1 Microcapteurs chimiques en phase liquide Historique 1980 - 1990: développement du pH-ISFET 1997:...
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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, [email protected] Jérôme LAUNAY, [email protected]
2
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 0 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
0+
Source Drain
substrat silicium type P
SiO2
Si3N4
3
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 0 de la solution
VT* = VT - 0 ≈ 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 Psubstrat silicium
Source DrainIDS
VDS
VGS0
+
Source Drain
substrat silicium
SiO2
Si3N4
+
+
4
Filière technologique de pH-ISFETs
Microcapteur pH-ISFET
1cm 1cm
Microcapteur ISFET/ReFET
1cm
Microcapteur pH-ISFET/ReMOS
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
1cm
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
5
Développement des interfaces de mesureheating/stirring
systempumpcharacterisation chamber
(ionosensitive electrodes andChemFETs microsensors)
control system (PC)massflowdistribution system
6
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
tens
ion
de s
ortie
(V
)
pH
Mesure du pH
0 10 20 30 40 50 60 70-1,65
-1,60
-1,55
-1,50
-1,45
-1,40
-1,35
-1,30
-1,25
pH
tens
ion
de s
ortie
(V
)
temps (min)
3
4
5
6
7
8
9
10électrode pHpH ISFET
Ids = 200 µAVds = 1 Vélectrode de référence KCl
Caractérisation I(V)
Mesure en temps réel des variations de la tension de seuil du pH-ISFET
7
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 µm100 µm
motifs en PVA (e ≈ 1 micron)
8
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/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 (-)
0 20 40 60 80 100 120 140800 850 900 950
0,94
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
1,00
Vg/
Vg0
temps (min)
Test sorbitol
Test glucose
9
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 N
P
H+/OH-
SiO2
Si3N4PVA
10
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
SsD SsD
G
654321
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
tens
ion
(V) s ≈ 35 mV/pCreatinine
s ≈ 95 mV/pUrée
pC
11
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
12
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
13
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
Si3N4PSX
In+
14
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'ionammonium NH4
+
15
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 Psubstrat silicium
Source DrainV
substrat
substrat silicium
SiO2
Si3N4
I
+
électrolyte
substrat silicium type Psubstrat silicium
Source Drainsubstrat silicium
SiO2
V+
I SiO2
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Technologie des microélectrodes chimiques
Structure conductricemétal(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
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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)
-3,E-04
-2,E-04
-1,E-04
0,E+00
1,E-04
2,E-04
3,E-04
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
p(KNO3) = 1
p(KCl) = 1
I(A)
V
Diagrammes de Nyquist
-1.E+08
0.E+00
1.E+08
2.E+08
3.E+08
4.E+08
5.E+08
6.E+08
7.E+08
0.0E+00 2.0E+08 4.0E+08 6.0E+08 8.0E+08 1.0E+09 1.2E+09
experimentaltheoritical
IM(ohm)
Re(ohm)
Microélectrodes or/PSX/électrolyte/or
18
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'impédance0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
GR parasité
GR sain
couche sensible
blanccellule parasitée
cellule saine
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
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Micro-électrodes en orsur substrat pyrex
19
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
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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