Exemples de projets

Microspectrométrie

Ce projet vise à concevoir un spectromètre intégré sur puce CMOS capable de détecter jusqu’à 4 longueurs d’onde simultanément pour la biodétection à base de fluorescence. Le projet combine l’expertise en microfabrication de biocapteurs du LN2, l’expertise en conception de circuits CMOS embarqués de l’INL, avec les méthodes de fabrication HV-CMOS de Teledyne DALSA Semiconductors.

Les systèmes existants de mesures biochimiques miniaturisés (biocapteurs, lab-on-a-chip) fonctionnent le plus souvent à base de microfluidique et de fluorescence, en repérant une biomolécule d’intérêt à l’aide d’un marqueur fluorescent dans un fluide biologique comme le sang par exemple. La majorité des systèmes existants sont capables de mesurer la présence d’un seul marqueur fluorescent à la fois. Cependant, bon nombre de phénomènes physiologiques impliquent plusieurs biomolécules actives et le suivi en temps réel des proportions relatives de celles-ci est un outil diagnostique puissant.

La technologie CMOS haut-voltage (HV-CMOS) de Teledyne DALSA permet de fabriquer des photodétecteurs à 4 jonctions enterrées, appelés buried quad-junction (BQJ) photodetector. Les biocapteurs à base de BQJ issus de ce projet sont ainsi capables de mesurer la présence de plusieurs fluorophores simultanément (jusqu’à 4).

Biocapteurs plasmoniques sur puce

Ce projet vise à concevoir des biocapteurs sur puce à base de plasmonique et d’optique intégrée. Un premier volet propose d’allier l’expertise en biodétection à base de résonance des plasmons de surface (SPR) au LN2, l’expertise en photonique intégrée à base de structures résonantes de l’INSA de Lyon et de l’École Centrale de Lyon, avec les technologies de fabrication sur SOI de STMicroelectronics pour réaliser un biocapteur génomique sur SOI. Un deuxième volet propose d’allier l’expertise en biodétection à base de SPR au LN2 avec l’expertise en photonique intégrée à base de guides d’ondes à échange d’ions sur verre de l’IMEP-LaHC pour réaliser un biocapteur génomique sur verre.

Les systèmes de mesures biochimiques miniaturisés (biocapteurs, lab-on-a-chip) sont reconnus comme étant la base technologique des dispositifs de prochaine génération dans de nombreux champs d’application : diagnostic médical rapide, médecine personnalisée, analyse environnementale, et industrie pharmaceutique. Une des conditions essentielles pour l’acceptation de ces technologies est leur disponibilité à faible coût, en particulier par la production de masse chez les fabricants de semiconducteurs.

Parmi les matériaux les plus prometteurs pour la microfabrication en photonique intégrée, on retrouve le silicon-on-insulator ou SOI (Fig. 1) et le verre (Fig. 2). Cependant, des avancées importantes encore restent à faire pour améliorer la sensibilité et la plage dynamique de mesure de biodétection. Dans le cas du SOI, l’intégration de ces dispositifs à l’électronique de contrôle sur puce CMOS pleinement intégrables à une ligne de production industrielle pose d’importants défis. Le volet sur SOI en démarrage (01/2014)

Microscopie SPR des cellules biologiques

Ce projet vise à développer un microscope plasmonique à haute résolution pour l’étude du comportement des cellules biologiques vivantes. Celles-ci sont normalement étudiées à l’aide de microscopie à fluorescence où les structures d’intérêt sont marquées à l’aide de molécules fluorescentes. Cependant, ce type d’imagerie « fonctionnelle » doit idéalement être combiné à l’imagerie « anatomique » sans marquage qui permet de bien situer les structures marquées dans le volume imagé. La plasmonique permet l’imagerie sans marquage avec une très haute sensibilité. Cependant, sa mise en œuvre pour l’imagerie à résolution submicronique pose des défis scientifiques et technologiques importants. De plus, l’intégration des deux modalités d’imagerie dans un même instrument (plasmonique et fluorescence : SPEF) est en soi un défi important, maitrisée par seulement quelques équipes dans le monde, plaçant le LN2 en position de tête dans ce domaine.

NanoBioPlasmonique

Ce projet vise à étudier les possibilités ouvertes par le couplage de plasmons propagatifs et localisés et l'impact dans le domaine des biocapteurs d'interactions de surface.

Ces travaux ont été menés au LCF, où M. Canva (LN2/LCF) assure la direction de plusieurs thèses. Ils s'adossent au projet ANR PIRANEX dont M. Canva est coordinateur (notons que l'INL et Jean-Pierre Cloarec ainsi que l'IEF et Bernard Bartenlian sont également impliqués comme respectivement partenaires et coordinateurs locaux). Seuls les points faisant l'objet d'interactions fortes et croissantes avec le LN2 sont bien entendus ici mentionnés. Sur ces points des étudiants doctorants et post-doctorants du LN2 sont amenés à se rendre au LCF et l'inverse est d'ores et déjà programmé.

