ÉLECTRIQUE

L'invention concerne un dispositif de détection biologique ou chimique à lecture électrique. Le dispositif objet de l'invention est adapté à la détection sélective d'espèces chimiques, biologiques ou biochimiques par mesure électrique directe, dans un produit en phase liquide, notamment aqueuse, ou en phase gazeuse.

Le document US 7 214 528 décrit un dispositif pour la détection de protéines, ou d'anticorps, miniaturisé, comprenant un micro-puits apte à recevoir un fluide à analyser. Au fond dudit micro-puits se trouve un circuit imprimé métallique déposé sur un substrat d'oxyde de silicium. Lesdites électrodes sont constituées d'un métal de haute pureté tel que du chrome, de l'or ou de l'iridium, déposé en couche mince par pulvérisation cathodique ou « sputtering », laquelle couche est ensuite gravée, afin d'obtenir la forme d'électrode visée, et finalement décapée de sorte à en activer la surface. Lesdites électrodes sont revêtues d'une couche d'un bio-détecteur. Le bio-détecteur, égalemnt dénommé « sonde » dans la suite du texte, est constitué par exemple d'une bio- molécule sensible à l'espèce biologique à détecter. Une solution, comprenant le biodétecteur approprié, est mise en contact avec les électrodes et incubée pendant un temps suffisant pour obtenir l'adhésion du bio-détecteur aux électrodes. Le circuit, constitué entre les électrodes, est alimenté électriquement à une fréquence donnée. La capture d'une bio-molécule par le bio-détecteur, change la capacité électrique du circuit et modifie la fréquence de réponse de celui-ci. Un traitement du signal permet ainsi de détecter, par un signal électrique, la présence de la bio-molécule visée.

Ce dispositif de l'art antérieur est de fabrication complexe et onéreuse et nécessite la mise en oeuvre de moyens particulièrement sensibles pour réaliser la détection.

Le document WO 2007 104163 décrit un dispositif adapté à la détection d'une espèce chimique ou biochimique utilisant une assemblée de nanoparticules fonctionnalisées. Il s'agit de nanoparticules conductrices, par exemple métalliques, assemblées par des ligands suffisamment isolants, les propriétés diélectriques desdits ligands étant susceptibles d'être modifiées en présence le espèce chimique ou biologique dont la détection est visée. Chaque paire de nanoparticules de l'assemblée agit comme un nano-condensateur dont la capacité est modifiée par la modification de des propriétés diélectriques du ligand. Ainsi, en mesurant la fréquence de réponse du capteur alimenté par un courant alternatif, la variation de capacité est mesurable, et par suite, la présence de l'espèce chimique visée est détectée. Ce dispositif de l'art antérieur est sensible aux champs électriques extérieurs, ce qui impose d'utiliser des ligands suffisamment isolants pour limiter cette sensibilité et réduit les possibilités offertes. De plus, le dispositif est sensible aux déformations qui tendent à modifier la distance entre les nanoparticules et à influencer, de ce fait, la capacité électrique du dispositif. Ainsi, ce dispositif de l'at antérieur doit être déposé sur un support très rigide ce qui limite les possibilités de miniaturisation.

Afin de résoudre les inconvénients de l'art antérieur, l'invention concerne un dispositif à lecture électrique pour la détection d'une espèce biochimique dans un fluide lequel dispositif comporte un bio-capteur, lequel bio-capteur comprend :

a. un substrat isolant ;

b. une couche d'un nanocoupleur chimique greffée à la surface dudit substrat ;

c. une assemblée de nanoparticules autoassemblée avec un ligand conducteur , cohésive avec la couche de nanocoupleur chimique de sorte à constituer une jauge de contrainte ;

d. ladite assemblée de nanoparticules étant fonctionnalisée en surface par un bio-détecteur apte à capturer sélectivement une espèce chimique ou bio-chimique ;

e. deux électrodes connectées électriquement avec ladite assemblée de nanoparticules.

