Voie électro-chimique en phase liquide

Analyse électrochimique en microvolumes

Les recherches de l'équipe MICA concernent le développement des microtechnologies "Silicium" en vue de l'intégration des principes de mesure électrochimique en phase liquide. Ils visent à étudier de nouveaux phénomènes de détection/transduction afin de se confronter à l'analyse d'échantillons liquides ou assimilables ainsi qu'à l'étude des métabolismes cellulaires. Deux axes de recherche sont à mettre en avant.

Intégration des principes de détection/transduction potentiométrique - développement de la filière technologique ChemFET

Le transistor chimique à effet de champ ChemFET (chemical field effect transistor) est l’adaptation d’un des composants phares de la microélectronique, le transistor à effet de champ MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) à la détection en phase liquide. A ce titre, il est totalement compatible avec les technologies "Silicium" et permet d’intégrer de manière fonctionnelle les principes de détection/transduction potentiométrique. Il est plus particulièrement adapté à la détection en solution d’espèces électriquement chargées tels que les ions, et par inférence à la mesure du pH et aux applications associées. Il a d’ores et déjà permis la réalisation industrielle d’électrodes pH dites "tout solide" mais les efforts de recherche doivent être poursuivies afin d’améliorer la fiabilité de la filière technologique "ChemFET", d’optimiser les propriétés de détection, d’aller plus loin dans l’intégration et d’étendre les applications de détection à de nouvelles espèces chimiques, biochimiques et/ou biologiques.

Au cours des années passées, les travaux de recherche du LAAS associés à la filière technologique ChemFET ont ainsi été confrontés à différentes problématiques d'intégration: intégration de couches de passivation à l'échelle du substrat, intégration au sein de microstructures fluidiques, intégration de couches (bio)chimiquement sensibles, étude de microélectrodes de référence ou de polarisation électrochimique intégrées,... Ils ont été effectués au travers de différents projets dans le cadre d'applications liées au médical et à l'environnement.

► 2000-2010: étude des transistors enzymatiques à effet de champ EnFET (enzymatic field effect transistor) pour la détection biochimique – application à la détection de l'urée pour le diagnostic de l'hémodialyse rénale (projet MICROMEDIA en collaboration avec la société HEMODIA)
► 2001-2005: étude des transistors ionosensibles ISFET (ion-sensitive field effect transistor) pour l'analyse de la qualité de l'eau – application à la détection des ions ammonium NH4+ (projet européen SEWING en collaboration avec la société MICROSENS et les universités de Varsovie et de Barcelone)
► 2001-2010: intégration des techniques de pH-métrie pour l’analyse bactérienne en microvolumes – applications aux antibiogrammes et au diagnostic des maladies métaboliques (projet ITAV NUTRIPUCE en collaboration avec le laboratoire LNPTM et la société PHYSIOGENEX, projet MICROCUVE en collaboration avec le laboratoire CEDIBIO et la société ELITECH)
► 2009-2013: étude des transistors ionosensibles ISFET (ion-sensitive field effect transistor) pour la détection des ions sodium Na+ - application su suivi de la nattrémie dans la sueur (projet ANR SWEAT en collaboration avec laboratoire CRSSA, le CEA-LETI et les sociétés HEMODIA et Pierre Fabre Dermocosmétique)
► 2009-2013: couplage à la micro-échelle des principes de détection/transduction ampérométrique et potentiométrique: le microdispositif ElecFET (electrochemical field effect transistor) - applications à la détection de l'eau oxygénée H2O2 et des espèces biochimiques telles que le glucose et l'acide lactique (projet ANR SWEAT en collaboration avec laboratoire CRSSA, le CEA-LETI et les sociétés HEMODIA et Pierre Fabre Dermocosmétique)
► 2010-2013: Adaptation de la technologie ChemFET et développement de réseaux de microdispositifs MISFET (metal-insulator-semiconductor field effect transistor) en vue de l'organisation de réseaux neuronaux et de la détection de potentiels d'action (collaboration: Institut de la vision)

Les études en cours concernent le développement de la technologie ChemFET en vue du suivi du cycle de l'azote dans le cadre d'applications agronomiques (2014-2018: projet FUI INNOPERF BLE en collaboration avec le laboratoire AGIR-INRA et les sociétés AGRONUTRITION et SIREA). Les travaux concernent ainsi la réalisation de microcapteurs ISFET (ion-sensitive field effect transistor) tout solide pour l'analyse des sols et plus particulièrement la détection des ions nitrates NO3- et ammonium NH4+. Leur objectif final est associé à l'optimisation des apports en biofertilisants phytosanitaires dans le cadre de la culture du blé dur.

