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Les capteurs à magnétorésistance géante
Le phénomène de magnétorésistance géante fut découvert pour la première fois en 1988 par le français Albert Fert [11] et conjointement par l’allemand Peter Grünberg [12] recevant ainsi un prix Nobel en 2007 pour leur découverte. Ils ont découvert une variation de résistivité importante lorsqu’une alternance de couches nanométriques de Fe et de Cr était soumise à un champ magnétique extérieur. En effet, les capteurs à magnétorésistance géante permettent de mesurer de très faibles variations de champs magnétiques en mesurant des variations de résistances. Les capteurs GMR sont sensibles à des champs magnétiques de l’ordre du nanotesla permettant ainsi la transduction d’un signal biologique en un signal électrique, avantage considérable par rapport aux systèmes qui utilisent des marqueurs colorimétriques ou fluorescents.
Electronique de spin
Les électrons possèdent deux types de moment angulaire : le moment angulaire orbital, dû à leur mouvement autour du noyau, et un moment intrinsèque (moment magnétique), le spin.
L’électronique classique guide les électrons en appliquant une force sur leur charge électrique alors que l’électronique de spin les guide en agissant sur le spin de l’électron. Or, l’objectif de la spintronique est de combiner à la fois la charge et le spin des électrons pour fabriquer des dispositifs dans lesquels ces deux caractéristiques joueront un rôle actif.
Effet GMR
L’origine de la magnétorésistance repose sur le spin des électrons dans des matériaux magnétiques structurés en couches minces. Dans un matériau ferromagnétique, la conductivité électrique est liée à la mobilité et à la densité d’état des électrons au niveau de Fermi qui est différente pour les deux états de spin de l’électron. Ainsi, pour les deux directions de spin, la diffusion des électrons n’est pas la même .
Si l’on prend l’exemple d’un empilement de deux couches ferromagnétiques séparées par une couche conductrice mais non magnétique, la conduction des électrons dans cette structure va dépendre du spin de l’électron par rapport à l’aimantation locale des couches composant cette structure. Il est possible de considérer un modèle à deux courants en parallèle, un courant de spin up et un courant de spin down. Deux états extrêmes peuvent donc être observés : un état parallèle du spin de l’électron par rapport à l’aimantation de la couche ferromagnétique donc une résistance faible ou un état antiparallèle du spin de l’électron par rapport à l’aimantation locale de la couche ferromagnétique possédant alors une résistance élevée .
Si l’on considère que les deux couches ferromagnétiques ont une aimantation antiparallèle (AP) entre elles, les électrons de spins up (down respectivement) vont traverser une couche ferromagnétique avec une aimantation parallèle (respectivement antiparallèle) par rapport à leur spin et donc avoir une résistance faible r (élevée R respectivement).
Vanne de spin
C’est en 1991 que le français Bernard Dieny propose une configuration des capteurs GMR dite « vanne de spin « [15]. Cette forme particulière de capteurs est généralement une tricouche composée de deux couches métalliques ferromagnétiques découplées magnétiquement grâce à une couche conductrice mais non magnétique (couche de cuivre) séparatrice . La première couche, appelée couche dure, a son aimantation bloquée (par interaction d’échange avec une couche antiferromagnétique) dans une direction fixe sur une large gamme de champs magnétiques appliqués, tandis que l’autre couche, appelée couche libre, a une aimantation qui tourne facilement sous l’effet d’un champ magnétique.
Afin d’obtenir une réponse linéaire en fonction du champ magnétique des capteurs GMR, l’aimantation de la couche dure est fixée perpendiculairement à l’axe de facile aimantation de la couche libre, et cet axe est l’axe sensible du capteur GMR qui est considéré comme la direction y. Cela signifie que de petites variations du champ magnétique externe changeront l’angle entre la couche libre et la couche dure, modifiant ainsi la résistance du capteur et donnant lieu entre deux configurations extrêmes dites saturées (configuration antiparallèle et parallèle des aimantations) possédant respectivement une résistance élevée et faible et pour lesquelles la résistance devient indépendante du champ magnétique appliqué, une zone de variation linéaire de la résistance en fonction du champ magnétique . C’est dans cette zone que les mesures sont effectuées .