Ainsi, le bio-capteur objet de l'invention délivre un signal proportionnel à la déformation de l'assemblée de nanoparticules sous l'effet de l'encombrement stérique de l'espèce biochimique capturée par le bio-détecteur. Cette variation d'encombrement stérique est dûe au fait que la taille des espèces capturées est significative en comparaison de la taille des sondes de détection. Cette variations d'encombrement stérique induit une déformation qui est transmise a l'assemblée de nanoparticules, qui réagit alors comme une jauge de contrainte et mesure ladite déformation, elle-même signature de la présence de l'espèce biochimique à détecter. Ce principe utilise la forte sensibilité des jauges de contrainte/déformation réalisées à partir d'une assemblée de nanoparticules, et offre un grand nombre de possibilités pour fonctionnaliser l'assemblée de nanoparticules afin de l'adapter à la détection de tout type d'espèce chimique ou biochimique. Par ailleurs, le dispositif est réalisable par des techniques plus économiques que celles de l'art antérieur, par exemple, par dépôt capillaire/convectif ou par évaporation de goutte. La présence du nanocoupleur chimique permet la cohésion de l'assemblée de nanoparticules sur le substrat et la résistance de cette cohésion au contact du fluide à analyser, notamment lorsque ledit fluide est un liquide aqueux. Le dispositif objet de l'invention offre la possibilité de greffer l'assemblée de nanoparticules sur un substrat souple ou un substrat rigide.

L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

Selon un premier mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, l'assemblée de nanoparticules du bio-capteur est fonctionnalisée par greffage d'un bio détecteur à la surface des nanoparticules constituant ladite assemblée. Selon ce mode de réalisation les espèces bio-chimiques capturées sont directement en contact avec l'assemblée de nanoparticules. Ce mode d'interaction permet de produire un capteur de grande sensibilité, adapté à une utilisation sur un substrat rigide.

Selon un deuxième mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, l'assemblée de nanoparticules du bio-capteur est fonctionnalisée par une couche mince d'un polymère à empreinte moléculaire sur la surface de ladite l'assemblée.

Selon un troisième mode de réalisation, l'assemblée de nanoparticules du biocapteur est fonctionnalisée par une couche mince isolante sur la surface de ladite assemblée, une couche de bio-détecteur étant greffée sur la surface de ladite couche mince isolante.

Selon ces deuxièmes et troisièmes modes de réalisation, les nanoparticules sont utilisées sans greffage de leur surface et mesurent les modifications mécaniques de la couche mince sous l'effet de la capture des espèces dont la détection est visée. Ainsi l'assemblée de nanoparticules est protégée des éventuels effets électriques potentiellement induits par les espèces capturées ou le fluide analysé sur la conduction entre les nanoparticules.

Selon une variante de réalisation du dispositif objet de l'invention, la structure de l'assemblée de nanoparticules du bio-capteur consiste en un amas continu s'étendant entre les deux électrodes. Ce mode de réalisation est le plus économique, il permet notamment l'utilisation du procédé par évaporation d'une goutte, rapide et simple de mise en oeuvre.

Selon une autre variante de réalisation du dispositif objet de l'invention, la structure de l'assemblée de nanoparticules du bio-capteur consiste en une pluralité de microfils s'étendant entre les deux électrodes. Ce mode de réalisation permet, d'une part, d'augmenter la surface sensible soumise au contact du fluide, à quantité de nanoparticules déposées équivalente, d'autre part, ouvre la possibilité de détection d'une pluralité d'espèces bio-chimiques sur un même bio-capteur.

Selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, le substrat du bio-capteur est constitué de poly(téréphtalate) d'éthylène. Ainsi, le bio-capteur du dispositif objet de l'invention est souple, et permet également la réalisation d'un dispositif transparent ou translucide.

Selon un autre exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, le substrat du bio-capteur est constitué de dioxyde de silicium. Ce mode de réalisation permet notamment de réaliser un dispositif transparent ou translucide et rigide.