Intégration des principes de détection/transduction ampérométrique - développement de la filière technologique ElecCell

Les électrochimistes ont d’ores et déjà développé des électrodes, microélectrodes et autres ultra-microélectrodes afin de pouvoir utiliser au mieux les principes de détection/transduction ampérométrique pour l’analyse en phase liquide. Néanmoins, les efforts de miniaturisation se sont la plupart du temps limités à la seule électrode de travail. Un travail conséquent de recherche doit ainsi être porté sur la réalisation de microcellules électrochimiques permettant l’intégration fonctionnelle des microélectrodes de travail, auxiliaire et de référence. Cela concerne plus particulièrement le développement et l’optimisation de la filière technologique ElecCell (Electrochemical microCell) (Pt – Pt – Ag/AgCl) en vue de la détection d’espèces chimiques biochimiques et/ou biologiques en solution.

A l'instar de la filière ChemFET, les travaux de recherche au LAAS associés à la filière technologique ElecCell sont dédiés à différentes problématiques d'intégration: intégration sur substrats rigides (silicium, verre) et flexibles (PET), intégration de couches de passivation à l'échelle du substrat, intégration au sein de microstructures fluidiques, intégration de couches électrochimiquement actives,... Ils ont été effectués au travers de différents projets dans le cadre d'applications liées à au médical et à l'environnement.

► 2007-2013: étude des microcellules électrochimiques ElecCell (electrochemical microcell) pour la détection de molécules anti-oxydantes – applications à l'analyse du stress oxydant en phase liquide et à la surface de la peau (projet MICASSO en collaboration avec les laboratoires LGC et LBR, et la société Pierre Fabre Dermocosmétique)
► 2009-2013: étude des microcellules électrochimiques ElecCell (electrochemical microcell) pour l'analyse environnementale in-situ – application à la détection des silicates Si(OH)4 en milieux marins (projet RTRA STAE en collaboration avec les laboratoires LEGOS et LGC)

Les études en cours concernent le développement de la filière technologique ElecCell en vue de l'analyse de métabolismes cellulaires.

Tout d'abord en collaboration avec le laboratoire ISM dans le cadre du projet ANR NANOMITO (2012-2015), la filière technologique ElecCell (Pt – Pt – Ag) a été développée en vue de l'analyse de cultures mitochondriales via l'étude de la respiration et de la production d'espèces réactives oxydantes ROS (reactive oxygen specy). Le principal but est ici d'intégrer un microsystème multi-capteur pour la détection électrochimique simultanée de différentes molécules caractéristiques du fonctionnement mitochondrial (O2, H2O2,...). Afin d'être capable de détecter des concentrations nanomolaires, il a été nécessaire de réaliser une microélectrode de travail en réseau afin d'améliorer le rapport signal sur bruit ainsi que de développer un procédé de fonctionnalisation à base de noir de platine poreux (Bl-Pt) afin d'augmenter la surface électrochimiquement active. Les résultats obtenus à ce jour démontrent la faisabilité du suivi métabolique de cultures mitochondriales. Ainsi, les travaux se poursuivent actuellement en vue de compréhension des métabolismes mitochondriaux liés à la production de ROS et finalement à l'apoptose cellulaire. A l'avenir, nous souhaitons enfin nous confronter à l'analyse de la mitochondrie unique via le développement de nanocellules électrochimiques (Pt – Pt – Ag/AgCl). Une collaboration a ainsi été établie avec le CRCT afin d'appliquer ces travaux à la compréhension des mécanismes de résistance cellulaire aux chimiothérapies.

