Nouvelles puces pour la détection par leplasmon de surface (SPR)

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un support solide revêtu d'une couche métallique sur laquelle est déposée une couche de SiO _x d'épaisseur uniforme et stable par Enrichissement Plasma Déposition Chimique en Phase Vapeur

(« PECVD »). L'invention comprend également l'utilisation de tels supports ainsi obtenus ou des procédés mettant en œuvre de tels supports pour déterminer par Surface

Plasmon Résonance (« SPR ») la présence d'un composé capable de se lier spécifiquement ou s'adsorber à un composé cible présent à la surface dudit support. L'invention a aussi pour objet des kits d'analyse comprenant de tels supports ainsi que des méthodes de criblage et de sélection de composés d'intérêt utilisant ces supports.

La résonance plasmonique de surface, dénommée SPR pour « Surface Plasmon Résonance », une technique spectroscopique sensible à la surface, a mûri au cours des années en un outil analytique bien accepté pour le suivi des processus interfaciaux tout comme la caractérisation des films minces (1-9). La sélectivité de la méthode provient de la stimulation des champs électriques magnétiques sur des surfaces métalliques dans les plasmons surfaciques créés à l'interface métal-diélectrique. Des plasmons surfaciques sont excités sur des surfaces d'or quand une lumière polarisée p illumine l'interface or/diélectrique par un prisme sous réflexion totale, couplant sous un certain angle la lumière incidente dans les modes de plasmons de surface. La formation du plasmon est liée par une diminution marquée de la lumière réfiectée mesurée par une photodiode et notée l'angle de résonance. Cet angle est extrêmement sensible à tout changement dans l'indice de réfraction (n) du milieu adjacent et tout changement de l'épaisseur optique. L'or et l'argent sont les candidats idéaux en tant que films métalliques pour une puce de SPR dans la région de la lumière visible. Bien que des films d'argent donnent un spectre de SPR plus distinct que l'or et qu'il génère une stimulation hautement étalonnée, ce métal a tendance à être instable dans les milieux réactionnels. Des films d'or minces présentent ainsi un meilleur choix pour les applications de SPR en ce qui concerne des considérations de stabilité et de sensibilité. En effet, la technique de SPR a été largement utilisée pour la détection sans marquage, l'étude de la réaction d'hybridation de l'ADN et la détection des événements moléculaires et biomoléculaires en temps réel. Ceci est

possible du fait que le principe de détection est basé sur le changement de contraste optique induit par une molécule liée à l'interface en comparaison au milieu environnant. La chimie utilisée pour l'immobilisation des composants biologiques à la surface d'or de la puce de SPR est principalement basée sur l'utilisation de composés thiolés (10-15) ou des polymères conducteurs (1, 3, 8). L'entreprise Biacore fabrique des systèmes bio analytiques basés sur le phénomène de SPR (9a). Dans ce système, on a utilisé une couche de dextrane fonctionnalisée couplée à la surface d'or pour lier différentes espèces chimiques et biologiques sur la surface.

Dans de nombreuses applications de biocapteurs, cependant, on utilise une chimie de couplage au silane sur des substrats de dioxyde de silicium pour l'immobilisation des biomolécules telles que l'ADN, les carbohydrates ou des protéines et leur interaction avec des analytes complémentaires a été détectée en utilisant des techniques de fluorescence. Cependant, la combinaison de fluorescence et d'études de SPR sur la puce d'or n'a pas été possible, à cause de l'atténuation complète du signal de fluorescence sur les substrats d'or. Un moyen de tirer avantage de la spectroscopie par SPR pour suivre le cours des réactions de surface et la chimie de couplage développée pour SiO _x consiste à recouvrir le métal noble avec une couche mince de SiO _x . Le développement de nouvelles puces de SPR constituées de films d'or recouverts de couches minces de dioxyde de silicium a déjà été tenté dans la littérature. On a déposé des films de silice minces (SiO _x ) à faible pression ou en utilisant la technique sol-gel (16). Les auteurs ont trouvé que les couches de silice déposées par vapeur ont montré un manque de stabilité dans une solution tampon aqueuse telle que le PBS. La couche de silice se décroche de la surface du métal en quelques minutes d'exposition aux solutions aqueuses. Cependant, la technique sol-gel a été appliquée avec succès pour générer les interfaces AuZSiO _x stables. On a basé la technique sur l'auto-assemblage du 3-(mercaptopropyl)triméthoxysilane sur la surface métallique suivi par une hydrolyse ultérieure des groupes triméthoxysilyle pour générer des groupes silanol de surface nécessaires pour la réaction de condensation du tétraméthoxysilane déposé à la tournette.

Les films composites Au/SiO _x ont été fabriqués par Liao et al. dans un système de pulvérisation de magnétrons multicible où le composite a été caractérisé optiquement par SPR en mode transmission (17). Par ailleurs, la fonctionnalisation directe des puces de SPR avec du γ-aminopropyléthoxysilane a été rapportée dans la littérature (18).