Avantageusement, lorsque le bio-capteur est réalisé sur un substrat souple, le dispositif objet de l'invention comprend :

f. un conduit apte à transporter un fluide ;

g. ledit dispositif comportant le bio-capteur sur la paroi interne dudit conduit.

Ainsi, le dispositif objet de l'invention peut être installé directement dans un conduit transportant le fluide objet de la détection, et permet de réaliser des mesures de manière régulière.

L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un dispositif selon le mode réalisation dont le bio-capteur comprend des nanoparticules dont la surface est greffée avec un bio-détecteur, lequel procédé comprend les étapes consistant à : i. créer une suspension colloïdale de nanoparticules greffées en surface avec un bio-détecteur ;

ii. déposer la dite suspension colloïdale sur la surface du substrat greffée avec un nanocoupleur chimique du bio-capteur, la surface de l'assemblée créant une surface de détection ; Ce mode de réalisation permet de réaliser directement l'assemblée fonctionnalisée en surface par des techniques économiques de dépôt capillaire/convectif ou d'évaporation de goutte en une seule étape. Ce mode de réalisation est applicable lorsque les ligands qui sont greffés sur les nanoparticules avant l'autoassemblage possèdent a la fois les bonnes propriétés de conduction électrique pour que, une fois autoassemblé avec les nanoparticules, ils permettent la réalisation d une jauge, et que lesdits lignand ont aussi la propriété de permettre la détection d'une espèce biochimique spécifique. Les sites actifs subsistant a l'intérieur de l'assemblée de nanoparticules ne participent pas ou peu à la détection car il n'y a pas de percolation de l'espèce bio- chimique a détecter dans ladite assemblée en raison de leur rapport de taille avec les sondes de détection, qui sont petites devant les espèces biochimique a détecter.

Selon un mode de réalisation alternatif, le procédé de fabrication objet de l'invention comprend les étapes consistant à :

x créer une suspension colloïdale de nanoparticules dans un ligand ; y. déposer ladite suspension sur la surface du substrat du bio-capteur, ladite surface ayant été greffée avec un nanocoupleur chimique ; z. greffer un bio-détecteur sur l'assemblée de nanoparticules ainsi déposée, de sorte à créer une surface de détection.

Ce mode de réalisation comprend une étape de réalisation supplémentaire en regard du mode de réalisation précédent, mais offre plus de latitude dans le choix des bio-détecteurs.

Selon une variante de réalisation de ce dernier procédé, celui-ci comprend après l'étape y) et avant l'étape z) une étape consistant à :

t. déposer une mince couche de passivation sur la surface de l'assemblée de nanoparticules.

Ainsi les nanoprticules sont isolées du contact avec le fluide dans lequel se trouve les espèces dont la détection est visée.

Avantageusement chacun de ces procédés comporte une étape consistant à saturer la surface de détection à l'aide d'une protéine. Ainsi, ladite protéine vient saturer les sites de liaison non spécifiques à la surface de l'assemblée de nanoparticules, mais aussi du substrat, résultant en une passivation des sites non spécifiques et une amélioration de la sélectivité du dispositif. Avantageusement, le dépôt des nanoparticules sur le substrat du bio-capteur est réalisé soit par dépôt capillaire/convectif soit par l'évaporation d'une goutte. Ces procédés de dépôts étant économiques.

L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 3, dans lesquelles :

- la figure 1 , montre selon une vue schématique en perspective un synopsis des différentes variantes du procédé objet de l'invention pour la réalisation d'un biocapteur utilisable dans le dispositif objet de l'invention ;

- la figure 2, représente schématiquement, selon une vue en coupe AA définie figure 1 , les étapes de dépôt d'une assemblée de nanoparticules par évaporation d'une goutte ;

- et la figure 3 montre un synopsis d'un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention dans lequel le bio-capteur est placé sur la surface interne d'un conduit.

