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BIOMIS / Axe Microsystèmes pour la détection biologique ou chimique

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Microsystèmes pour la biodétection

Mots clefs : Microcapteurs, nanoparticules plasmoniques, systèmes microfluidiques, biocapteurs, immobilisation, encapsulation, fonctionnalisation de surface



Nanoparticules Plasmoniques


Nanoparticules plasmoniques et méthodologie pour la biodétection en milieu microfluidique

En vue des petits volumes de matière manipulée dans les microsystèmes, la détection sensible de biomarqueurs et autres analytes représente un défi. Récemment, des méthodes optiques, basées sur la résonance plasmonique de nanostructures de métaux nobles (or, argent), sont apparues comme particulièrement sensibles, robustes et adaptées à l'intégration en microsystème. Souvent, les nanostructures sont obtenues par méthodes 'top-down' (lithographie électronique) et sont immobilisées sur le substrat ce qui limite leur interaction avec le milieu biologique.

L'approche suivie par le groupe, notamment dans le cadre du projet COMONSENS (ANR JCJC2010), est de prendre des nanoparticules d'or (de forme et taille variées) obtenues par voie chimique et de fonctionnaliser leur surface par auto-assemblage moléculaire, tout en restant en milieu liquide. La fluidique en microsystème permet ensuite de manipuler ces suspensions avec une grande précision, et de les faire interagir avec des milieu biologiques, voire avec des cellules, ou des cultures biologiques (cellules, bactéries, algues...). En fonction des interactions moléculaires les nanoparticules s'assemblent en de plus grandes structures, dans lesquelles plusieurs particules interagissent ce qui change de façon drastique leur résonance plasmonique (fréquence optique et intensité).

Le groupe a développé des microsystèmes simples et innovants pour induire, mesurer et quantifier - soit par imagerie multi-spectrale, soit par micro-spectroscopie - ces changements plasmoniques. L'interaction des suspensions des assemblages avec des champs électriques (alternatifs) générés in situ par des microélectrodes offre la possibilité d'augmenter la sélectivité de la détection, par exemple en triant les assemblages de nanoparticules par leur taille. Cette interaction champ électrique-suspension colloïdale est complexe, notamment compte tenu des espèces électro-mobiles (ions, petites molécules polarisables) contenues dans le milieu qui changent localement et de façon dynamique le champ électrique.

La compréhension et la maîtrise des phénomènes électrocinétiques dans ces systèmes conduiront à la combinaison de l'électricité et de la lumière pour une meilleure détection et suivi dans les biomicrosystèmes, et ouvriront également la voie vers l'utilisation des nanoparticules conductrices comme des 'nanoperturbateurs' ou 'nanotransducteurs' du champ électromagnétique, par exemple près des membranes cellulaires.


Capteurs électrochimiques

Détection ampérométrique dans un système microfluidique intégré

Nous travaillons également sur des micro-dispositifs d'analyse chimique intégrés dans des chambres microfluidiques. En particulier nous avons développé une collaboration avec l'IETR sur l'intégration microfluidique de microcapteurs de pH de type transistors à effet de champ à grille suspendue. L'intégration des canaux microfluidiques réalisés en PDMS sur ces transistors à grille suspendue permet d'effectuer la mesure de pH, soit en statique, soit en flux continu et de travailler sur les conditions optimales de rinçage des capteurs. Ce fonctionnement du capteur dans un environnement microfluidique, particulièrement fonctionnel, nous a permis de mettre en œuvre de nouvelles méthodologies de mesures basées sur le comportement fréquentiel de ce capteur.

Par ailleurs nous avons développé, en collaboration avec F. Bedioui (Ecole de chimie de Paris) des réseaux microcapteurs pour la détection électrochimique simultanée du monoxyde d'azote et/ou du peroxynitrite. Ces microcapteurs sont destinés à être des plaques (multipuits) de culture cellulaire. Les électrodes en réseau sont chimiquement modifiées selon la nature des analytes cellulaires d'intérêt afin de les doter de la sensibilité, la sélectivité et la biocompatibilité désirées. Elles permettent d'assurer une double détection et chaque électrode est adressable individuellement pour une étude spatiale et temporelle. Des dispositifs intégrant 2 x 110 microélectrodes de 50 micromètres de diamètre et 4 x 617 microélectrodes de 20 micromètres ont ainsi été réalisés. Sur le même principe l'équipe a également développé des réseaux de microélectrodes pour la détection du monoxyde d'azote à partir de la décomposition de nitrosothiols.



Capteurs gravimétriques

Capteurs gravimétriques à ondes acoustiques

Nous menons différentes investigations autour de la détection bio-chimique avec un capteur à ondes acoustiques de surface (Surface Acoustic Wave : SAW) fonctionnant à
104 MHz, et conçu sur la base d'une double ligne à retard : une voie de référence et une voie de mesure, dont la surface sensible est fonctionnalisée selon l'application visée. Le suivi en temps réel et sans marquage préalable des cibles des différentes réactions de reconnaissance moléculaires se fait via trois systèmes de meures : un analyseur de réseaux, un montage double oscillateur et un montage impulsionnel.Selon la nature de la couche de reconnaissance et de l'analyte à détecter, le capteur SAW peut être décliné en :

- immunocapteur pour le suivi de la reconnaissance spécifique anticorps / antigènes appliquée aux marqueurs du cancer de la prostate (collaboration avec Faculté de Médecine de Monastir) ;

- capteurs chimiques pour la détection de neurotransmetteurs, tel que la dopamine, via différents types de couches de reconnaissance : un polymère à empreintes moléculaire à base de polypyrrole (partenariat avec l'Université de Setif, Algérie et l'ITODYS), et un film mince de coblat phthalocyanine déposé par épitaxie à jet moléculaire (collaboration avec Bhabha Atomic Research Center, Inde et l'ITODYS) ;

- capteurs chimiques pour la détection de pesticides organophosphorés. L'originalité de ce travail est liée au côté « enzymeless », puisque la couche de reconnaissance est un film mince de nickel phthalocyanine ;

- capteurs chimiques pour la détection d'antibiotiques utilisés dans les bassins d'aquaculture ; la couche de reconnaissance étant un polymère à empreintes moléculaires élctropolymérisé sur la zone sensible du capteur SAW (collaboration avec l'INRAP, Tunisie).

Convaincus de l'apport d'une multitransduction simultanée pour le suivi des réactions de reconnaissance entre couches de reconnaissance et analytes à détecter, nous avons développé le ESAW (Electrochemical SAW sensor), un dispositif associant à la transduction gravimétrique, une détection électrochimique simultanée. Le ESAW a été testé et validé pour la détection de l'atrazine en milieu liquide.



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