L'exposition de la puce de capteur à la vapeur de silane a conduit à l'introduction de groupes amino terminaux et en outre une immobilisation des anticorps sur la surface d'or. Les auteurs ont trouvé que les réponses de SPR dépendaient du temps d'exposition des puces de SPR à la vapeur de silane et des temps d'exposition plus longs étaient souhaitables pour générer une réponse appréciable. Cependant, les auteurs n'ont pas commenté le type de liaison entre la surface d'or et la multicouche de silane (18). Le groupe de Granéli et Kasemo a rapporté qu'en déposant 1 nm de titane entre les couches d'or et de dioxyde de silicium (30 nm dans le cas d'une puce de SPR), des films stables pourraient être obtenus et la formation de couches de phospholipides soutenues a été recherchée en utilisant une microbalance pondérale à résonateur à quartz et de SPR (19- 22). Dans ce cas, une couche d'adhésion de 1 nm de titane était nécessaire et le film de dioxyde de silicium a été déposé en utilisant une évaporation par faisceau électronique.

Ainsi, au regard de ce qui précède, il serait souhaitable de pouvoir disposer d'une technique simple de synthèse contrôlable et adaptable à grande échelle pour déposer des films de silice stables sur des supports solides ou puces de SPR, technique qui sera bénéfique pour la communauté scientifique et qui pourra permettre de combiner la chimie de couplage au silane avec une spectroscopie de SPR.

Ceci est justement l'objet de la présente invention. Les inventeurs ont pu mettre en évidence qu'il était possible d'utiliser un dépôt en phase vapeur stimulé par plasma (PECVD) pour déposer des films minces diélectriques de silice avec des épaisseurs contrôlées sur des puces de SPR, ceci de manière reproductible. Les inventeurs ont pu mettre en évidence aussi et de façon surprenante que la puce de SPR recouverte de silice obtenue par un tel procédé de dépôt présente pratiquement pour des épaisseurs d'environ 7 nm une intensité similaire de réflectivité et un pic légèrement plus fort comparée au signal obtenu pour une surface d'or nue. Ces films de silice présentent également une très bonne stabilité à la fois dans des solutions organiques et aqueuses et en présence de solution piranha à 80 ⁰ C, cette dernière solution pouvant s'avérer nécessaire pour générer des groupes silanol de surface adaptés pour la chimie de couplage au silane.

Le support solide revêtu d'une couche métallique sur laquelle est déposée une couche de SiO _x d'épaisseur uniforme et stable obtenu par le procédé de l'invention décrit

ci-après apparaît ainsi compatible avec un schéma de détection par SPR, permet le greffage de façon covalente de molécules cibles d'intérêt à l'interface ou peut être utilisée comme support pour des bicouches de phospholipides captives. Ceci ouvre donc la possibilité d'étudier des processus de surface en utilisant des SPR sur des surfaces de silice.

Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un support solide revêtu d'une couche métallique sur laquelle couche métallique est déposée une couche de SiO _x d'épaisseur uniforme et stable, ledit support présentant une réponse par Surface Plasmon Résonance (« SPR ») appréciable et/ou permettant de déterminer par SPR la présence d'un composé capable de se lier spécifiquement à un composé cible présent à la surface dudit support, caractérisé en ce que ladite couche de SiO _x est déposée par Enrichissement Plasma Déposition Chimique en Phase Vapeur (« PECVD » pour « Plasma Enhanced Chemical Vapour Déposition »). Par réponse par Surface Plasmon Résonance (« SPR ») appréciable, on entend désigner ici la possibilité pour le support solide revêtu d'une couche métallique sur laquelle est déposée une couche de SiO _x d'être utilisé comme capteur dans des études par la SPR.

Dans un mode de réalisation préféré, ladite couche métallique selon le procédé de fabrication de l'invention est choisie parmi une couche d'or ou d'argent, l'or étant le plus préféré.

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que ladite couche de SiO _x déposée par PECVD a une épaisseur comprise entre 5 nm et 80 nm, de préférence une épaisseur supérieure ou égale à 5 nm et inférieure ou égale à 40 nm ou une épaisseur supérieure ou égale à 5 nm et inférieure ou égale à 20 nm, de manière plus préférée une épaisseur égale à 7 nm ± 1,5 nm.

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que ladite couche métallique a une épaisseur égale à environ 50 nm.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que ladite couche métallique est revêtue de particules d'or ou d'argent avant le dépôt de la couche de SiO _x par PECVD.

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que ledit support solide est préalablement revêtu d'une couche de titane avant d'être revêtu de ladite couche métallique, de préférence d'épaisseur d'environ 5 nm (5 nm ± 1,5 nm).

