Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	4 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 22 mars 2013

principe de base d'un biocapteur			détecteur biologique
utilisation du quartz			la microbalance
membranes			la spécificité du capteur
microtechnologies			la microlithogravure
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Les récents progrès en synthèse moléculaire et microélectronique, et plus spécialement en microlithogravure, technologie des couches minces classiques et des films de Langmuir-Blodgett, permettent d'imaginer une nouvelle gamme de capteurs utilisables dans les processus biologiques dont les applications courantes se situent dans les domaines de la médecine, de l'agroindustrie, aussi bien que de la défense ou la protection de l'environnement.

principe

D'une manière générale, un Biocapteur est constitué d'un détecteur d'origine biologique: enzyme, anticorps, récepteur... et d'un transducteur chargé de convertir le signal biologique (qui par exemple sera la fixation de l'antigène à détecter sur l'anticorps) en un signal aisément exploitable (généralement électrique ou lumineux).

Divers procédés sont envisageables pour traduire le signal biologique en signal électrique. On connaît en particulier depuis quelques années de nombreuses tentatives de fixation de membranes sélectives sur la grille d'un transistor MOS en vue d'obtenir un composant de la famille des ISFETS. Cette procédure présente diverses difficultés dont la moindre n'est pas la réalisation de cette membrane poreuse, car on dispose de peu de moyens de contrôle en cours de fabrication, de la qualité de celle-ci. En outre les signaux à détecter sont généralement de faible amplitude ce qui en électronique analogique, et en milieu généralement bruité crée une difficulté supplémentaire.

quartz

Une deuxième approche consiste à greffer selon la procédure de Langmuir-Blodgett l'élément biosensible sur un quartz piézoélectrique intégré dans un oscillateur. On dispose alors d'une information directement numérique. En effet, il est connu de longue date, des physiciens des couches minces, que sous vide la masse superficielle d'un dépôt se formant sur une face d'un quartz vibrant, le plus souvent de coupe AT, est déterminée à partir de la dérive de fréquence résultant de ce dépôt.

Il a été montré que, dans certaines conditions, cette procédure peut aussi être utilisée en phase liquide et là encore la fréquence d'oscillation du quartz immergé dans une solution décroît proportionnellement à l'accroissement de masse de l'électrode du quartz.

En modifiant la nature de l'électrode sensible il est donc possible d'imaginer toute une famille de monocapteurs sélectifs. La figure montre le schéma de principe de l'électronique associée.

On constate la présence de deux oscillateurs: l'un de référence, l'autre de mesure associés à deux quartz de même type. On pourra ainsi s'affranchir des dérives thermiques du capteur et mesurer la différence des deux fréquences avec une grande précision. Remarquons que la variation maximale de fréquence que peut accepter le quartz est d'environ de 2% de sa fréquence initiale. Au delà la vibration sera trop amortie et l'oscillateur ne fonctionnera plus. On utilisera donc de préférence un quartz de fréquence initiale élevée (5MHz) afin d'avoir une plage de mesure relativement étendue (100kHz avec une précision de mesure de 1Hz soit environ 10^-8g).

Notons enfin qu'il est possible de déposer sur le quartz une couche poreuse à l'humidité. On dispose alors d'un capteur d'humidité très sensible. Il suffit pour reconditionner le quartz de le chauffer afin d'évaporer l'eau adsorbée. Cette faculté est peu employée, mais par contre c'est un inconvénient pour les quartz utilisés dans les oscillateurs à fréquence très stable, c'est pourquoi les quartz vibrants sont généralement intégrés dans un boitier étanche, sous vide de préférence afin d'éviter toute dérive due à une adsorption de vapeur d'eau.

membranes

Enfin d'une façon générale un biocapteur électrochimique dans lequel le transducteur sera de type potentiométrique n'est jamais qu'une électrode sur laquelle va se produire une réaction d'oxydo-réduction ou une réaction d'échange électronique entre l'espèce à détecter et le constituant de surface de l'électrode qui peut être spécifique de l'espèce à détecter ou non. Dans ce dernier cas, on ajoutera un intermédiaire sous forme d'une membrane ad hoc et c'est cette dernière qui assurera la spécificité du capteur. Parfois le matériau fixé sur l'électrode métallique sous forme d'un gel est convenable mais doit être protégé des risques de dissolution et ce sera alors le rôle de la membrane qui sera constituée d'un matériau hydrophobe d'origine végétale, animale ou synthétique.

