrammes de Nyquist Microélectrodes or/PSX/électrolyte/or

Application à la détection biologique Diagnostic du paludisme: caractérisation du stress oxydant chez le globule rouge Réalisation de microélectrodes Ti/Au sur substrat pyrex transparent Accroche des globules rouges par fonctionnalisations thiols et polylysine Etude par spectroscopie d'impédance blanc cellule parasitée cellule saine Micro-électrodes en or sur substrat pyrex

Conclusion et prospectives Développement de microcapteurs chimiques en phase liquide Mise en place de technologies génériques pour les ChemFETs, les ChemFECs et les microélectrodes chimiques en technologie silicium et polymères Applications aux analyses chimiques, biochimiques et biologiques en phase liquide Prospectives de recherche Technologie: développement des procédés d’impression par jet d’encre pour l’intégration des couches (bio)chimiquement sensibles (PVA, PSX,…) Technologie: étude des procédés technologique de passivation (SiO2 PECVD, BCB,…) et intégration d'électrodes métalliques de pseudo-référence (or, platine,…) Technologie/caractérisation: intégration de microdispositifs de transduction couplant potentiométrie, ampérométrie et/ou impédancemétrie Caractérisation: techniques de micro-analyse appliquées à la pH-ISFET-métrie Modélisation: mécanismes de détection enzymatique des EnFETs Modélisation: principe de détection des microélectrodes chimiques Microsystèmes: développement de multi-capteurs pour la détection en phase liquide Microsystèmes: vers le faible coût, l'adaptabilité, l'intelligence embarqué et la communication

Conclusion et prospectives Développement de microcapteurs chimique pour l'analyse en phase liquide Réalisation de microdispositifs de détection génériques (pH-ChemFET, micro-électrodes) à partir des technologies silicium et polymères Intégration des matériaux (bio)chimiquement sensibles Encapsulation et conditionnement à la phase liquide Adaptation à la détection chimique, biochimique ou biologique Applications Analyses médicales: pH-ISFETs pour le suivi d'activités bactériennes Hémodialyse: EnFETs la détection de l'urée et de la créatinine Analyse de l'eau: ISFETs pour la détection d'ions Vers de nouveaux concepts de microcapteurs Microcapteurs faible coût (1 - 10 €) Objets de détection chimique: sondes, tubulures, cartes,… Microsystèmes chimiques et fluidiques Réseau de microcapteurs communicants