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que le mélange de gaz utilisé dans le procédé PECVD est un mélange SiH ₄ (de préférence à 3 % en N ₂ ) et N2O, de préférence à un débit respectif de 260 cmVmin et 700 cmVmin, de préférence avec une température pour le substrat de

300 ⁰ C.

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que le dépôt de SiO _x sur le support par le procédé PECVD est réalisé à une vitesse d'environ 414 â/min.

Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que le dépôt de SiO _x par le procédé PECVD sur le support est à une pression totale dans le réacteur de 1 T et une puissance de 10 W à 13,56 Mhz. Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que la couche de SiO _x déposée par PECVD présente un indice de réfraction compris entre 1,45 et 1,48, de préférence choisi dans le groupe constitué des indices de réfraction suivants : 1,45 ; 1,465 et 1,48.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une étape additionnelle dans laquelle on dépose sur la couche de SiO _x déposée par PECVD un second film métallique, de préférence d'or ou d'argent, lequel second film métallique est évaporé pour former des nanoparticules métalliques sur la couche de SiO _x , de préférence ledit second film métallique présente une épaisseur inférieure à 5 nm (voir figures 4 A et 4B). Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que la couche de SiO _x déposée par PECVD est déposée sur une partie seulement de la surface du support revêtu du film métallique, de

préférence selon une configuration géométrique adaptée à l'imagerie par SPR. Dans ce mode de réalisation particulier, le dépôt est par exemple fait en utilisant un masque adapté à la configuration géométrique souhaitée. Parmi les configurations géométriques adaptées à l'imagerie par SPR, on pourra par exemple se référer à la figure 5. Dans le procédé de fabrication selon l'invention, ledit support est de préférence un support solide transparent, notamment en verre.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet un support revêtu d'une couche de SiO _x susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de SiO _x déposée sur ledit support est uniforme et en ce que l'épaisseur de la couche de SiO _x déposée et/ou la réponse SPR n'est(ne sont) pas modifiée(s) après traitement du support avec une solution piranha (mélange d'acide sulfurique / peroxyde d'hydrogène à 30 %, dans un rapport 3/1) à 80 ⁰ C.

La présente invention comprend également un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, caractérisé en ce que ledit support présente un indice de réfraction d'environ 1,48 (1,48 ± 0, 4), de préférence un indice de réfraction compris entre 1,45 et 1,48, de préférence choisi dans le groupe constitué des indices de réfraction suivants : 1,45 ; 1,465 et 1,48, 1,48 étant la valeur de l'indice la plus préférée.

Dans un mode de réalisation préféré, le support selon l'invention est caractérisé en ce que la couche de SiO _x déposée est traitée après dépôt afin de produire des groupements réactifs capables de former une liaison covalente ou non avec une molécule cible d'intérêt que l'on souhaite sur ledit support, de préférence une liaison covalente.

Par liaisons non covalentes, on entend désigner ici les liaisons ioniques, les liaisons hydrogène, les forces de Van der Waals ou encore les liaisons hydrophobes.

De préférence, lesdits groupements réactifs que l'on souhaite générer sont des groupements Si-OH, notamment par traitement avec une solution de piranha.

La présente invention comprend également un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, caractérisé en ce que la couche de SiO _x est traitée de telle sorte qu'elle permette le couplage de composés organosilanes.

La présente invention comprend également un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, caractérisé en ce que la surface du support sur laquelle a été déposée une couche de SiO _x présente des groupements fonctionnels de type organosilane, de préférence aminosilane, tels que le 3-amino-propyltriméthoxysilane

et le N-(2-aminoéthyl)-3-amino-propyltriméthoxysilane, ou de type thiolsilane, de préférence de type mercaptosilane tel que le (3-mercaptopropyl)-triméthoxysilane.

On pourra par exemple se référer à la demande de brevet internationale publiée le 21 août 2003 sous le No. WO 03/068712 décrivant de tels protocoles de silanisation de lames de verre (« fonctionnalisation ») présentant des groupements silanols Si-OH.

La présente invention comprend aussi un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, caractérisé en ce que ledit composé cible est fixé par liaison covalente sur ledit support.

De préférence, ledit composé cible est un polypeptide, un acide nucléique ou un carbohydrate.

Dans la présente description, on entendra désigner par polypeptide tout composé comprenant un peptide constitué d'une séquence d'acides aminés naturels ou non, de forme L ou D, ledit composé peptidique pouvant être choisi notamment parmi les peptides, les peptides-nucléiques acides (PNA), les lipopeptides ou les glycopeptides. Dans la présente invention, on entendra désigner par le terme polypeptide également les protéines ou les peptides, termes qui seront ici employés indifféremment.