Figure 1 , selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend une étape (1 10) de préparation du support du bio-capteur (100) utilisé pour détecter les espèce visées. Ledit bio-capteur comprend un substrat (101 ) isolant. À titre d'exemple non limitatif, ledit substrat est constitué, de dioxyde de silicium (Si0 ₂ ) ou de poly(téréphtalate) d'éthylène (PET). Selon un autre exemple de réalisation ledit substrat est constitué d'une couche (1010) de silicium (Si) sur laquelle une ou plusieurs couches (101 1 , 1012) isolantes sont créées par oxydation du silicium et gravure. Ainsi, lesdites couches permettent de délimiter un puits ou un canal d'écoulement. La surface (102) destinée à recevoir l'assemblée de nanoparticules est greffée en y déposant une couche d'un nanocoupleur chimique (105). Ce nanocoupleur (105) consiste en une molécule composée d'une chaîne de liaison (1050), par exemple une chaîne carbonée, et de deux fonctions chimiques distinctes (1051 , 1052) aux extrémités de la chaîne de liaison. Une des deux fonctions chimique sert à greffer le coupleur (105) sur la surface (102) du substrat (101 ), l'autre à greffer ledit coupleur sur la surface des nanoparticules. À titre d'exemple non limitatif, le nanocoupleur chimique pour un substrat Si0 ₂ ou PET est un silane (SiH ₄ ), apte à interagir avec des groupements OH de la surface du substrat préalablement activée par un traitement UV-Ozone, et comportant à l'autre extrémité (1052) du coupleur, et selon la nature des nanoparticules, un groupe aminé (NH ₂ ) apte à se greffer à la surface des nanoparticules, ou un groupement carboxylique (COOH) apte à se greffer sur un groupe aminé (NH ₂ ) préalablement greffé à la surface des nanoparticules. L'opération de greffe dudit nanocoupleur (105) à la surface du substrat, est réalisée par exemple par immersion. Selon un mode de réalisation particulier, le coupleur est greffé à la surface du substrat, par un procédé de microimpression tel que la lithographie douce, afin de déposer ledit nanocoupleur (105) selon un motif défini. Finalement, des électrodes (103) sont déposées à la surface du substrat et recouvrent partiellement l'assemblée de nanoparticules afin d'assurer le contact électrique.

Selon un mode de réalisation alternatif (non représenté), les électrodes sont d'abord déposées à la surface du substrat puis les nanoparticules sont déposées, en recouvrement partiel, sur lesdites électrodes.

Parallèlement à la préparation du substrat, une étape optionnelle (1 15) visant à fonctionnaliser la surface des nanoparticules pour la détection de l'espèce bio-chimique est réalisée. À cette fin, les nanoparticules (150) en suspension aqueuse sont incubées avec un ligand, par exemple un aptamère (125), configuré pour avoir une affinité particulière avec l'espèce bio-chimique dont la détection est visée. Ledit aptamère se fixe à la surface des nanoparticules (150) par un processus d'adsorption chimique, aussi dénommée chimisorption : l'aptamère ou le bio-détecteur comportent une fonction chimique à une de leurs extrémités capable de se greffer à la surface des nanoparticules. Par exemple une fonction Thiol (-SH) est apte à se greffer sur une surface d'or par chimisorption, au moyen de la formation d'une liaison thiolate (S-Au).

