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Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques

Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques. Anthony Ayari. Une nanobalance ?. Objet mécanique nanométrique  mesure de masse. Excitation(s). x. Detection. Plan. Qu’est qu’un NEMS ? Comment mesure-t-on une masse ? Mesure ultime de masse avec un NEMS

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Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques

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Presentation Transcript

  1. Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques Anthony Ayari

  2. Une nanobalance ? • Objet mécanique nanométrique  mesure de masse Excitation(s) x Detection

  3. Plan • Qu’est qu’un NEMS ? • Comment mesure-t-on une masse ? • Mesure ultime de masse avec un NEMS • Avantage des NEMS • Historique • Mesures résolus à l’échelle de l’atome • Vers les applications biologiques • Défis • Développements futurs

  4. Comment mesure-t-on une masse? • Avec un ressort en mesurant sa compression sous l’effet de la masse à déterminer • En fait mesure le poids m δL k : rigidité du ressort g : accélération de la pesanteur

  5. Et une nanomasse ? m • Mesure résonante • Principe de la balance à quartz • δf plus précis • Breveté en 2004 WO02090246 m k : rigidité du ressort f : fréquence de vibration

  6. Dans les NEMS ça donne quoi ? • Quartz/ressort  NEMS • Mesure le déplacement en fréquence. δf Sensibilité : f0 : fréquence de résonance Meff~ masse initiale du NEMS L : longueur caractéristique du NEMS f0

  7. 100 µm Effet d’échelle Masse min. Détectable à l’air Sensibilité 10-21 g 1MHz/fg 10-15 g 1mHz/fg 10-9 g 1nHz/fg nm µm Longueur caractéristique mm

  8. 5 µm Avantages des NEMS • Plus grande sensibilité en masse ~ 1/L4 • Plus rapide ~ 1/L • Convergence avec microélectronique • Miniaturisation et mise en parallèle (VLSI)

  9. Historique 1proton=1Da = 1.6*10-24 g Spectromètre de masse conventionnel 1atome DWNT 100 MHz, Berkeley 2008 10-21g SiC 100 MHz, Caltech 2006 Protéine 10 kDa 10-18g Si et SiN 10 MHz, Cornell 2004 10-15g MWNT, 1 MHz, Georgia Tec 1999 Virus 1MDa 10-12g microbalance à quartz, 10 MHz

  10. Dispositif Expérimental Excitation AC rétroaction Nanotube e- Au

  11. 1 atome • Sensibilité : 104 kHz/zg • Résolution en masse : 0.13zg/Hz ~ 0.4 atome d’Au/ Hz • Mesure shot noise : 0.29 0.05 zg pour MAu=0.327 zg K. Jensen et al., Nature Nanotechnology 3: 533 (2008)

  12. Oui mais • Problèmes liés à la microfluidique et aux lab-on-chip • Fonctionnalisation, spécificité • Intégration, détection, traitement • Pourquoi faire ? • Problèmes liés aux NEMS en général • Faible reproductibilité dans la fabrication • Beaucoup moins stable qu’un quartz • Faibles signaux • Forte Dissipation • Problèmes liés à cette mesure • Sous ultra vide, condition de laboratoire • Modèle trop simpliste pas transposable au milieu biologiques • Mesure d’ 1 atome pas vraiment réalisée

  13. Mesure statistique ? • δf dépend de la position sur le NEMS • Modèle trop simpliste, interaction, objet déposé immobile ? « Measuring more than mass » H. Craighead nature nanotechnology (2007)

  14. noise floor is ~ 2 ppb Résultats à l’air DMMP M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007) Atmospheric pressure and ambient temperature Mass resolution ~100 zg. New results ~ 20 zg in ambient air ~ a few zg under vaccuum M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007)

  15. Etat de l’art des détecteurs

  16. Détection de la PSA LAUSANNE Vol. = 89 km3 EVIAN GENEVE

  17. 89 grams of PSA Détection de la PSA Niveau normal de PSA= 1 ng/ml 1 fg/ml 89 kg of PSA 1 pg/ml 8.9 tones of PSA 1 ng/ml 1 µg/ml 8.9 ktones de PSA !! Le Colombo Express (plus de 3000 containers), le plus grand transporteur maritime de container au monde