Par acide nucléique, on entend désigner un enchaînement précis de nucléotides, modifiés ou non, permettant de définir un fragment ou une région d'un acide nucléique, comportant ou non des nucléotides non naturels, et pouvant correspondre aussi bien à un ADN double brin, un ADN simple brin que des produits de transcription desdits ADNs, tels que les ARNs.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet l'utilisation d'un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, pour la détermination ou l'analyse de liaison entre deux composés par SPR et/ou par fluorescence. Les supports ou puces de SPR recouverts de films de silice selon l'invention présentent en effet une réponse SPR appréciable que l'on peut comparer au signal obtenu pour un support présentant une surface d'or nue. De plus, les couches de silice s'avèrent être efficaces pour réduire l'inhibition de fluorescence observée sur des surfaces d'or nues. Ce résultat permet ainsi la combinaison de spectroscopie de fluorescence et de SPR.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet l'utilisation d'un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, pour la détermination ou le suivi de réaction entre au moins deux composés par SPR.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet l'utilisation d'un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, pour la détection dans un échantillon d'acides nucléiques, de polypeptides, de carbohydrates, de liposomes, de vésicules ou de cellules, de préférence pour la détection d'acides nucléiques, de polypeptides ou de carbohydrates dans un échantillon.

Ce procédé est avantageusement utilisé avec un support selon l'invention, sur lequel l'acide nucléique recherché s'hybride spécifiquement avec une sonde (composé cible) présente à la surface dudit support ou le polypeptide ou carbohydrate recherché se fixe ou s'adsorbe spécifiquement avec un composé cible présent à la surface dudit support, la présence ou non de l'acide nucléique, du polypeptide ou du carbohydrate recherché étant déterminé par SPR (voir par exemple le système Biacore). Il en est de même pour toute détermination de la présence d'un composé d'intérêt dans un échantillon présentant une affinité spécifique pour un composé cible présent à la surface dudit support selon l'invention.

Lorsque le composé cible est de type polypeptide, on pourra par exemple rechercher la présence dans un échantillon d'un composé d'intérêt capable de reconnaître et/ou de se fixer ou encore s'adsorber spécifiquement sur ce polypeptide (liaison par exemple de type anticorps-antigène, de type ligand-récepteur ou encore enzyme-substrat, etc.). L'homme de l'art saura utiliser les conditions et les protocoles standard bien connus pour ce type d'interaction spécifique que l'on souhaite mettre en oeuvre.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet un procédé de détermination de la présence ou de la quantité d'un composé dans un échantillon, ledit composé étant capable de se lier ou s'adsorber spécifiquement à un composé cible, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : a) la préparation d'un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, sur lequel support ledit composé cible est fixé, de préférence par liaison covalente ; b) la mise en contact dudit support obtenu à l'étape a) avec ledit échantillon susceptible de contenir le composé capable de se lier ou s'adsorber spécifiquement audit

composé cible dans des conditions appropriées pour la formation d'un complexe spécifique entre ledit composé cible et ledit composé dont on cherche à déterminer la présence ou sa quantité dans l'échantillon ; c) le cas échéant, au moins une étape de lavage afin d'éliminer les composés non spécifiquement fixés ou adsorbés audit composé cible ; et d) la détermination de la présence ou de la quantité dudit composé dans l'échantillon par la technique dite de résonance plasmonique de surface.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet un kit pour la détermination de la présence ou la quantité d'un composé dans un échantillon par résonance plasmonique de surface et/ou par fluorescence, caractérisé en ce qu'il comprend un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention.

Sous un autre aspect, la présente invention a pour objet une méthode de criblage de composés capables de se fixer ou s'adsorber spécifiquement sur un composé cible donné, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : a) la mise en contact dudit composé à tester sur un support selon l'invention ou obtenu par un procédé selon l'invention, dans les conditions permettant la fixation ou l'adsorption spécifique dudit composé à tester et sur lequel support ledit composé cible est fixé, de préférence par liaison covalente ; b) l'élimination par au moins une étape de lavage dans les conditions appropriées des composés à tester non fixés ou adsorbés spécifiquement sur ledit composé cible ; et c) la sélection du composé testé si la présence de ce composé est détectée par résonance plasmonique de surface sur le support.

Enfin, la présente invention est relative à un instrument ou dispositif de diagnostic ou d'analyse comprenant un support selon l'invention tel que défini ci-avant et sur lequel support une couche de SiO _x a été déposée par PECVD, notamment avec les caractéristiques d'épaisseur et/ou d'homogénéité et/ou de stabilité et/ou d'indice de réfraction telles que définies ci-avant ou dans les exemples ci-après, ou à un instrument ou dispositif de diagnostic ou d'analyse comprenant un support obtenu par un procédé selon l'invention. Les légendes des figures et exemples qui suivent sont destinés à illustrer l'invention sans aucunement en limiter la portée.