Que la surface des nanoparticules ait été préalablement fonctionnalisée ou non par un bio-détecteur, selon une deuxième étape (120), l'assemblée de nanoparticules (150) est déposée à la surface du substrat sur la couche de nanocoupleurs (105). Selon cet exemple de réalisation, le dépôt est réalisé selon des techniques, connues de l'art antérieur, du dépôt capillaire/convectif. Cette technique de dépôt est avantageusement utilisée pour déposer lesdites nanoparticules (150) sous la forme de microfils (11 1 ). Lesdites nanoparticules (150) sont déposées sous la forme d'une suspension colloïdale comprenant les nanoparticules et un ligand. Avantageusement, les nanoparticules (150) sont des nanoparticules d'or. Alternativement les nanoparticules (150) sont constituées d'oxyde d'indium-étain (In ₂ 0 ₃ -Sn0 ₂ ) ou ITO Figure 2, selon un mode de dépôt alternatif l'assemblée de nanoparticules est déposée par une technique dite d'évaporation de goutte. À cette fin, l'assemblée de nanoparticules est déposée en suspension colloïdale à la surface du substrat (101 ) sous la forme d'une goutte (250). Ainsi, selon une première étape (210) de ce procédé, une goutte (250) comprenant des nanoparticules (150) en suspension colloïdale est déposée à la surface du substrat (101 ), surface sur laquelle un nanocoupleur (105) chimique a préalablement été greffé. Du fait de l'affinité chimique des nanoparticules (150) avec ce nanocoupleur (105) chimique, naturellement, selon une deuxième étape (220) de ce procédé, une monocouche (251 ) de nanoparticules se greffe sur la couche de nanocoupleurs chimiques à la surface du substrat. Au cours d'une étape d'évaporation (230), l'évaporation de la goutte par son centre engendre un mouvement des bords de ladite goutte vers son centre, provoquant un dépôt de nanoparticules. Ce dépôt s'organise (252) sur la première monocouche (251 ) qui reste attachée au substrat par le nanocoupleur chimique. Un rinçage rapide à l'eau déionisée et sous ultrasons permet de supprimer les accumulations de nanoparticules sur les bords et le centre de la goutte et d'obtenir une assemblée homogène. Ainsi, cette technique permet de réaliser des dépôts de structure comparable à ce qu'il est possible d'obtenir par dépôt capillaire/convectif tout en bénéficiant d'une productivité plus élevée. Ladite technique permet également de réduire la quantité de nanoparticules déposées en suspension pour un même résultat, toutes les nanoparticules (150) contenues dans la goutte (250) étant utilisées. Ainsi, le temps de dépôt est réduit à quelques minutes contre quelques heures selon le procédé de dépôt capillaire/convectif de l'art antérieur et la quantité de nanoparticules utilisée est réduite d'un facteur 10, à fonctionnalité équivalente, en comparaison des techniques de dépôt de l'art antérieur. Ce procédé est par ailleurs compatible avec les procédés de micro-impression existants.

Le procédé de dépôt n'est pas limité à ces modes de réalisation et d'autres procédés, tels que la xérographie, permettent d'obtenir des résultats équivalents en termes de fonctionnalité du capteur.

En revenant à la figure 1 , lorsque la surface des nanoparticules (150) qui ont été déposées sur le substrat n'a pas été préalablement fonctionnalisée par un biodétecteur, l'étape (120) de dépôt de l'assemblée de nanoparticules (150) est suivie soit d'une étape (130) de greffe d'un bio-détecteur (125) à la surface des nanoparticules (150) de l'assemblée déposée, soit d'une étape (140) consistant à déposer une couche isolante (135), ou de passivation, à la surface de ladite assemblée.

Ledit bio-détecteur (125) consiste en un aptamère, un anticorps ou un brin d'ADN sensible à la l'espèce dont la détection est visée. La couche isolante (135) est, selon le mode de réalisation, constituée d'un polymère à empreinte moléculaire ou d'un isolant, par exemple du dioxyde de silicium (Si0 ₂ ) sur lequel est ensuite greffée une couche d'un bio-détecteur tel qu'un anticorps spécifique pour la détection de l'espèce bio-chimique visée.

Un polymère à empreinte moléculaire est un matériau synthétique renfermant des cavités spécifiques à l'image d'une molécule empreinte et de ses analogues structuraux. Placé en présence d'une telle molécule, celle-ci envahit lesdites cavités, modifiant ainsi les caractéristiques mécaniques dudit polymère.

De manière similaire, l'encombrement stérique consécutif à la capture d'une espèce visée par des anticorps ou des aptamères greffés à la surface d'une couche isolante (135) modifie les caractéristiques mécaniques de cette couche, voir sa forme.

