Soutenance de thèse de Rony MIDAHUEN 18/10/22

« Capteurs BioFET innovants pour la détection électrique de molécules biologiques »




Mots-clés :

Biocapteur, ISFET, BioFET, pH, ADN, Thrombine, Silanisation, Diagnostic




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Résumé


Depuis plusieurs dizaines d'années, la course vers la miniaturisation et la complexification des fonctions électroniques suscitent l'intégration de matériaux innovants pour conserver les performances requises en termes de temps de réponse et de consommation électrique. Le développement des biocapteurs qui fait l'objet d'une activité de recherche intensive n'échappe pas à la règle. En effet, le couplage de la fonctionnalisation chimique et des nanomatériaux (nanofils de Si dans notre cas) ouvre de nouvelles perspectives enthousiasmantes pour la réalisation de capteurs miniatures, très sensibles et sélectifs pour la détection d'espèces chimiques et biologiques.
Dans ce contexte, le projet de cette thèse vise, par une approche pluridisciplinaire, le développement de biocapteurs (BioFETs) à nanofils de Si détectant de façon ultrasensible et fiable les charges ioniques ou les charges portées par des molécules biologiques. Trois applications sont ciblées : la mesure de pH, la détection de l'hybridation de deux brins complémentaires d'ADN, et la détection de protéine (thrombine).

La fabrication de nos capteurs BioFETs suit une route de fabrication entièrement compatible avec la technologie CMOS afin de facilité son intégration auprès de systèmes de traitement de signaux de mesure. Nous avons dessiné puis fabriqué plusieurs motifs de nanofils (nanofils (NW), nanorubans (NR) et structures en nid d'abeille (HC)) auxquels nous avons accès via l'ouverture de cavités fluidiques (au-dessus de chaque bioFETs) dont les dimensions ont pu être réduites jusqu’à seulement 120 nm.

Après la fabrication des dispositifs, les caractéristiques de transfert (IDS-VBG) ont montré un comportement typique de transistors FET de type « n » avec une valeur ION/IOFF supérieure à 10^5, ainsi qu'une augmentation de la tension de seuil (Vt) lorsque la largeur des nanofils est réduite.

Au cours des mesures de pH (mesures de charges ioniques) la sensibilité de nos BioFETs au pH a été évaluée à ~60 mV/pH sur différentes structures de BioFET, conformément à la limite théorique de Nernst, et indépendamment des structures et des dimensions considérées. Dans un second mode de mesure dit « mode de mesure à double grilles », nous avons pu augmenter la sensibilité au pH à ~1,57 V/pH grâce au couplage capacitif des deux grilles asymétriques positionnées en face avant et en face arrière de nos dispositifs.

Dans une seconde étude, nous avons réussi à détecter des molécules d'ADN concentrées à 2 μM grâce au décalage de Vt positif qu'elles ont induit sur les caractéristiques de transfert de nos biocapteurs FET de type « n », décalage expliqué par le grand nombre de charges négatives portées par les brins d'ADN, et apporté dans le site de détection du biocapteur par l’hybridation des ADN cibles sur les ADN sondes.

Dans notre dernière étude, nous avons cherché à démontrer la capacité de nos dispositifs à détecter des protéines à l’aide de sondes aptamériques. Deux biopuces ont été utilisées. Le greffage covalent des sondes aptamériques à la surface des dispositifs a induit un décalage moyen de la tension de seuil des dispositifs greffés de +28,8 mV sur la première puce, et de +87,7 mV sur la seconde, confirmant le greffage effectif des molécules sondes à la surface de l’oxyde de grille. Ultérieurement, l’ajout de solutions tampons concentrées à 2,7 µM en thrombine a induit un décalage moyen de -26,6 mV sur la première puce, et de -23,8 mV sur la seconde, décalages relatifs aux tensions de seuil de référence mesurées au cours des caractérisations de solutions tampons sans thrombine (solution tampon de dilution de la thrombine contenant 0 µM de thrombine).

Enfin, les perspectives de nos travaux concernent l'intégration d'un système microfluidique sur nos puces pour la réalisation de mesures biologiques en temps réel, de mesures multiplexées, l'intégration de nos puces au niveau "back-end of line" d'un système de traitement du signal, ainsi que l'intégration d'une électrode de référence sur la puce, à proximité directe des cavités de mesure.

 

Membres du jury/ Jury members :

Dr.

Guilhem LARRIEU

DIRECTEUR DE RECHERCHE, LAAS-CNRS

Rapporteur

Prof.

Abdelkader SOUIFI

PROFESSEUR DES UNIVERSITES, INSA LYON

Rapporteur

Dr.

Mireille MOUIS

DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS-Alpes

Examinatrice

Dr.

Chantal GONDRAN

MAITRE DE CONFERENCES Université Grenoble Alpes

Examinatrice

Dr.

Valérie STAMBOULI

CHARGE DE RECHERCHE, CNRS-Alpes

Directrice de thèse

Dr.

Sylvain BARRAUD

DIRECTEUR DE RECHERCHE, CEA LETI,

Co-directeur de thèse

Dr.

Pascal MAILLEY

DIRECTEUR DE RECHERCHE, CEA LETI

Membre invité



Infos date
13h30 - Amphi Z 108, Bâtiment Z
Grenoble INP Phelma-Minatec
Infos lieu
Grenoble INP - Phelma
3 parvis Louis Néel - 38000 Grenoble
Accès : TRAM B arrêt Cité internationale
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