Légendes des figures

Figures IA et IB : Images topographiques AFM en mode tapping de la surface d'or

(figure IA), et de la surface AuZSiO _x (d = 7,5 nm) (figure IB).

Figure 2 : Courbes de réflectivité contre angle d'incidence pour différentes épaisseurs de SiO _x déposées sur des couches d'or de 50 nm d'épaisseur sur du verre avec une couche adhérente de titane de 5 nm. Les lignes en pointillés sont les résultats expérimentaux ; les lignes pleines sont les courbes adaptées 0 nm (m), 7,5 nm (o), 20 nm (•), 40 (α) nm.

Figure 3 : Courbes de réflectivité contre angle d'incidence pour une interface Au/SiO _x de 7,5 nm de SiO _x sur des couches d'or de 50 nm d'épaisseur sur du verre avec une couche d'adhésion de titane de 5 nm. La ligne pleine est la courbe adaptée pour 7,5 nm de SiOx sur de l'or ; (m) est l'interface après le dépôt ; (o) est la même surface après traitement deux fois avec du piranha à 80 ⁰ C pendant 15 min.

Figures 4A et 4B : Schéma en 3 dimensions représentant un support sur lequel des nanoparticules d'or ou d'argent ont été déposées par évaporation sur un film de SiO _x déposé sur une couche d'or de 50 nm d'épaisseur sur du verre (figure 4A). Image obtenue par microscopie électronique à balayage (SEM) de la surface d'un support revêtu d'une couche de SiO _x d'épaisseur 10 nm par la technique PECVD et sur laquelle un film mince d'or a été évaporé.

Figure 5 : Modèle de support revêtu d'un film de SiO _x déposé sur une couche d'or présentant une configuration géométrique adaptée à l'imagerie par SPR.

EXEMPLE 1 : Matériaux et Méthodes 1) Matériaux

Tous les réactifs de nettoyage et de décapage sont de qualité semi-conducteur. Tous les produits chimiques sont de qualité réactif ou de qualité supérieure et ont été utilisés tels qu'ils ont été reçus sauf mention contraire.

- Ci ₀ H ₄ F ₁₇ Cl ₃ Si : fournisseur Gelest Inc. (11 E. Steel Rd. Morrisville, PA USA), isopropanol, acétone : fournisseur Aldrich (utilisés sans autre purification),

- peroxyde d'hydrogène et acide sulfurique de qualité semi-conducteur. 2) Préparation des lames d'or

Les lames d'or ont été préparées sur la plateforme PROMESS du CEA de Grenoble par un dépôt sous vide de 5 nm de titane et 50 nm d'or sur des lames de verre nettoyées (76 x 26 x 1 mm ³ , n = 1,58 à λ = 633 nm, CML, France).

3) Préparation de lames composites d'or-SiOx

Avant le dépôt du film de silice, les échantillons d'or ont été tout d'abord dégraissés dans de l'isopropanol et de l'acétone dans un bain à ultrasons à température ambiante, puis rincés abondamment avec de l'eau Milli-Q et séchés sous un flux d'azote. Les lames d'or ont été alors chauffées dans la chambre à plasma à 300 ⁰ C à une pression de 0,005 Torr pendant 1 heure. Des couches de SiO _x ont été synthétisées par un dépôt en phase vapeur stimulé par plasma dans un Plasmalab 800Plus pour PECVD (Oxford Instruments). Les conditions de croissance utilisées étaient comme suit : température du substrat : 300 ⁰ C ; mélange de gaz : SiH ₄ (3 % dans du N ₂ ) et N2O (l'écoulement gazeux était de 260 sccm et 700 sccm pour SiH ₄ et N ₂ O, respectivement) ; pression totale dans le réacteur : 1 Torr ; alimentation : 10 W à 13,56 MHz. Dans ces conditions expérimentales, la vitesse de dépôt était de 414 â/min et les films de silice présentent un indice de réfraction de 1,48. L'épaisseur des films de silice a été ajustée en faisant varier le temps de dépôt.

4) Tests de stabilité Les échantillons d'or recouverts de couches de silice ont tout d'abord été lavés par une ultrasonication successive dans de l'isopropanol, de l'acétone et de l'eau désionisée à température ambiante puis dans 3 : 1 (v/v) de H ₂ SO ₄ concentré/30 % H ₂ O ₂ pendant 15 min suivie d'un rinçage abondant avec de l'eau Milli-Q. Les échantillons résultant ont été séchés sous un flux d'azote. La solution piranha réagit violemment avec des matériaux organiques. Elle doit être manipulée avec extrêmement d'attention, et suivie d'un rinçage abondant avec de l'eau désionisée.

5) Instrumentation SPR

L'instrument pour la résonance des plasmons de surface était un Autolab ESPRIT (Autolab, Utrecht, Pays-Bas) permettant des mesures simultanées électrochimiques et de SPR. Dans ce travail, on utilisera seulement la partie SPR.