Microcalorimétrie

La majorité des biocapteurs pour mesurer les interactions biomoléculaires misent sur un principe de liaison ligand-récepteur (cible/sonde). Cependant, certaines réactions biomoléculaires ne peuvent être pleinement caractérisées de cette façon : c’est le cas des changements de conformation des protéines par exemple. En effet, la réactivité chimique et les propriétés fonctionnelles de ces macromolécules sont grandement influencées par leur conformation (la « forme » de la molécule). Or, un changement de conformation induit un changement d’état thermodynamique de la molécule, lequel est accompagné par une absorption ou un dégagement local de chaleur. L’équipe travaille sur la conception d’un système miniaturisé sur puce pour la mesure du changement d’état thermodynamique de molécules en surface ou en microvolume.

Biocapteur photo-électrochimique pour la détection rapide de bactéries dans l'eau

Les méthodes traditionnelles de détection des bactéries sont basées dans le laboratoire, elles prennent beaucoup de temps et sont onéreuses. Ainsi, elles ne sont pas aptes à protéger efficacement le public contre de telles menaces. Nous développons une technologie photoélectrochimique de détection de microorganismes dans l'eau qui dépend de semi-conducteurs à effet photoélectrochimique (SPEC) induit dans les hétérostructures GaAs/AlGaAs.

Deux architectures principales étudiées pour l'immobilisation des bactéries reposent sur les anticorps d'Escherichia coli et Legionella pneumophila. L'attachement de ces anticorps à la surface de GaAs est obtenu avec les monocouches autoassemblées (SAM) de thiols et neutravidine qui assurent une liaison commode entre les thiols biotinylés et les anticorps biotinylés. Les alcanethiols SAM jouent également un rôle important en fournissant une protection contre la décomposition rapide (corrosion) des hétérostructures GaAs/AlGaAs, entourés par l'environnement de bactéries (eau ou solution de tampon phosphate salin). C'est la photoluminescence (PL) des hétérostructures GaAs/AlGaAs que nous employons présentement pour le monitoring photoniques de bactéries capturées par les anticorps, bien que les modèles des points quantiques de III-V (QD) pourraient également servir à cette demande en raison de la forte sensibilité du PL QD à la présence des molécules chargées électriquement (comme les bactéries) immobilisées dans le voisinage de la surface des QD. La recherche fondamentale sousjacente de ce projet concerne: 1) une étude des mécanismes de formation de SAM sur GaAs, 2) une étude de biofonctionnalisation de GaAs (001) pour une augmentation de la capture de bactéries, 3) une élaboration d'un modèle de photo-corrosion de GaAs en présence d'une charge électrique immobilisée de molécules dans le voisinage de la surface de GaAs.

Biocapteur à ondes acoustiques de volume en GaAs (001)

La détection de pathogènes est cruciale afin de prévenir les risques sanitaires liés, par exemple, à la présence de bactéries dans les systèmes de distribution d’eau. Ces pathogènes sont la plupart du temps présents en très faible concentration et l’enjeu et du projet est d’élaborer un outil capable d’émettre un diagnostic rapide et sur site, des eaux potentiellement contaminées. Parmi les différentes techniques de transduction employées pour la détection sans marquage, les dispositifs résonants à ondes acoustiques sont, du fait de leur bonne sensibilité et de leurs perspectives de réalisation à bas coût, particulièrement adaptés. Le capteur est constitué d’une membrane résonante en Arséniure de Gallium dont l’excitation acoustique est assurée par les propriétés piézoélectriques du matériau. Le matériau retenu est l’Arséniure de Gallium qui se présente comme une alternative très intéressante au quartz pour cette application, car il propose des solutions d’intégration, de multiplexage, de bio-fonctionnalisation et de régénération plus intéressantes. La reconnaissance biologique est quant à elle accomplie par l’immobilisation de biorécepteurs immunologiques par l’intermédiaire d’une monocouche mixte d’alkanethiols auto-assemblée (SAM) sur GaAs. Les axes principaux de recherches du projet sont : (1) la caractérisation et optimisation de la biofonctionnalisation du GaAs notamment par l’utilisation de SAM à architecture mixte (2) la conception de fines membranes résonantes par gravure sèche ou gravure humide et leurs caractérisation électrique et (3) la détection de bactéries en milieu complexe par mesure de masse.

Intégration multimodale de capteurs/actuateurs SAW sur puce

Depuis 2008, l’équipe LN2 et ses partenaires (LN2, UJF, IEMN) travaillent à intégrer différentes modalités d’actuation et de détection à base d’ondes acoustiques de surface (surface acoustic waves, SAW) sur puce. De côté de l’actuation, les SAW sont utilisées pour le mélange efficace des réactifs dans un système microfluidique. Le mélange de réactifs est un des défis les plus importants pour les systèmes fluidiques miniaturisés comme les laboratoires sur puce et les biocapteurs où le flux est typiquement laminaire. Un mélange efficace permet non seulement d’accélérer la réaction (Fig.1) mais surtout de révéler directement la cinétique d’attachement biomoléculaire en s’affranchissant de la composante cinétique liée au transport de masse (mass-transport limited kinetics). Relativement aux technologies de mélange microfluidique existantes, un des grands avantages des systèmes à base de SAW est d’effectuer le mélange directement à la surface du capteur, là où se trouve la couche limite qui freine la cinétique de réaction cible/sonde. Du côté des capteurs, les SAW sont utilisées pour mesurer les propriétés viscoélastiques des couches biologiques en surface, notamment pour estimer leur contenu en eau.