Recherche EA4131 - Laboratoire de conception de capteurs chimiques et biologiques

Une recherche technologique destinée à répondre aux nouveaux défis en matière d'analyse et de contrôle

Dans un contexte oà les enjeux de société, les enjeux économiques et normatifs dans des domaines comme la santé, la sécurité et l'environnement, représentent un défi pour la recherche, «la physico chimie analytique» représente un maillon essentiel pour l'évaluation et le contrôle des substances chimiques et biologiques.  

Le rapport sur les travaux menés en 2008 et 2009 dans le cadre de l'expertise collective du CNRS et l'atelier de réflexion prospective de l'ANRS sur REACH spécifie clairement les défis pour les chercheurs en matière d'analyse et de contrôle :

  • Pouvoir identifier une espèce moléculaire dans des milieux complexes
  • Abaisser les limites de quantification (traces et ultra traces)
  • Augmenter la spécificité de l'analyse
  • Augmenter la productivité du système analytique pour quantifier le plus grand nombre de produits dans la même analyse
  • Evoluer vers les micro(nano)systèmes
  • Evoluer vers des techniques mixtes «bio» et «chimiques»  

Les projets de recherche du Laboratoire de Conception de Capteurs Chimiques et Biologiques LC3B, s'inscrivent dans ce contexte. Créé en tant que jeune équipe (JE 2405) en 2004 et devenu équipe associée EA 4131 en 2007, LC3B  déploie sa recherche autour de la conception, du développement et de la réalisation de nouvelles générations de capteurs chimiques et de biocapteurs répondant à ces nouvelles exigences en terme d'évaluation et de contrôle des substances chimiques et biologiques.

Une équipe pluridisciplinaire

 

Une organisation de l'équipe autour de trois thématiques étroitement liées

 La qualité d'un capteur et la pertinence des données qu'il génère dépendent essentiellement i) du niveau de sélectivité vis-à-vis de la (macro) molécule cible contenue dans la matrice à analyser ainsi que du seuil de détection associé, ii) du processus de détection de ladite molécule qui peut-être plus ou moins simple, rapide et adapté au besoin.  

La prise en compte de l'interdépendance entre les deux éléments que constituent le mode de reconnaissance et sa spécificité ainsi que le mode de transduction de l'information qui lui est associé, représente pour notre équipe, un élément clef de la stratégie de conception d'un capteur adapté à ces nouveaux besoins.

 

 DEUX PRINCIPAUX AXES DE RECHERCHE

CAPTEURS  ELECTROCHIMIQUES A « MEMOIRE DE FORME »

CAPTEURS GRAVIMETRIQUES A ONDES ACOUSTIQUE DE SURFACE (SAW) 

Autre étape de fabrication du capteur

 

 

Etape de fabrication du capteur

Capteurs électrochimiques à « mémoire de forme »

Des capteurs hautement spécifiques existent déjà dans la littérature, mais ils concernent le plus souvent des macromolécules cibles (ADN, protéines...) possédant de nombreux sites de reconnaissance (d'ancrage).  Contrairement aux macromolécules, les petites molécules organiques cibles, du fait du nombre relativement réduit de leurs fonctionnalités, interagissent peu sélectivement avec des molécules sondes. Par ailleurs, les constantes thermodynamiques d'association impliquées entre petites molécules cibles et molécules sondes demeurent relativement peu élevées. De ce fait, la détection de telles petites molécules cibles est particulièrement difficile et constitue un défi à relever du fait de la faible sélectivité et de la sensibilité réduite des détecteurs actuellement connus

Le laboratoire LC3B s'est récemment spécialisé dans la conception et le développement de polymères conducteurs doués de propriétés de reconnaissance spécifique de petites molécules cibles.

L'équipe met à profit ses compétences sur les polymères conducteurs (Garnier F. et al. Sensors and Actuators B, 2007, 123, 13-20) et celles plus récentes sur les polymères à empreintes moléculaires (Molecularly Imprinted Polymers, MIP) pour concevoir des couches minces à base de polymères conducteurs à empreintes moléculaires ou, plus exactement à «mémoire de forme» permettant la reconnaissance sélective de petites molécules par un capteur électrochimique. De manière originale, le polymère conducteur possède simultanément des propriétés d'empreinte moléculaire et de conduction électrique.

Un capteur reconnaissant sélectivement et en temps réel l'atrazine, un herbicide appartenant à la famille des composés triaziniques, a récemment été développé. Ce capteur possède, un seuil de détection très faible (< 10-9 mol.L-1) et présente une très large gamme de fonctionnement puisqu'il permet la détection de l'atrazine à des concentrations comprises entre 10-9 et 1.7à10-2 mol.L-1 (Molecularly imprinted conducting polymer based electrochemical sensor for detection of atrazine, E. Pardieu, et al. Analytica Chimica Acta, 649, 2009, 236-245).

Capteurs gravimétriques à ondes acoustiques de surface

Les capteurs biologiques et chimiques sont des dispositifs qui associent une couche sensible fonctionnalisée, interagissant spécifiquement avec un analyte, et un transducteur qui traduit la reconnaissance bio (ou chimio)- moléculaire en un signal physique mesurable.

Parmi les différents types de capteurs à lecture directe " label free ", notre choix s'est porté sur les capteurs gravimétriques à ondes acoustique de surface pour leur faible limite de détection et leur grande sensibilité.

Ces capteurs, que nous avons réalisés à la Centrale Technologique Universitaire d'Orsay, ont une géométrie de type ligne à retard. Ils sont réalisés sur un substrat piézoélectrique en tantalate de lithium, pour un fonctionnement à une fréquence caractéristique de l'ordre de 104 MHz. La zone centrale (zone sensible du capteur) a été métallisée pour s'affranchir des effets de la conductivité et de la force ionique, et pour assurer un meilleur accrochage des couches spécifiques.

capteur

Représentation schématique d'un capteur à ondes acoustiques de surface (de type ligne à retard). La périodicité des peignes l et la distance centre à centre d sont respectivement égales à 40 µm et 9,2 mm.

Les différentes électroniques de conditionnement des capteurs ainsi que les logiciels de commande et d'acquisition dédiés, ont été développés en interne selon trois configurations complémentaires : double oscillateur, montage implusionnel et mesures à l'aide d'un analyseur de réseaux.

Nous avons pu démonter la grande potentialité des capteurs gravimétriques à ondes acoustiques de surface à travers plusieurs applications :

- Détection d'ions plomb en solution, - Suivi de l'immobilisation et de l'hybridation d'ADN, - Reconnaissance spécifique anticorps-antigènes, - Suivi de l'extraction et du piégeage de l'atrazine par son MIP correspondant.