Classification des biocapteurs

Classification des biocapteurs

Définition, principe de fonctionnement et propriétés des nanobiocapteurs

Un nanobiocapteur (nanobiosensor), est un composant électronique ou bioélectronique destiné à détecter (sentir, renifler) et analyser (reconnaître et quantifier) des entités biologiques [1] telles que les enzymes, sécrétions, protéines, ADN, virus, bactéries… Les échantillons à détecter/analyser sont très divers: échantillons de laboratoire, échantillons in vitro ou in vivo, échantillons de nourriture, échantillons de l’environnement (air, eau, sol, végétation, …). Le biocapteur est un composant électronique/bioélectronique qui convertit un signal biologique détecté en entrée en un signal électronique mesurable en sortie [12]. Le signal en entrée du biocapteur peut être de nature très diverse : biologique, chimique, biochimique, biophysique [5]. Dans notre étude, le signal d’entrée est porté par les molécules biologiques elles-mêmes qui interagissent directement avec l’onde acoustique de surface dans la zone active du transducteur. Le signal en sortie du biocapteur peut être également de nature diverse : électrique, mécanique, optique, thermique [8]. Dans notre étude, nous nous intéresserons à 2 types de signaux en sortie : – un signal électronique pour le transducteur acousto-électrique SAWIDT et, – un signal optique pour le transducteur acousto-électrique SAW-IDT. Les biocapteurs sont utilisés dans de nombreux domaines, parmi lesquels on peut citer: le domaine industriel, agroalimentaire, agrochimique [13] et chimique (contrôles de génie des procédés, de qualité, de sécurité…) [14], médical (mesure de glycémie ou taux de glucose dans le sang, mesure de sécrétion d’enzymes hépatiques, mesure d’enzymes pancréatines, Thèse de Doctorat LMD TARI Nassima, intitulée : Etude d’un Nanobiocapteur à base de ZnO Nanostructuré et à Cascade Quantique Chapitre I Introduction aux nanobiocapteurs, classification et propriétés 15 mesures de PSA, ou de cellules cancéreuses,….) [15], le domaine de l’environnement dans la détection et analyse de molécules (air, gaz, rejets industriels, entités chimiques, entités biologiques,..) [16], le domaine de la sécurité [17]. I.2.2. Structure d’un nanobiocapteur La structure générale d’un nanobiocapteur est représentée sur la figure 1. Comme on peut le constater, le biocapteur est constitué essentiellement de 04 parties différentes: 1. L’analyte ou élément à détecter/analyser. Il peut être de nature biologique, chimique, ou biochimique [4] tel que: enzymes, protéines, anticorps, cellules entières, les cellules nucléiques, les antigènes, ADN, etc… Le biorécepteur qui est l’élément principal de l’interface biologique-électronique. Il est souvent de nature biologique [13] : Enzyme, anticorps, ADN, tissus, organelles, bactéries, micro-algues, protéines, … Le biorécepteur peut être également de nature hybride [18] constitué par la combinaison d’un matériau biologique avec un matériau non biologique inorganique, comme par exemple, une molécule (brin d’ADN) ou une entité biologique (neurone) greffée et fonctionnalisée sur un nanotube de carbone. Le biorécepteur joue le rôle fondamental d’interface entre l’analyte et le transducteur. Il est chargé de transformer le signal biologique qu’il reçoit de l’analyte en un signal physique mesurable par le transducteur [9] tel qu’un courant électrique, un déplacement ou une déformation ou Enzymes Microorganismes Immuno-agents Chémorécepteurs Tissue, Organelles Electrodes Transistors FET Thermistors Fibres optiques Cristaux piézoélectriques Amplificateur Microélectronique Biocapteur Analyte Biorécepteur Transducteur Signal Traitement du signal Thèse de Doctorat LMD TARI Nassima, intitulée : Etude d’un Nanobiocapteur à base de ZnO Nanostructuré et à Cascade Quantique Chapitre I Introduction aux nanobiocapteurs, classification et propriétés 16 une vibration mécanique, un signal thermique, un signal optique, une polarisation, etc… Il joue un rôle crucial dans le fonctionnement du biocapteur et il est déterminant dans la qualité de ce biocapteur [14] en termes de sensibilité, de détectivité, de sélectivité, de rapidité, etc…. 2. Le transducteur qui est un composant électronique dont la fonction est de transformer le signal reçu du biorécepteur en un signal électrique mesurable [7]. Ce composant peut être un transistor à effet de champ (FET), des nanofils, des nanotubes, des nanoparticules, des électrodes, des thermistors, des cristaux piézoélectriques,… 3. Le système électronique de traitement de signalen sortie, constitué d’un étage d’amplification/filtrage des signaux, d’un processeur de signaux et d’un affichage. I.2.3. Principe de fonctionnement d’un nanobiocapteur Le principe de fonctionnement d’un nanobiocapteur est indiqué sur la figure 2 ci-dessous: 1. L’entité biologique se fixe sur le biorécepteur de même nature, 2. Un signal biophysique est alors émis à son tour par le biorécepteur. 3. Cette information qui provient du biorécepteur, est captée par le transducteur qui se charge de la convertir en un signal électrique mesurable (courant, tension,..). 4. Ce signal est émis en sortie du transducteur vers l’étage suivant. 5. Le signal émis en sortie du transducteur est de très faible intensité. Il est alors nécessaire de prévoir un système d’amplification/filtrage/traitement de signal.