  18. NEMS-MS : Electrospray 760Torr ESI Needle (b) capillary 1Torr 10mTorr Top hexapole (c) 10-6 Torr Bottom hexapole Sample Stage (T= 40K) <10-8 Torr Magnet (a) A. Naik et al., Nature Nanotechnology (July 2009) (d) 18

  19. Réponse d’un nanolevier dans un liquide Q~1  NON resonant Physiques: Résonateur sur amorti. Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech Nobel Symposium 2007

  20. 100 nm La bactérie relie les deux leviers Détection purement électronique de bactéries uniques en milieu liquide Anticorps spécifiques Fixation d’une bactérie  perturbation de la réponse mécanique Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech 2005

  21. Conclusion • En dix ans la résolution en masse a progressée de 7 ordres de grandeurs • Résolution d’un atome : atteinte statistiquement • Prochain but : le proton • Besoin localiser les dépôts de masse • Besoin affiner modèle • NEMS détecteur de gaz : très sensible • Besoin de nouvelles stratégies pour travailler en milieu liquide

  22. Références • Et une nanomasse • M. L. Roukes “An apparatus and method for ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection” WO/2002/090246 • Effet d’échelle • A. Naik et al., “ Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology,2, 114 (2007) • C. Bergaud et al., “Viscosity measurements based on experimental investigations of composite cantilever beam eigenfrequencies in viscous media” Review of scientific instruments,71, 2487, (2000) • G. A. Campbell et al., “Detection and quantification of proteins using self-excited PZT-glass millimeter-sized cantilever” Biosensors & bioelectronics,21, 597, (2005)

  23. Références • Historique • G. Sauerbrey, “ Verwendung von schwingquarzen zur wagung dunner schichten und zurmikrowagung  ”Zeitschrift Fur Physik155, 206 (1959). • P. Poncharal et al., “Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes ” Science, 5 1513 (1999). • B. Ilic et al., “ Attogram Detection Using Nanoelectromechanical Oscillators ”Journal of Applied Physics, 95, 3694 (2004). • Y.T. Yang et al., “ Zeptogram-scale nanomechanical mass sensing ”Nano Letters, 6, 583 (2006) • K. Jensen et al., “An atomic-resolution nanomechanical mass sensor”, Nature Nanotechnology,3, 553, (2008)

  24. Références • Mesures statistiques ? • H. Craighead, “ Measuring more than mass” Nature Nanotechnology,2, 18, (2007) • Tamayo, J. et al., “ Effect of the adsorbate stiffness on the resonance response of microcantilever sensors” Appl. Phys. Lett.89, 224104 (2006). • Résultats à l’air • Mo Li et al.,“ Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology,2, 114, (2007)

  25. Références • Etat de l’art des détecteurs • E. S. Snow et al.,“Chemical Detection with a Single-Walled Carbon Nanotube Capacitor ” Science,307, 1942(2005) • Grate J. W. et al., “Hybrid Organic/Inorganic Copolymers with Strongly Hydrogen-Bond Acidic Properties for Acoustic Wave and Optical Sensors”, 9, 1201, Chem. Mat. (1997) • Hopkins A. R. et al., “Article Detection and Classification Characteristics of Arrays of Carbon Black/Organic Polymer Composite Chemiresistive Vapor Detectors for the Nerve Agent Simulants Dimethylmethylphosphonate and Diisopropylmethylphosponate” Anal. chem.73, 884 (2001). • Voiculescu et al., “Electrostatically actuated resonant microcantilever beam in CMOS technology for the detection of chemical weapons ” IEEE Sensors journal 5, 641 (2005)

  26. Références • NEMS-MS Electrospray • A. Naik et al., “Towards single-molecule nanomechanical mass spectrometry” Nature Nanotechnology,4, 445 (2009) • En milieu liquide • Pas encore publié

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