Le problème principal est donc de trouver le matériau qui jouera ce rôle de membrane suffisament poreuse pour permettre la diffusion et la réaction chimique et suffisament solide pour assurer la tenue mécanique et la durabilité de l'ensemble. On a envisagé plusieurs procédés :

tels la co-réticulation d'enzymes et de protéines inactives (par exemple en mélangeant l'enzyme à de la gélatine et en faisant réagir du glutaraldéhyde qui va créer des pontages entre les deux constituants créant ainsi un gel facile à associer au transducteur).

Une autre solution consiste à mélanger l'enzyme avec une solution de monomère dont on provoque la polymérisation (des couches bioactives à base de gels de polyacrylamide sont très faciles à réaliser).

Une troisième technique consiste à exploiter un support porteur de groupements fonctionnels (-OH, -COOH, -NH₂, etc) que l'on active chimiquement et dans ces conditions il est facile de greffer l'enzyme sur ces groupements actifs (certains polyamides peuvent ainsi être facilement activés et en quelques minutes être associés aux transducteurs électrochimiques)

microtechnologies

Enfin en exploitant certaines techniques de la microélectronique (microlithographie) on peut déposer sélectivement des couches actives selon une géométrie définie par des masques et obtenir des capteurs microniques et multiparamètres. A titre d'exemple la figure ci-après montre un réseau de capteurs déposés sur substrat souple de polyimide. Chaque capteur comporte deux électrodes en couche mince de platine de 60nm d'épaisseur dont l'une (celle de référence) est recouverte de AgCl et deux électrodes, dites de travail, constituées d'une couche de platine recouverte d'une couche active. La topologie des diverses électrodes et des conducteurs de liaison est obtenue par lithogravure. Ce capteur étant destiné au dosage du lactate et du glucose une double membrane sélective de type hydrogel de 4µm d'épaisseur est déposée en 2 étapes et aussi lithogravée. Les couches actives ont une surface de 0.4mm2 tandis que les couches d'isolement (photoresist) ont 1 µm d'épaisseur.

Un tel dispositif sera ensuite découpé au niveau de la couche de photorésist en autant de microcapteurs individuels de 0.7 mm de largeur montés dans une sonde aiguille et destinés à des mesures in vivo.

pour en savoir plus

Boudrant J & al., capteurs et mesures en biotechnologie, Lavoisier (Paris), 1994

Ahlers H., Multisensorikpraxis, Springer Verlag (Heidelberg), 1997

Popescu M. & al., analyse et traitement physicochimique des rejets atmosphériques industriels, Lavoisier (Paris), 1998

Förstner U., Umweltschutztechnik, Springer Verlag (Heidelberg), 1992

Taright Y., Concept de nez électronique, thèse de doctorat, Rouen, 1999

Nenov T. & al., Ceramic Sensors,Technomic Publishing Company (Basel), 1996

Horn M., Makadmini L., Sensor und Messysteme, Bad Nauheim, März 11-13, 1996

Le Coz Ch., Mesures et Environnement, Presses des ponts et Chaussées (Paris), 1997

Göpel W., Sensors - A Comprehensive Survey, Vol.2: Chemical and Biochemical Sensors, VCH Weinheim (Basel), 1991

Moseley P.T., Tofield B.C., Solid State Gas Sensors, IOP Publishing (London), 1987

Zdanevitch I & al., Temperature dependence of gas sensitivities on a catalytic thin film, Sensors and Actuators B, 13-14 (1993), pp 679-681.

Hubin M, Debrie R, Valleton JM., Biocapteurs à quartz piézoélectrique, CAPTEURS 89, PARIS, juin 1989, pp 35-43