Composition et géométrie des capteurs GMR
Les empilements GMR ont été déposés par pulvérisation cathodique et structurés par lithographie UV standard sur des wafers de silicium et de saphir (un capot transparent est nécessaire pour aligner les deux substrats).
L’empilement de trois couches magnétiques décrit précédemment pour une vanne de spin est en réalité beaucoup plus complexe. Pour obtenir une couche dure avec une aimantation bloquée indépendante du champ magnétique à détecter et stable à température ambiante, une structure de type antiferromagnétique synthétique bloqué par couplage d’échange avec une couche antiferromagnétique est utilisée [16]. Un antiferromagnétique synthétique consiste en deux couches ferromagnétiques (CoFe) séparées par une couche de ruthénium dont l’épaisseur est choisie afin que les deux couches ferromagnétiques soient couplées antiferromagnétiquement. Ce type de structure a l’avantage de réduire les champs de fuite et donc de diminuer l’impact du champ magnétique mais aussi de réduire les couplages dipolaires sur la couche libre. L’orientation de cette couche dure est réalisée à l’aide d’un recuit sous fort champ magnétique (1 T) à haute température (200°C pour l’IrMn, 300°C pour le PtMn) afin de réorienter le couplage d’échange .
La couche libre, quant à elle, doit être très sensible à de faibles variations de champs magnétiques extérieurs ainsi un faible champ coercitif mais aussi une forte polarisation de spin afin d’augmenter l’effet GMR sont nécessaires. Pour cela, une couche de NiFe (faible coercivité) et une couche de CoFe (forte polarisation de spin) sont couplées et elles suivent l’aimantation du matériau de plus faible coercivité. Une fine couche de cuivre vient séparer et découpler la couche dure et la couche libre. En effet, le retournement de la couche libre ne doit pas affecter la couche dure. Or cette couche de cuivre ne doit pas être trop épaisse afin d’éviter que les électrons perdent leur polarisation lors de la traversée du stack, sinon l’effet GMR disparait. Ainsi, l’épaisseur de cette couche doit être inférieure à la longueur de diffusion de spin qui est la longueur moyenne où l’électron conserve la direction de son spin. L’épaisseur choisie est souvent aux alentours de 2 nm.
Lors de ces travaux de thèse, différentes structures d’empilement GMR ont été fabriquées et utilisées. Nous avons utilisé des structures avec des couches antiferromagnétiques en PtMn mais aussi en IrMn. La seule différence entre ces deux structures est que la couche dure est bloquée sur une plus large gamme de température et réagit moins aux décharges électrostatiques qu’avec une couche antiferromagnétique en IrMn. De plus, la forme des capteurs finaux est également très importante afin de minimiser l’hystérésis et linéariser au maximum la réponse de nos capteurs. En effet, quand on introduit une anisotropie de forme dans le système (longueur et largueur différente), les moments magnétiques de la couche libre vont s’aligner naturellement dans le sens de la longueur dans un même domaine magnétique [17] en éloignant les deux pôles créés (diminution de l’énergie magnétostatique) et donc créer un axe de facile aimantation pour la couche libre. Ainsi, il y aura un retournement cohérent et progressif de la couche libre, induisant une variation linéaire de la résistance avec le champ. Les capteurs GMR utilisés pour ces travaux ont donc été designés en forme de yoke allongé afin de minimiser la présence de domaines magnétiques qui peuvent être responsables de bruit magnétique .