6) Mesures d'AFM

Les échantillons ont été imagés avec un système Dimension 3100 modèle AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) équipé d'un contrôleur nanoscope IV (instruments numériques), à température ambiante dans des conditions ambiantes. Des cantilevers de silicium à un seul faisceau (AFM-TM Arrow, Nanoworld) ont été utilisés avec des constantes du ressort -42 N/m et des fréquences de résonance d'environ -250 kHz. Toutes les images d'AFM (Microscopie à Force Atomique) ont été acquises en mode exploitation à une force constante de 5 à 50 pN.

7) Ellipsométrie

Les données d' ellipsométrie spectroscopique ont été obtenues dans la plage visible en utilisant un UVISEL par Jobin Yvon Horiba Spectroscopic Ellipsometer équipé d'un logiciel d'analyse des données DeltaPsi 2. Le système a acquis un spectre allant de 2 à 4,5 eV (correspondant à 300 à 750 nm) avec des intervalles de 0,05 eV (ou

7,5 nm). Les données ont été prises en utilisant un angle d'incidence de 70° et on a réglé le compensateur à 45,0°. On a adapté les données par une analyse de régression à un modèle film sur substrat comme décrit par leur épaisseur et leurs indices de réfractions complexes. Les valeurs données dans les tableaux 1 et 2 donnent une moyenne sur 5 mesures prises sur différents points de la surface.

8) Mesures de l'angle de contact

Les angles de contact de l'eau ont été mesurés en utilisant de l'eau désionisée. Un système de goniomètre contrôlé par un ordinateur à distance (DIGIDROP par GBX, France) a été utilisé pour mesurer les angles de contact. La précision est de ± 2°. Toutes les mesures ont été faites dans une atmosphère ambiante à température ambiante.

EXEMPLE 2 : Résultats Les films de silice étudiés ici ont été déposés sur des surfaces de puces de SPR utilisant une décomposition chimique d'un mélange gazeux de SiH ₄ et N ₂ O dans un réacteur à plasma à 300 ⁰ C. Dans ces conditions expérimentales, les films déposés présentent un indice de réfraction de 1,48 et la vitesse de dépôt était de 414 â/min. L'épaisseur du film a été contrôlée par le temps de réaction. L'étude par ellipsométrie des films déposés après 10, 30, 60, 75 et 120 s a eu pour résultat des épaisseurs de 7,5, 20, 44, 51 et 63 nm respectivement (voir Tableau 1).

Tableau 1 : Détermination par ellipsométrie de l'épaisseur des couches de SiO _x déposées avant et (A) après sonication dans de Pisopropanol/acétone/eau et après 15 min de nettoyage piranha (H ₂ SO ₄ ZH ₂ O ₂ : = 3/1 (v/v)) (B).

Entrée Tel que déposé Après traitement A ¹ Après traitement B ² d/nm d/nm d/nm

1 7,51 7,21 (4 %) 7,12 (1,25 %)

2 20,00 20,16 (0,8 %) 19,37 (3,9 %)

3 44,20 42,98 (2,76 %) 42,57 (0,95 %)

4 62,95 64,27 (2,05 %) 60,00 (6,64 %) sonication successivement dans de Pisopropanol/acétone/eau 15 min dans une solution piranha

Les couches de SiO _x ayant des épaisseurs supérieures à 44 nm n'ont pas été discutées dans cette étude comme elles ne montrent pas de réponse de SPR significative. Nous avons ensuite examiné la topographie des puces de SPR avant et après le revêtement de silice. La figure IA montre l'AFM en mode tapping d'une surface d'or nettoyée. La surface est composée de grains ayant une taille moyenne de 40 nm et la rugosité de la surface a été trouvée inférieure à 1,8 nm. Le dépôt chimique des films de silice sur la surface n'a pas induit de changement topographique de la surface. L'image par AFM de la surface recouverte avec un film de SiO _x (épaisseur 7,5 nm) présente des caractéristiques similaires et la même rugosité que la surface native (figure IB). II existe deux procédés pour évaluer les interactions interfaciales en SPR. Dans le mode balayage, la variation de l'intensité de la lumière réfléchie en fonction de l'angle d'incidence du faisceau de lumière est détectée. L'angle critique et l'angle de résonance sont caractéristiques du système à étudier et tout changement dans l'indice de réfraction du milieu diélectrique provoquera le décalage de l'angle de résonance vers des angles plus élevés. La figure 2 montre le décalage de l'angle de résonance une fois que des couches de dioxyde de silicium ayant différentes épaisseurs (7,5 nm, 20nm, 44 nm) ont été déposées ex-situ sur la lame de verre recouverte d'or. Alors que l'angle critique ne change pas (non montré) quand on utilise de l'eau en tant que solvant dans toutes les expériences, l'angle quand le plasmon de surface minimum intervient se décale vers des angles supérieurs avec une épaisseur de SiO _x croissante : 66,03° (0 nm), 66,19° (7,5 nm),