Propriétés et caractéristiques d’un nanobiocapteurs

Les nanobiocapteurs sont des dispositifs caractérisés par un certain nombre de paramètres ou caractéristiques qui décrivent leur efficacité et leur qualité [7]. Il s’agit des paramètres (caractéristiques) suivants : 1. La sensibilité du biocapteur, la quantité minimale de molécules (parties par Milliard) que le biocapteur est capable de détecter, 2. La détectivité, sa capacité à détecter une entité ou molécule noyée dans un nuage (background) d’autres entités ou molécules, en d’autres termes, le rapport signal/bruit du biocapteur, 3. La sélectivité, ou sa capacité à différencier des molécules très semblables mais de nature différente, en quantités infinitésimales et à ne détecter que la molécule cible, 4. La rapidité, ou sa capacité à répondre ‘’instantanément’’, en d’autres termes, le temps de réponse du biocapteur, 5. La répétitivité, sa capacité à donner le même signal pour des molécules identiques, ou pour la même molécule mesurée à plusieurs reprises, 6. La fréquence de mesures, sa capacité à réaliser le nombre le plus élevé possible de mesures par unité de temps et donner des résultats répétitifs. Cette caractéristique est liée au temps de recouvrement (de remise en état de mesure après le cycle précédent). 7. Le temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du nal après évacuation de l’espèce (molécule) cible, en position ‘’ready’’ 8. la dérive, ou le décalage progressif de la réponse du biocapteur vers des valeurs erronées 9. La fiabilité, sa capacité à ne pas être défaillant, à ne pas donner de résultat erroné le plus longtemps possible 10. La durée de vie, c’est la durée (la plus longue possible) pendant laquelle le biocapteur est fonctionnel normalement, sans défaillance et sans panne 11. L’encombrement lié aux dimensions du biocapteur et du système d’alimentation et de fonctionnement de ce composant. 12. La consommation en énergie et la structure du système d’alimentation Thèse de Doctorat LMD TARI Nassima, intitulée : Etude d’un Nanobiocapteur à base de ZnO Nanostructuré et à Cascade Quantique Chapitre I Introduction aux nanobiocapteurs, classification et propriétés 1 18 13. La versatilité du biocapteur ou sa capacité d’adaptation à des modifications ou à des tâches multiples 14. Le rapport qualité/prixdu biocapteur I.3. Classification des biocapteurs Il existe plusieurs manières de classifier les biocapteurs [6]. Cependant, la classification des biocapteurs repose sur trois paramètres principaux: 1. Type de substance à détecter (analyte), 2. Type de biorécepteur (interface entre l’analyte et l’analyseur), 3. Type d’analyseur (dans notre cas le transducteur).

