Présentation des capteurs chimiques à effet de champ (ChemFETs)

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Approche des polymères

Dans le cadre du développement de la micro-électronique dans le domaine de la biologie, les polymères apparaissent comme des biomatériaux très prometteurs. En effet, leur utilisation est de plus en plus courante dans des domaines tels que la médecine où ils sont utilisés dans certains procédés chirurgicaux notamment oculaires, comme implants artificiels, prothèses ou bien dans les systèmes de distribution automatique de médicaments. Le tableau I-2 présente de façon détaillée les diverses applications des polymères dans le domaine biomédical 33.
Dans le domaine des biotechnologies, les polymères servent déjà couramment de support pour l’immobilisation des biorécepteurs classiques : protéines, anticorps, oligonucléotides… Mais dans l’ensemble, ces polymères doivent avoir des propriétés bien spécifiques, notamment dans le domaine biomédical.
Les polymères sont sélectionnés suivant différents critères tels que leur résistance mécanique, leur dégradabilité, leur perméabilité, leur solubilité ou encore leur transparence.
Et, dans tous les cas, il est nécessaire d’optimiser leurs propriétés surfaciques et volumiques.
Si toutes ces propriétés ne sont pas forcément recherchées, il en est deux qui elles, sont quasiment obligatoires pour des polymères utilisés dans le cadre de la biologie et plus particulièrement dans celui du biomédical. Il s’agit des propriétés de biomimétisme et de biocompatibilité. Il semble important à ce niveau de définir ces deux termes caractérisant un polymère puisque nous y ferons référence plus loin.

Définitions

Biomimétisme : Il s’agit de la capacité d’un matériau artificiel à se comporter de la même manière que le matériau original que ce soit au niveau de la microstructure ou de la macrostructure. Actuellement, les comportements biomimétiques les plus courants sont observés en chimie où les réactions chimiques suivent un processus analogue à un processus biochimique. En effet, certains polymères utilisés dans les biomatériaux sont constitués de regroupements chimiques qui sont ordonnés de façon à imiter les caractéristiques de molécules naturelles. Ces biomatériaux ou produits de synthèse biomimétiques ne font pas obstacle à la communication biochimique. Biocompatibilité : il s’agit de la capacité d’un matériau à réagir de façon appropriée à la réponse de l’hôte lors d’une application spécifique. Cette affinité fait que les biomatériaux sont bien tolérés par l’organisme hôte et qu’ils ne provoquent pas de réaction de rejet, de réaction toxique, de lésion ou d’effet nocif sur les fonctions biologiques de ce dernier.

Qu’est ce qu’un polymère ?