Selon ces différents exemples de réalisation, l'assemblée de nanoparticules agit comme une jauge de contrainte pour réaliser la détection de l'espèce visée. En effet, une telle assemblée de nanoparticules est apte à constituer une micro-jauge de contrainte/déformation extrêmement sensible, comme décrit dans le document EP 2 643 671 / US 2013-0228018, la conduction électrique entre les nanoparticules (150) de l'assemblée étant particulièrement sensible à la distance entre lesdites nanoparticules. Cette propriété permet de détecter toute variation de forme ou de tension, soit de l'assemblée de nanoparticles elle-même, soit de la couche (135) isolante déposée sur ladite assemblée, que ladite couche soit un polymère à empreinte moléculaire ou une couche isolante avec une surface greffée avec un bio-détecteur spécifique. Le bio-capteur (100) est ainsi apte à délivrer un signal électrique proportionnel à la quantité de molécules capturées. À cette fin, le dispositif objet de l'invention comporte un ensemble d'acquisition de traitement du signal (non représenté), connecté aux électrodes (103) du bio-capteur (100).

Le choix du mode de réalisation dépend tant du type d'espèce dont la détection est visée que ne la nature du fluide dans lequel ladite espèce est recherchée. Ainsi, le mode de réalisation utilisant une passivation de la surface est de préférence utilisé lorsque le contact avec le fluide dans lequel l'espèce recherchée se trouve, et de nature modifier les propriétés électriques de l'assemblée de nanoparticules.

En comparaison du dispositif de l'art antérieur décrit dans le document US 7 214 528, le bio-capteur (100) du dispositif objet de l'invention, présente, selon ces modes de réalisation, une surface d'interaction avec le fluide étudié beaucoup plus importante. Cette surface d'échange importante permet également d'utiliser le dispositif objet de l'invention pour la détection d'espèces chimiques ou biologiques dans un fluide en phase gazeuse.

Lorsque l'assemblée de nanoparticules est déposée sous la forme de :microfils (11 1 ), chaque microfil est avantageusement fonctionnalisé afin de détecter une espèce chimique ou biologique différente.

Quelque soit le mode réalisation, la sélectivité de la détection est améliorée en saturant la surface de détection, par exemple au moyen d'une solution d'albumine de sérum bovin (ASB). L'ASB vient saturer les sites de liaison non spécifiques à la surface du capteur résultant en une passivation des sites non spécifiques et une amélioration de la sélectivité du dispositif.

Figure 3, selon un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, le biocapteur (100) est réalisé (310) sur un substrat (301 ) souple et préférentiellement mince, par exemple, un substrat constitué de PET, selon l'un quelconque des modes de réalisation du procédé objet de l'invention. Ainsi, ledit bio-capteur (100) est aisément déformé (320) et placé (330) à l'intérieur d'un conduit (300). Une pluralité de biocapteurs est avantageusement placée dans ledit conduit (300), espacés angulairement sur la périphérie ou axialement selon la longueur dudit conduit. Les effets de la déformation du bio-capteur sont corrigés par le dispositif de traitement et d'acquisition du signal électrique. Un tel conduit (300) équipé est ensuite installé dans une installation d'adduction du fluide dont l'analyse est visée. L'utilisation de nanoparticules et des techniques de dépôt associées, permet de miniaturiser le bio-capteur (100) de sorte à l'introduire dans un conduit (300) de petit diamètre, par exemple dans un cathéters ou dans l'aiguille d'une seringue de prélèvement.

La description ci-avant et les exemple de réalisation montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet la réalisation économique d'un dispositif de détection miniaturisé d'une espèce chimique, biologique ou biochimique dans un fluide en phase liquide ou gazeuse, lequel dispositif est apte à délivrer un signal électrique facilement exploitable par une simple mesure de conductivité électrique entre les électrodes du bio-capteur du dispositif objet de l'invention.