Microcapteurs chimiques en phase liquide

1. 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, temple@laas.fr • Jérôme LAUNAY, jlaunay@laas.fr

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 Grille électrolyte y0 Si3N4 + SiO2 Source Drain Source Drain • Principe de détection • Piégeage de charges (ions…) sur la couche chimiquement sensible, variation du potentiel électrochimique de l'électrolyte y0 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 P type silicon substrate substrat silicium type P

3. Le microcapteur pH-ISFET Grille • 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 électrolyte + y0 VGS Si3N4 + SiO2 IDS Source Drain Source Drain + substrat silicium type P substrat silicium substrat silicium VDS • Détection potentiométrique: variation de la tension de seuil du transistor en fonction du potentiel électrochimique y0 de la solution • VT* = VT - y0 ≈ 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

4. Filière technologique de pH-ISFETs 1cm 1cm Microcapteur ISFET/ReFET 1cm 1cm Microcapteur pH-ISFET/ReMOS Microcapteur pH-ISFET

5. Développement des interfaces de mesure

6. Mesure du pH 10 pH ISFET électrode pH -1,25 9 -1,30 8 -1,35 I = 200 µA -1,40 ds 7 tension de sortie (V) V = 1 V pH ds -1,45 électrode de référence KCl 6 -1,50 5 -1,55 4 -1,60 -1,65 3 0 10 20 30 40 50 60 70 temps (min) -1,25 expérience -1,30 • Caractérisation I(V) • Mesure en temps réel des variations de la tension de seuil du pH-ISFET fit linéaire -1,35 -1,40 -1,45 tension de sortie (V) -1,50 S = 57 mV/pH -1,55 -1,60 -1,65 3 4 5 6 7 8 9 10 pH

7. Intégration des couches chimiquement sensibles motifs en PVA (e ≈ 1 micron) motifs en PSX (e ≈ 15 microns) 100 µm 100 µm • 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

8. Détection d'activités bactériennes Test sorbitol Vg/Vg0 Test glucose temps (min) 1 , 0 0 • 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 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 , 9 9 0 , 9 8 0 , 9 7 0 , 9 6 0 , 9 5 0 , 9 4 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0

9. Application à la biochimie réaction enzymatique PVA Si3N4 H+/OH- SiO2 N N P • 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

10. Application à l’hémodialyse 0,12 EnFET pH-ISFET 0,10 s S D s S D s ≈ 35 mV/pCreatinine 0,08 tension (V) 0,06 PVA /enzyme s ≈ 95 mV/pUrée 0,04 G 0,02 0,00 1 2 3 4 5 6 pC • 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]

11. Transfert industriel en cours (société HEMODIA) pH- ISFET urée-EnFET Grille • 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

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 In+ Si3N4 PSX SiO2 Source Drain silicon substrate • 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+ • …

14. Détection d'ions en solution ISFET PSX + ionophore Détection de l'ion ammonium NH4+ • 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]

15. Présentation des microélectrodes chimiques Grille I électrolyte électrolyte Si3N4 + I SiO2 SiO2 SiO2 V Source Drain Source Drain substrat + substrat silicium V substrat silicium type P substrat silicium type P substrat silicium substrat silicium substrat silicium • 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

16. Technologie des microélectrodes chimiques Structure conductrice métal(Au)/électrolyte/métal(Au) • 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 Structure capacitive métal/électrolyte/isolant(SiO2/Si3N4)/silicium Montage amplificateur pour ChemFEC

17. Caractérisation des microélectrodes chimiques Microélectrodes or/PSX/électrolyte/or Voltammogramme I(V) • Développement des techniques de caractérisation • Voltampérométrie cyclique • Spectroscopie d'impédance • Modélisation électrique • Interface solide/liquide: circuit de Randels (type RLC) Diagrammes de Nyquist

18. Application à la détection biologique Micro-électrodes en or sur substrat pyrex • 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'impédance cellule saine cellule parasitée blanc

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

20. 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