Développement de la filière technologique ElecCell pour le suivi de cultures mitochondriales

En parallèle, en collaboration avec l'UQAM (université du Québec à Montréal – Canada) et dans le cadre du projet ANR DOLFIN (2014-2017), la filière technologique ElecCell (Pt – Pt – Ag) a été développée en vue de l'analyse de cultures d'algues pour les applications environnementales. Le but principal est ici d'étudier les métabolismes algaux tels que la respiration, la production d'espèces acido-basiques ou oxydantes, et finalement la photosynthèse, ceci afin de détecter la présence d'herbicides en solution. Cette application a nécessité de développer des microélectrodes de travail à base d'oxyde d'iridium IrO2 ou de tungstène WO3 pour la mesure du pH, d'adapter la technologie ElecCell à des substrats en verre afin d'être transparent à la lumière, et de l'intégrer au sein de microstructures fluidiques afin de gérer l'analyse d'échantillons liquides. Ainsi, au travers de la réalisation d'un microlaboratoire sur verre, le suivi des métabolismes respiratoires et photosynthétiques de cultures d'algues a été démontré et a été appliqué à la détection d'herbicides tels que le Diuron. A l'avenir, nous souhaitons proposer le couplage des principes de détection électrochimique et optique pour le suivi de cultures algues. Cela se fera via la co-intégration des technologies de microcellules électrochimiques ElecCell et de diodes électroluminescentes organiques OLED (organic light-emitting diodes), ceci afin d'étudier simultanément la photosynthèse et la biofluorescence d'algues.

Principales publications scientifiques:

• - A. Tsopela, et al.: "Integrated electrochemical biosensor based on algal metabolism for water toxicity analysis", Biosensors and Bioelectronics, 61 (2014) 290-297
• - S. Ben Amor et al.: "Enhanced detection of hydrogen peroxide with platinized microelectrode arrays for analyses of mitochondria activities", Electrochimica Acta, 126 (2014) 171-178
• - E. Vanhove et al.: "Final capping passivation layers for long-life microsensors in real fluids", Sensors and Actuators, B178 (2013) 350-358
• - A. Cazalé et al.: "Study of field effect transistors for the sodium ion detection using fluoropolysiloxane-based sensitive layers", Sensors and Actuators, B177 (2013) 515-521
• - C. Christophe et al.: "Elaboration of integrated microelectrodes for the detection of antioxidant species", Sensors and Actuators, B177 (2013) 350-356
• - A.K. Diallo et al.: "Development of pH-based ElecFET biosensors for lactate ion detection", Biosensors and Bioelectronics, 40 (2013) 291-296
• - W. Sant et al.: "On-line monitoring of urea using enzymatic field effect transistors", Sensors and Actuators, B160 (2011) 59-64
• - F. Sekli Belaidi et al.: "Voltammetric microsensor using PEDOT modified gold electrode for the simultaneous assay of ascorbic and uric acids", Journal of Electroanalytical Chemistry, 647 (2010) 159-168
• - M.L. Pourciel Gouzy et al.: "pH-ChemFET-based analysis devices for the bacterial activity monitoring", Sensors and Actuators, B134 (2008) 339-344
• - I. Humenuyk et al.: "Development of pNH4-ISFET microsensors for water analysis", Microelectronics Journal, 37 (2006) 475-479

Dernières participations en conférences internationales:

• - Biosensors 2014 (Melbourne - Australie)
• - ISE 2014 (Nanjing -Chine)
• - ISE 2013 (Santiago de Queretaro - Mexique)
• - Transducers 2013 (Barcelone - Espagne)
• - Biosensors 2012 (Cancun - Mexique)
• - ISE 2012 (Perth - Australie)

Personnel concerné:

S. Assié (ingénieur IDEA), M. Joly (doctorant), A. Laborde (ingénieur TEAM), P. Lacroix (ingénieur IDEA), A. Lale (doctorant), J. Launay (maître de conférences), G. Lemercier (doctorant), L. Mazenq (ingénieur TEAM), P. Temple-Boyer (directeur de recherche), I. Séguy (chargé de recherche), F. Sékli Belaïdi (post-doctorant), A. Tsopéla (doctorant)