Un polymère est une macromolécule formée de l’enchaînement covalent d’un très grand nombre d’unités de répétition qui dérivent d’un ou de plusieurs monomères (qui sont également appelés motifs).
Initialement inspirés par la nature qui met à profit les propriétés de macromolécules telles que l’ADN et les protéines, les chimistes se sont vite intéressés aux polymères. La combinaison de monomères plus simples amène à une grande variété de macromolécules. De plus, il existe plusieurs types de polymérisations, influençant le nombre d’unités, et par suite les propriétés physiques et chimiques du polymère final. On distingue deux grandes familles de polymères :
• des monomères éthyléniques (le squelette final étant uniquement carboné),
• des hétéroatomes qui peuvent servir de jonctions.
Mais il existe également une autre façon de classer les polymères :
• Les homopolymères qui ne possèdent qu’un seul type d’unité …MMMMMMM…
• Les copolymères qui possèdent plusieurs types d’unités
? Copolymère statistique : …MNNMMMMNNNMNMNMMNMNMN…
? Copolymère séquencé: …MMMMMMMMMNNNNNNNM…
? Copolymère alterné: …MNMNMNMNMN…
Les polymères, qu’ils soient homo ou copolymères, peuvent être réticulés. Un polymère réticulé est un polymère dont certaines de ses chaînes sont reliées entre elles par des ponts chimiques covalents.
L’avantage des polymères par rapport aux autres matériaux comme les métaux ou les céramiques, est de pouvoir modifier leur composition pour obtenir une plus grande variété de structures et de propriétés. S’il existe des polymères d’origine naturelle tels que la soie ou la cellulose, les polymères d’origine synthétique sont, d’une manière générale plus intéressants par la malléabilité de leur composition.
L’inconvénient reste le manque de biocompatibilité de la majorité de ces matériaux qui sont la cause de réactions inflammatoires lors de la mise en contact avec un milieu vivant.
Malgré cela, le tableau I-2 montre que ces matériaux sont déjà très utilisés dans le milieu médical. La liste des applications présentée est loin d’être exhaustive, mais elle donne une vision globale du rôle des polymères dans la médecine actuelle.
Il ne faut pas perdre de vue que les capteurs que nous souhaitons développer sont principalement destinés à un usage biomédical qui peut être étendu au domaine biologique et biochimique en général ou, en un mot, au domaine du vivant. Il apparaît donc important, à ce niveau de souligner les intérêts avérés des polymères pour des applications de la microélectronique en biologie :
• Ils sont relativement peu chers
• Ils peuvent être déposés sur des types de substrats très variés
• Les techniques de fabrication, de réticulation et de fonctionnalisation permettent de moduler assez facilement leurs propriétés.
Comme le montre le tableau I-334, les polymères commencent déjà à être bien implantés dans le monde de la microélectronique en présentant à la fois des avantages et des inconvénients. En effet, si la théorie laisse entrevoir un nombre quasi-infini de possibilités de détection, il n’en est pas de même dans la pratique.
L’étape limitante dans la fabrication de capteurs possédant une couche sensible basée sur la chimie des polymères est le dépôt même de ce polymère et surtout, le mode d’insertion de l’élément détecteur au sein de la macromolécule. Lorsqu’il s’agit d’intégrer une « simple » molécule chimique, les contraintes existent mais peuvent être contournées plus ou moins aisément. Il n’en va pas de même lorsque le récepteur est d’origine vivante. En effet, dès qu’il s’agit d’une entité biologique, les techniques sont vite limitées. Ainsi, le choix des réactifs chimiques à utiliser dans le process est restreint et les températures appliquées doivent être basses (de l’ordre de 40°C). Diverses méthodes ont déjà été mises en oeuvre. Tout comme pour les modes d’accroche directe, il va exister plusieurs façons d’amener l’élément biologique sensible sur la grille du capteur grâce à un polymère. Nous ne nous intéresserons finalement ici que très peu aux modes de dépôt des polymères sur le substrat. Nous en citerons quelques uns sans entrer dans les détails des techniques. Cette seconde partie de l’état de l’art s’attachera plutôt aux modes d’intégration de l’élément sensible au sein du polymère et à l’état physique de ce dernier.

Techniques de dépôt des polymères

Dip-coating ou trempage

Ceci consiste à immerger le substrat dans la solution et à le retirer dans des conditions très contrôlées et stables pour obtenir un film d’épaisseur régulière. Lors de la remontée, le liquide va s’écouler sur le substrat. A la fin de l’écoulement, le substrat est recouvert d’un film uniforme et très poreux. Dans ce cas, l’épaisseur des couches résultera de six forces : la viscosité du polymère, la pression, la force de tirage, la force de gravitation, la résultante des forces de tension superficielles, et le gradient de tension de surface. Des capteurs gaz ont ainsi été réalisés à l’aide de polypyrrole 35.

Spin-coating ou dépôt à la tournette

Cette méthode consiste à déposer par centrifugation une solution déposée en excès sur un substrat. Cette technique a l’avantage d’être facilement mise en oeuvre, pour des investissements relativement modérés. De plus, elle est considérée comme une technique de base de la microélectronique classique. Cette méthode de dépôt peut être décomposée en quatre phases :
1) le dépôt de la solution
2) le début de la rotation : la phase d’accélération provoque l’écoulement du liquide vers l’extérieur du substrat
3) la rotation à vitesse constante permet l’éjection de l’excès de liquide sous forme de gouttelettes et la diminution de l’épaisseur du film de façon uniforme
4) l’évaporation des solvants les plus volatils qui accentue la diminution de l’épaisseur du film déposé
En contrôlant les paramètres de rotation, il est possible de calculer l’épaisseur du film déposé: Meyerhofer a publié un modèle prenant en compte les paramètres entrant en jeu lors du dépôt36. Nous étudierons ce modèle un peu plus en avant de ce mémoire puisque c’est cette technique de dépôt que nous avons choisie d’utiliser. Il est possible de trouver dans la littérature différents types de capteurs dont la membrane a été réalisée par cette méthode.
C’est le cas de détecteurs chimiques pour les vapeurs organiques fabriqués à partir de poly(thienylene vinylene)37, de capteurs gaz pour le monoxyde d’azote38, de capteurs pH magnétoélastiques39 ou encore de capteurs optiques d’urée utilisant un film de poly(vinylchlorure)40.

Polymérisation électrochimique et polymères conducteurs

Avant de présenter cette méthode de dépôt, il est important, à ce niveau, de définir un autre genre de polymères : les polymères conducteurs.