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Table des matières
Introduction
0.1. Table des figures & tableaux
0.2. Références
1 – Principes et rappels généraux
1.1. Table des figures & tableaux
1.2. Principe de l’immunodétection
1.2.1. Les anticorps
1.2.1.1. Description des anticorps
1.2.1.2. Production des anticorps
1.2.2. Utilisation des anticorps en immunodétection
1.2.2.1. Tests immunochromatographiques (tests bandelettes)
1.2.2.2. Test ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay)
1.2.2.3. Cytométrie en flux
1.3. Rappels de magnétisme
1.3.1. Diamagnétisme
1.3.2. Paramagnétisme
1.3.3. Ferromagnétisme
1.3.4. Antiferromagnétisme et ferrimagnétisme
1.3.5. Superparamagnétisme
1.4. Les capteurs à magnétorésistance géante
1.4.1. Electronique de spin
1.4.2. Effet GMR
1.4.3. Vanne de spin
1.4.4. Composition et géométrie des capteurs GMR
1.4.5. Magnétorésistance et sensibilité des capteurs GMR
1.4.6. Sources du bruit
1.4.6.1. Le bruit thermique
1.4.6.2. Le bruit en 1/f
1.4.6.3. Le bruit télégraphique (RTN)
1.4.6.4. Autres bruits
1.4.6.5. Mesures de bruit et détectivité
1.5. Etat de l’art des précédentes biopuces
1.6. Références
2 – Biopuce GMR à deux étages
2.1. Table des figures & tableaux
2.2. Principe de la biopuce GMR à deux étages
2.3. Fabrication de la nouvelle biopuce
2.3.1. Fabrication des capteurs
2.3.2. Découpe des wafers
2.3.3. Recuit des capteurs
2.3.4. Conception du canal microfluidique
2.4. Montage expérimental
2.4.1. Montage de la biopuce sur le PCB
2.4.2. Détermination de la sensibilité des capteurs GMR hors du montage expérimental
2.4.3. Aimant permanent
2.4.4. Fluidique
2.4.5. Electronique
2.5. Traitement des données
2.5.1. Structure des données
2.5.2. Détermination du bruit de chaque capteur
2.5.3. Détection des pics
2.5.4. Validation par la forme des signaux
2.5.5. Recherche des coïncidences
2.5.6. Chi carré
2.5.7. Détermination de la hauteur de passage et du moment magnétique
2.6. Conclusion
2.7. Références
3 – Mise au point des conditions expérimentales
3.1. Table des figures & tableaux
3.2. Préparation des échantillons
3.2.1. Lignées cellulaires utilisées
3.2.1.1. Culture des cellules NS1
3.2.1.2. Culture des cellules CHO
3.2.2. Choix et préparation des billes magnétiques
3.2.2.1. Choix des billes magnétiques
3.2.2.2. Caractéristiques magnétiques des billes
3.2.2.3. Couplage des billes magnétiques
3.2.2.4. Fonctionnalisation des billes magnétiques Dynabeads et des billes Micromod 500 nm
3.2.2.4.1. Biotinylation des anticorps
3.2.2.4.2. Immobilisation des anticorps biotinylés en surface des billes
3.2.2.5. Fonctionnalisation des billes magnétiques Carboxyl-Adembeads 200 nm (Ademtech)
3.3. Protocole expérimental
3.3.1. Immunocapture des cellules NS1
3.3.1.1. Avec les billes dynabeads MyOne
3.3.1.2. Avec les billes Micromod 500 nm
3.3.1.3. Aves les billes Adembeads 200 nm
3.3.2. Mise en place de l’expérience
3.4. Optimisation de la préparation des échantillons biologiques magnétiquement marqués
3.4.1. Immunocapture des objets biologiques
3.4.1.1. Vérification de la labélisation des cellules NS1 par les billes Dynabeads MyOne par Microscopie Electronique à Balayage Environnemental (MEBE)
3.4.1.2. Labélisation des cellules NS1 par les billes Dynabeads MyOne dans différents milieux biologiques et durée/température d’immunocapture
3.4.1.2.1. PBS, PBS+BSA+EDTA et milieu de culture
3.4.1.2.2. Sérum de veau fœtal et plasma de lapin
3.4.1.3. Choix des anticorps : labélisation et agrégation des billes Dynabeads MyOne fonctionnalisées avec différents anticorps anti-NS1
3.4.1.3.1. Anticorps anti-CD38
3.4.1.3.2. Anticorps anti-CD184
3.4.1.3.3. Anticorps anti-H-2Kd /H-2Dd
3.4.1.3.4. Mélange des quatre anticorps spécifiques aux cellules NS1
3.4.1.4. Détermination de la concentration optimale en billes Dynabeads MyOne pour l’immunocapture des cellules NS1
Conclusion