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Introduction aux nanobiocapteurs, classification, propriétés
I.1. Introduction
I.2. Définition, principe de fonctionnement et propriétés des nanobiocapteurs
I.2.1. Définition d’un nanobiocapteur
I.2.2. Structure d’un nanobiocapteur
I.2.3. Principe de fonctionnement d’un nanobiocapteur
I.2.4. Propriétés et caractéristiques
I.3. Classification des biocapteurs
I.3.1. Différents types de biocapteurs
I.3.2. Différents types de matériaux utilisés pour la fabrication des biocapteurs
I.3.3. Différents systèmes de biocapteurs
I.3.4. Classification des biocapteurs
I.4. Exemples de Biocapteurs
I.4.1. Biocapteurs purement biologiques
I.4.2. Biocapteurs hybrides biologiques/électroniques
I.4.3. Biocapteurs purement électroniques
I.5. Conclusion : motivation et choix de notre nanobiocapteur
I.6. Références bibliographiques du chapitre I
Chapitre II : Motivation et choix d’un nanobiocapteur SAW-IDT à base d’un
transducteur interdigité (IDT) à onde acoustique de surface (SAW)
II.1. Introduction
II.2. Transducteur interdigité (IDT) à ondes acoustiques de surface (SAW) à base de céramiques
piézoélectriques
II.2.1. Définition générale d’un transducteur SAW-IDT à céramique piézoélectrique
II.2.2. Structure du transducteur SAW IDT à céramique piézoélectrique
II.2.3. Principe de fonctionnement du transducteur SAW IDT à céramique piézoélectrique
Motivation et choix d’un nanobiocapteur SAW-IDT à base d’un transducteur
interdigité (IDT) à ondes acoustiques de surface (SAW)
II.1. Introduction
II.2. Transducteur interdigité (IDT) à ondes acoustiques de surface (SAW) à base de céramiques
piézoélectriques
II.2.1. Définition générale d’un transducteur SAW-IDT à céramique piézoélectrique
II.2.2. Structure du transducteur SAW IDT à céramique piézoélectrique
II.2.3. Principe de fonctionnement du transducteur SAW IDT à céramique piézoélectrique
II.3. Matériaux utilisés pour les SAW IDT (céramiques piezoélectrique,…), propriétés,
caractéristiques et limites
II.3.1. Transducteur interdigité (IDT) à ondes acoustiques de surface (SAW) à base de ZnO
II.3.2. Définition d’un transducteur SAW-IDT à ZnO
II.3.3. Structure d’un transducteur SAW-IDT à ZnO
II.3.4. Principe d’un transducteur SAW-IDT-ZnO
II.3.5. Propriétés, caractéristiques et limites
II.4. Transducteur interdigité (IDT) à ondes acoustiques de surface (SAW) à base de
l’hétérostructure ZnO/MgxZn1-xO
II.4.1. Définition d’un transducteur SAW-IDT-ZnO/MgxZn1-xO
II.4.2. Structure du transducteur SAW-IDT-ZnO/MgxZn1-xO
II.4.3. Principe de fonctionnement du transducteur SAW-IDT-ZnO/MgxZn1-xO
II.4.4. Propriétés, caractéristiques et limites
II.5. Propriétés des matériaux massifs binaires ZnO et MgO et de l’alliage ternaire MgxZn1-xO
II.5.1. Propriétés structurales
II.5.2. Propriétés électroniques, optiques et de bandes
II.5.3. Propriétés de contraintes
II.5.4. Propriétés de polarisation spontanée et piézoélectrique
II.6. Propriétés des hétérostructures de ZnO/MgxZn1-xO
II.6.1.hétérostructures massives de ZnO/MgxZn1-xO en couches épitaxiales
II.6.2. hétérostructures bidimensionnelles de ZnO/MgxZn1-xO à puits quantiques
II.7. Conclusion
II.8. Références bibliographiques du chapitre II
Etude des propriétés électroacoustiques des transducteurs à base de l’hétérostructure
ZnO/MgxZn1-xO
III.1. Introduction
III.2. Etude de l’impédance acoustique du transducteur MgxZn1-xO en fonction de l’alliage
III.3. Etude des propriétés électroacoustiques de l’hétérostructure de ZnO/MgxZn1-xO en
spectroscopie d’impédance Z : Modèle KLM
III.3.1. Présentation du modèle KLM
III.3.2. Etude de la fréquence de résonnance en fonction de la composition x en Mg
III.4. Etude des effets de taille, de forme et d’orientation sur les transducteurs
électroacoustiques à base de l’hétérostructure de ZnO/MgxZn1-xO
III.5. Effets de la polarisation spntannée sur le coefficient de couplage électromécanique
III.6. Conclusion
III.7. Références bibliographiques du chapitre III
Etude de la sensibilité de masse d’un nanobiocapteur SAW-IDT
ZnO/MgxZn1-xO
IV.1. Introduction
IV.2. La sensibilité de masse
IV.3. La sensibilité dans les différents modes
IV.3.1. La sensibilité de masse dans le mode Rayleigh
IV.3.2. Mode horizontal de cisaillement
IV.3.3. Mode Lamb
IV.3.4. Mode Love
IV.4. Optimisation d’un exemple de SAW-IDT ZnO/MgZnO
IV.4.1. Vitesse de l’onde acoustique
IV.4.2. Variation de la sensibilité en fonction de h/λ
IV.4.3. Variation de la sensibilité en fonction de la masse déposée
IV.5. Conclusion
IV.6. Références bibliographiques du chapitre IV
Chapitre V
Etude d’optimisation d’un nanobiocapteur Optoacoustique
à base de ZnO/MgxZn1-xO
Plan du chapitre V
V.1. Introduction
V.2. Modèle du capteur opto-acoustique à base de ZnO/MgxZn1-xO
V.3. Principe de fonctionnement
V.4. Lasers Inter-bandes à base de ZnO/MgxZn1-xO et de CdyZn1-yO/ZnO: choix de la structure et optimisation des paramètres du Laser inter-bandes
V.5. Laser à cascade quantique à base de ZnO/MgxZn1-xO
V.6. Optimisation du capteur opto-acoustique à base de ZnO/MgxZn1-xO
V.7. Optimisation d’un photo-détecteur à avalanche ZnO/MgxZn1-xO
V.8. Conclusion
V.9. Références bibliographiques du chapitre V

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