Polymères conducteurs

En général les polymères sont d’excellents isolants. Cependant, depuis une dizaine d’années, une nouvelle classe de matériaux appelés polymères conducteurs a été développée.
Ces polymères ont une structure chimique particulière (doubles liaisons conjuguées) qui permettent par dopage d’obtenir des matériaux ayant une conductivité électrique variable et des propriétés uniques. En effet, les polymères conducteurs contiennent des électrons π délocalisés. En faisant varier le niveau de dopage, on peut faire passer le matériau de l’état isolant à l’état semi-conducteur puis conducteur et ainsi faire apparaître et modifier des propriétés électriques inhabituelles pour un tel type de matériau : conductivité électrique, faible énergie de transition optique, faible potentiel d’ionisation ou encore une grande affinité électronique. Les valeurs importantes de conductivité électrique obtenues pour ces polymères ont conduit à les appeler « métaux synthétiques ». De nombreuses applications de ces polymères conducteurs dans le domaine de la chimie analytique ou encore des capteurs41,39 ont déjà vu le jour. Etant donné le contexte de ce mémoire, je m’attarderai plutôt sur le rôle des polymères conducteurs dans le domaine des biocapteurs.
Pour resituer le problème, il est possible de classer les capteurs en trois niveaux d’intégration de la détection :
• Le biorécepteur est soit lié, soit emprisonné dans une membrane qui est elle-même reportée sur la zone sensible du capteur
• Le biorécepteur est soit adsorbé soit fixé de façon covalente directement sur la zone sensible du capteur (élimination de la membrane)
• L’élément à détecter vient directement réagir avec la zone sensible du capteur qui va instantanément traduire et amplifier le signal.
Les polymères conducteurs vont intervenir pour le troisième niveau. En effet, il est tout à fait concevable, étant données leurs propriétés électriques, d’utiliser ces polymères directement comme transducteur. Dans ce cas là, les éléments biologiquement sensibles seront insérés par les méthodes classiques (piégeage, liaisons covalentes…). Mais l’innovation vient du contrôle spatial du dépôt, en particulier grâce à l’électropolymérisation.

Polymérisation électrochimique

Plusieurs méthodes sont disponibles pour la synthèse et le dépôt de polymères conducteurs. Mais la plus utilisée est la méthode de couplage oxydatif : il s’agit d’oxyder les monomères pour former des radicaux cationiques qui vont s’associer deux par deux pour former des di-cations. En répétant ce processus, on aboutit à la formation du polymère. La synthèse électrochimique est rapidement devenue la méthode la plus utilisée pour préparer les polymères conducteurs du fait de la simplicité de sa mise en oeuvre et de sa reproductibilité.
De plus, les réactions peuvent être effectuées à température ambiante. Enfin, en faisant varier les valeurs de potentiel ou de courant, il est possible de contrôler l’épaisseur des couches déposées.
La technique standard qui utilise une cellule contenant une électrode de travail, une contre électrode et une électrode de référence est celle qui produit en général les films de meilleure qualité. Les anodes couramment utilisées peuvent être composées de chrome, or, nickel, palladium, titane ou encore platine.
Dans le cadre des biocapteurs, les polymères conducteurs sont également de plus en plus utilisés. En effet, ils présentent un haut degré de compatibilité avec les molécules biologiques. De plus, les polymères conducteurs ont la capacité d’amplifier le transfert de charge électrique, relativement faible, produit par la réaction biochimique. Une synthèse des applications des polymères conducteurs pour la fabrication des biocapteurs a été réalisée par M. Gerard et al.42. Elles apparaissent dans les domaines :
? De la santé et du médical
• Capteurs de glucose, fructose, lactate, éthanol, cholestérol, urée…
• Immunocapteurs
• Capteurs ADN
? De la surveillance de l’environnement
• Contrôle de la pollution
• Capteurs chimiques
? De l’analyse alimentaire
On constate que finalement les polymères conducteurs apparaissent dans tous les champs d’applications déjà couverts par les biocapteurs.
Après avoir cité ces quelques méthodes de dépôt de différents types de polymères, nous allons nous intéresser à l’intégration proprement dite de l’élément biologique à la surface du biocapteur par le biais des polymères. Il existe bien des méthodes pour réaliser cette opération et nous n’allons ici nous intéresser qu’aux principales.