66,45° (20 nm), 66,96° (44 nm). Les interfaces de dioxyde de silicium-or avec une épaisseur de SiOx supérieure à 60 nm n'ont pas montré un signal de SPR minimum sur un prisme de verre d'indice de réfraction de 1,58 en utilisant l'instrument Autolab- ESPRIT SPR comme les angles détectables étaient à l'extérieur de la limite de détection. En plus d'un changement de l'angle de résonance, l'intensité de résonance minimum est réduite de 0,048 (0 nm) à 0,053 (7,5 nm), 0,059 (20 nm) et 0,080 (44 nm), respectivement, correspondant à une dose d'intensité de 0,5, 1,1, 3,2 %. Les courbes expérimentales ont été adaptées à des courbes de SPR théoriques et les épaisseurs correspondantes ont été déterminées en utilisant les paramètres suivants : n(prisme) = 1,58, n(or) = 0,197 + i3,442 avec d = 530 nm, n(titane) = 2,36 + i3,l 12 avec d = 60 nm, n(SiO _x ) = 1,48.

Tableau 2 :

Z E ^~ ntré,e „ , SPR , ¹ , „ S .,PR , ₂

Tel que dépose Traitement

1 8 nm 8 nm

2 23 nm 22 nm

3 45 nm 43 nm 5

¹ les courbes expérimentales ont été adaptées à des courbes de SPR théoriques en utilisant n(prisme) = 1,58, n(or) = 0,197 + i3,442 avec d = 530 nm, n(titane) = 2,36 + i3,112 avec d = 60 nm, n(SiO _x) ) = 1,48

² sonication dans de l'isopropanol/acétone/eau et 15 min dans une solution piranha

Les résultats des expériences de SPR sont comparables à ceux obtenus à partir de mesures ellipsométriques dans l'air (7,5, 20, 44,2 nm) (Tableau 1). Plusieurs points ont été mesurés sur l'interface Au/SiO _X; les valeurs moyennes de d = 7,51 ; 20,00 ; 44,2 ; 62,95 ont été respectivement obtenues. Stabilité des films de dioxyde de silicium sur l'or

En plus de présenter une plateforme compatible aux puces SPR et en outre une fonctionnalisation de surface, les films de silice doivent supporter plusieurs traitements

chimiques pour être utiles pour des études à long terme. Ainsi, les lames d'or recouvertes avec des films de silice ont été soumises à un nettoyage aux ultrasons dans de l'isopropanol (5 min à température ambiante), de l'acétone (5 min à température ambiante) et de l'eau désionisée (5 min à température ambiante). L'analyse par ellipsométrie de surfaces résultantes n'a montré aucune évolution significative de l'épaisseur des films de silice. Seule une réduction de 4 % de l'épaisseur de la surface a été observée (voir tableau 1). Cette analyse met en évidence les épaisseurs déterminées par ellipsométrie et SPR et confirme la stabilité des films. Ceci même en nettoyant l'interface. De plus, les puces de SPR recouvertes de SiO _x ont été montrées comme étant stables dans les solutions de piranha (H2SO4/H2O2 = 3/1 (v/v)) pendant 15 minutes. A nouveau, on a observé moins de 4 % de réduction de l'épaisseur de la surface (voir tableaux 1 et 2). Ceci peut être dû au retrait de tout absorbât ou contaminant sur la surface. Les solutions piranha sont connues pour décomposer les absorbâts organiques sur la surface. Les résultats de l' ellipsométrie ont été confirmés par spectroscopie SPR. Fonctionnalisation de surface

La réactivité chimique des puces de SPR recouvertes de films de SiO _x a été examinée. La surface recouverte avec un film de silice de 7 nm d'épaisseur a été tout d'abord nettoyée avec une solution piranha et on a incubé la surface résultante dans une solution à 10 ^~2 M de perfluoroalkylsilane pendant 2 h à température ambiante. Le cours de la réaction a été suivi par les mesures de l'angle de contact. Les puces de SPR initiales or sur verre ont montré un caractère hydrophobe avec un angle de contact de 74°. Après le dépôt de silice et le traitement par piranha, des propriétés mouillantes de la surface ont changé de hydrophobe à hydrophile. La surface oxydée a présenté un angle de contact de l'eau inférieure à 15° (similaire au verre). Après le couplage chimique avec Porganosilane, l'angle de contact a augmenté jusqu'à 114°. Ceci est en accord avec l'immobilisation chimique de la molécule de silane sur la surface. Il a été trouvé que ce traitement n'a induit aucun changement de l'épaisseur ou de la réponse de SPR et a produit une quantité considérable de Si-OH utilisé pour coupler un trichloroperfluorosilane. A notre connaissance, ceci est le premier exemple présentant une telle stabilité de films de silice sur de l'or préparés thermiquement.

