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

Principe de détection Piégeage de charges (ions…) sur la couche chimiquement sensible, variation du

potentiel électrochimique de l'électrolyte 0 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

électrolyte

Grille

P type silicon substrate

Source Drain

0+

Source Drain

substrat silicium type P

SiO2

Si3N4

3

Le microcapteur pH-ISFET

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

Détection potentiométrique: variation de la tension de seuil du transistor en fonction du potentiel électrochimique 0 de la solution

VT* = VT - 0 ≈ 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

électrolyte

Grille

substrat silicium type Psubstrat silicium

Source DrainIDS

VDS

VGS0

+

Source Drain

substrat silicium

SiO2

Si3N4

+

+

4

Filière technologique de pH-ISFETs

Microcapteur pH-ISFET

1cm 1cm

Microcapteur ISFET/ReFET

1cm

Microcapteur pH-ISFET/ReMOS

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

sont requis pour visionner cette image.

1cm

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

sont requis pour visionner cette image.

5

Développement des interfaces de mesureheating/stirring

systempumpcharacterisation chamber

(ionosensitive electrodes andChemFETs microsensors)

control system (PC)massflowdistribution system

6

3 4 5 6 7 8 9 10-1,65

-1,60

-1,55

-1,50

-1,45

-1,40

-1,35

-1,30

-1,25

S = 57 mV/pH

expérience fit linéaire

tens

ion

de s

ortie

(V

)

pH

Mesure du pH

0 10 20 30 40 50 60 70-1,65

-1,60

-1,55

-1,50

-1,45

-1,40

-1,35

-1,30

-1,25

pH

tens

ion

de s

ortie

(V

)

temps (min)

3

4

5

6

7

8

9

10électrode pHpH ISFET

Ids = 200 µAVds = 1 Vélectrode de référence KCl

Caractérisation I(V)

Mesure en temps réel des variations de la tension de seuil du pH-ISFET

7

Intégration des couches chimiquement sensibles

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

motifs en PSX (e ≈ 15 microns)100 µm100 µm

motifs en PVA (e ≈ 1 micron)

8

Détection d'activités bactériennes

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/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 20 40 60 80 100 120 140800 850 900 950

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1,00

Vg/

Vg0

temps (min)

Test sorbitol

Test glucose

9

Application à la biochimie

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

réaction enzymatique

N N

P

H+/OH-

SiO2

Si3N4PVA

10

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]

Application à l’hémodialyse

PVA /enzyme

EnFET pH-ISFET

SsD SsD

G

654321

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

tens

ion

(V) s ≈ 35 mV/pCreatinine

s ≈ 95 mV/pUrée

pC

11

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

Transfert industriel en cours (société HEMODIA)

Grille

urée-EnFET

pH-ISFET

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

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+

…

Source Drain

silicon substrate

SiO2

Si3N4PSX

In+

14

Détection d'ions en solution

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]

PSX +ionophore

ISFET

Détection de l'ionammonium NH4

+

15

Présentation des microélectrodes chimiques

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

électrolyte

Grille

substrat silicium type Psubstrat silicium

Source DrainV

substrat

substrat silicium

SiO2

Si3N4

I

+

électrolyte

substrat silicium type Psubstrat silicium

Source Drainsubstrat silicium

SiO2

V+

I SiO2

16

Technologie des microélectrodes chimiques

Structure conductricemétal(Au)/électrolyte/métal(Au)

Structure capacitive métal/électrolyte/isolant(SiO2/Si3N4)/silicium

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 Montage amplificateur pour ChemFEC

17

Caractérisation des microélectrodes chimiques

Développement des techniques de caractérisation

Voltampérométrie cyclique Spectroscopie d'impédance

Modélisation électrique Interface solide/liquide: circuit de

Randels (type RLC)

Voltammogramme I(V)

-3,E-04

-2,E-04

-1,E-04

0,E+00

1,E-04

2,E-04

3,E-04

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

p(KNO3) = 1

p(KCl) = 1

I(A)

V

Diagrammes de Nyquist

-1.E+08

0.E+00

1.E+08

2.E+08

3.E+08

4.E+08

5.E+08

6.E+08

7.E+08

0.0E+00 2.0E+08 4.0E+08 6.0E+08 8.0E+08 1.0E+09 1.2E+09

experimentaltheoritical

IM(ohm)

Re(ohm)

Microélectrodes or/PSX/électrolyte/or

18

Application à la détection biologique

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'impédance0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

GR parasité

GR sain

couche sensible

blanccellule parasitée

cellule saine

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

sont requis pour visionner cette image.

Micro-électrodes en orsur substrat pyrex

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