Intégration de l’élément biologique aux polymères

Avant tout, il est important de se rendre compte de la diversité des biorécepteurs intégrables aux membranes polymériques. En effet, la littérature nous offre tout un panel de biomolécules utilisées dans les applications micro-capteurs. Faire une liste exhaustive de tous les éléments déjà utilisés serait un travail de grande ampleur. Nous ne citerons donc dans ce mémoire que les grandes familles de biorécepteurs en nous appuyant sur quelques exemples : enzymes, anticorps (et protéines par extension), ADN et micro-organismes.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I Accroche directe
I.1 Adsorption physique
I.2 Confinement
I.3 Dépôt par la technique de Langmuir-Blodgett
I.3.1 Principe
I.3.2 Applications
I.4 Liaisons covalentes
II Approche des polymères
II.1 Définitions
II.2 Qu’est ce qu’un polymère ?
II.3 Techniques de dépôt des polymères
II.3.1 Dip-coating ou trempage
II.3.2 Spin-coating ou dépôt à la tournette
II.3.3 Polymérisation électrochimique et polymères conducteurs
II.3.3.1 Polymères conducteurs
II.3.3.2 Polymérisation électrochimique
III Intégration de l’élément biologique aux polymères
III.1 Diversité des biorécepteurs
III.1.1 Enzymes
III.1.1.1 Qu’est ce qu’une enzyme ?
III.1.1.2 Application aux capteurs
III.1.2 Anticorps
III.1.2.1 Qu’est ce qu’un anticorps ?
III.1.2.2 Application aux capteurs
III.1.3 ADN
III.1.3.1 Qu’est ce que l’ADN ?
III.1.3.2 Les capteurs ADN
III.2 Utilisation des polymères pour l’immobilisation des biorécepteurs
III.2.1 Adsorption physique et greffage covalent
III.2.2 Immobilisation par piégeage ou confinement
III.2.2.1 Description de la méthode
III.2.2.2 Techniques de construction du réseau polymérique
IV Développement industriel
IV.1 L’offre industrielle
IV.2 La demande
Bibliographie
Chapitre II Présentation des capteurs chimiques à effet de champ (ChemFETs)
I.1 Principe de fonctionnement des ISFETs
I.1.1 Structure MOS (Métal-Oxyde-Semi-conducteur) ou MOSFET
I.1.2 ISFET
I.2 Propriétés électrochimiques de l’interface électrolyte/solide
I.2.1 L’électrolyte
I.2.2 Interface électrolyte – solide
I.2.3 Système Electrolyte – Isolant – Silicium (EIS)
I.3 Présentation des ISFETs utilisés
II Adaptation du capteur pH aux analyses biochimiques
II.1 Principe de la mesure
II.2 Micro-cuves en plexiglas®
II.2.1 Réalisation
II.2.2 Résultats
II.3 Micro-cuves en PDMS
II.3.1 Présentation du Polydiméthylsiloxane
II.3.1.1 Caractéristiques chimiques
II.3.1.2 Domaines d’applications du PDMS
II.3.2 Conception de cuves en PDMS ouvertes
II.3.2.1 Réalisation des cuves
II.3.2.2 Résultats
II.3.3 Conception de cuves en PDMS fermées
II.3.3.1 Réalisation des cuves
II.3.3.2 Résultats
II.3.3.2.1 Etalonnage pH
II.3.3.2.2 Détection de l’activité en présence de glucose
II.4 Conclusions et perspectives
Bibliographie
Chapitre III Etude du principe de détection
I.1 Enzymes utilisées
I.2 Modélisation de la variation du pH en solution lors de la réaction enzymatique
II Le polyvinyl alcool (PVA)
II.1 Caractéristiques chimiques
II.2 Utilisations du PVA dans l’industrie
II.3 Positionnement du PVA dans le développement des biocapteurs
III Mise au point d’un protocole de dépôt
III.1 Dépôt à la micropipette
III.1.1 Protocole
III.1.2 Résultats
III.2 Procédé de fabrication collective
III.2.1 Etude préliminaire
III.2.2 Etude du dépôt à la tournette
III.2.3 Etude de la réticulation sous UV
III.2.4 Résultats technologiques
III.2.5 Etude de dépôts multiples
III.2.6 Création de couches enzymatiques
III.2.6.1 Principe de l’étude de l’activité enzymatique
III.2.6.2 Résultats de l’étude de l’activité enzymatique
III.2.7 Application du protocole à la réalisation de capteurs enzymatiques
Bibliographie
Conclusion Générale
Annexes
Annexe 1 : Protocole d’utilisation d’une galerie API de type 20E
Annexe 2 : Programme en Matlab® pour le calcul du pH et des différentes concentrations lors de la dissociation de l’urée
Annexe 3: Protocole de mesure de l’activité enzymatique dans les plots de PVA
Table des abbréviations et lexique

Télécharger le rapport complet