Le traitement piranha a généré des groupes silanol de surface réactifs nécessaires pour une chimie de couplage d'un organosilane. Cette propriété permettra de tirer

avantage de la chimie de surface pour construire des architectures complexes et pour introduire des groupes fonctionnels sur la surface en utilisant la chimie de surface bien connue des organosilanes. Conclusion Des films de silice stables ayant des épaisseurs allant de 7 à 100 nm sur un métal, notamment de l'or peuvent être déposés en utilisant une technique PECVD. Les films sont stables dans des environnements corrosifs : sonication dans des solutions organiques et aqueuses, et dans des solutions piranha à 80 ⁰ C. Le traitement piranha a généré des groupes Si-OH de surface nécessaires pour une chimie de couplage au silane. Les puces de SPR recouvertes de films de silice ont présenté une réponse SPR appréciable que l'on peut comparer au signal obtenu d'une surface d'or nue. Les couches de silice s'avèrent être efficaces pour réduire l'inhibition de fluorescence observée sur des substrats d'or nus. Ce résultat permettra la combinaison de spectroscopie de fluorescence et de SPR et ouvre ainsi de nouvelles opportunités pour détecter et imager des événements biomoléculaires sur les surfaces avec des applications potentielles dans divers domaines y compris la microfiuidique et les biopuces.

Ces exemples mettent en évidence la fabrication et la caractérisation de films d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre stable de silice amorphe (SiOx) déposés sur des lames de verre recouvertes d'une couche d'adhésion de 5 nm de titane et de 50 nm d'or en utilisant une technique de dépôt en phase vapeur stimulé par plasma (PECVD). Les surfaces résultantes ont été caractérisées en utilisant une microscopie à force atomique (AFM), une ellipsométrie, des mesures de l'angle de contact et une résonance des plasmons de surface (SPR). L'analyse par AFM indique que des films homogènes de silice ayant une rugosité faible ont été formés sur la surface d'or. Les films de silice déposés ont montré une stabilité excellente dans différents solvants et dans une solution piranha. Il n'y a eu aucune variation significative dans l'épaisseur ou dans le signal de SPR après ces traitements sévères. Les films de silice ayant des épaisseurs allant jusqu'à au moins 40 nm ont permis la visualisation de l'effet des plasmons de surface. Les analyses par SPR ont permis en outre, la détermination de l'épaisseur des silices qu'on a comparées aux résultats ellipsométriques. Le changement de l'angle de contact pour la surface d'or hydrophobe et le film AuZSiO _x hydrophile. Le traitement chimique avec une

solution piranha a généré des groupes de surfaces de silanol qui ont été couplés du trichlorosilane.

Références

(1) Fortin, E. et al., Electronalysis 2005, 17, 495-503.

(2) Georgiadis, R. et al, Langmuir 2000, 16, 6759-6762.

(3) Guedon, P. et al, Anal. Chem. 2000, 72, 6003-6009.

(4) Jordan, C. E. et al, Anal. Chem. 1997, 69, 1449-1456.

(5) Kambhampati, D. K. et al, Current Opinion in colloid & interface science 1999,

4, 273-280.

(6) Knoll, W., Ann. Rev. Phys. Chem. 1998, 49, 565-634.

(V) Rothenhausler, B. et al, Nature 1998, 332, 615-617.

(8) Szunerits, S. et al, Langmuir 2004, 20, 9236-9241. (9a) Voir : http//www.biacore.com. (9b) Thiel, A. J. et al, Anal. Chem. 1997, 69, 4948-4956.

(10) Damos, F. S. et al, Langmuir 2005, 21, 602-609.

(11) Peterlinz, K. A. et al, Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3401-3402. (12) Pyo, H. et al, Langmuir 2005, 21, 166-171.

(13) Smith, E. A. et al, Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6140-6148.

(14) Smith, E. A. et al, Langmuir 2001, 17, 2502-2507.

(15) Jung, L. S. et al, J. Phys. Chem. B. 2000, 104, 11168-11178. ( 16) Kambhampati, D. K. et al. , Langmuir 2001, 17, 1169-1175. (17) Liao, H. B. et al, J. Appl. Phys. 2003, 93, 4485-4488.

(18) Sasaki, S. et al, Anal. Chim. Acta 1998, 368, 71-76.

(19) Glasmastar, K. et al, Colloid and Interface Sci. 2002, 246, 40-47.

(20) Granéli, A. et al, Langmuir 2003, 19, 842-850.

(21) Granéli, A. et al, Biosensors & Biolectronics 2004, 20, 498-504. (22) Reimhult, E. et al, Anal. Chem. 2004, 76, 7211-7220.