Chapitre 2 : Microondes et capteurs chimiques basés sur les microondes
2.2. Les capteurs chimiques basés sur les microondes
2.2.2. Biocapteurs basés sur les microondes
2.2.2.4. Biocapteurs basés sur un circuit accordable
Les travaux de L.Y. Zhang et al. portent sur l’utilisation d’un circuit RLC dans le cadre de
la discrimination des cancers colorectaux selon leur stade d’avancement [ZHA14]. Effectivement,
il n’existe pas à l’heure actuelle d’outil précis permettant d’évaluer le stade de la tumeur. L’objectif
de ces travaux est de mettre à profit les différences de propriétés diélectriques observées entre des
cellules saines et des cellules cancéreuses. Ces dernières diffèrent des cellules saines de par leur
teneur en eau, leurs concentrations en ions, la forme du noyau, etc. Ces différences sont également
observées entre deux cellules cancéreuses selon le stade d’avancement du cancer.
La variation du signal microondes suivi dans cette étude est due aux variations de capacités
induites par la présence de cellules entre les doigts d’un circuit interdigité (Figure 2.29).
Figure 2.29 Description de la capacité interdigitée de Zhang et al., et schéma équivalent associé [ZHA14].
Cette variation de capacité imputable aux cellules peut être évaluée en mesurant avec
précision la fréquence de résonance du capteur, avec et sans les cellules analysées. De cette valeur
de variation est ensuite déduite la partie réelle de la permittivité de la cellule.
L’utilisation d’un capteur actif est ici mise à profit pour décrire l’évolution de la cette partie
réelle de la permittivité en fonction de la fréquence. Effectivement, la valeur de permittivité relative
est calculée à la fréquence de résonance du capteur, et celle-ci peut être ajustée via l’utilisation d’un
élément comme une diode, limitant le nombre de capteurs nécessaires à une étude large bande.
Il a été constaté une discrimination des cellules selon leur valeur de constante diélectrique
(Figure 2.30). Par conséquent, le capteur utilisé est bel et bien apte à discriminer des cellules selon
leurs propriétés diélectriques. De plus, il semble que cette discrimination permet également de
classer les cellules selon leur grade (qui correspond à l’agressivité du cancer), même si les dispersions
entre cellules d’un même grade ne sont pas encore totalement expliquées.
En conclusion, les biocapteurs se rapprochent des capteurs de gaz puisqu’ils tirent profit
d’une interaction entre un analyte et un matériau sensible. Toutefois, les enjeux de ces deux
thématiques sont très différents. Les capteurs de gaz visent la sélectivité dans le sens où ils
cherchent à discriminer différentes molécules entre elles. Dans le cas des biocapteurs, la sélectivité
est généralement présente de fait, puisque le matériau sensible peut prendre la forme d’un anticorps
ou d’un antigène spécifique à l’analyte ciblé. Comme le montre les travaux de Zhang et al., les
discriminations recherchées sont plus poussées, et concernent par exemple la discrimination de
cellules de même type en fonction de l’état d’avancement d’une pathologie de type cancer. Enfin,
l’objectif des biocapteurs relève davantage du gain de temps et de coût, par rapport aux capteurs
de gaz qui ont principalement une vocation de suivi en temps réel de polluants. L’enjeu est par
exemple d’obtenir un biocapteur exempt de faux négatifs, afin de pouvoir utiliser les biocapteurs
comme un premier dépistage, n’exonérant pas l’utilisation d’un test en laboratoire plus poussé en
cas de résultat positif.
Tableau 2.4 Publications portant sur l'utilisation de biocapteurs basés sur les microondes.
Réf. Année Design Cible Matériau sensible Quantitatif Gamme Type de réponse
BAB10 2010 Microwave probe tip Glucose - Oui g/l S11 variation d'amplitude
BAS14 2014 Dielectric resonator Hémoglobine - Oui g/l S21 décalage en fréquence
S21 variation de facteur de qualité
CHE09 2009 Coplanar transmission line Immunoglobuline G α-biotine
Protéine A B-BSA
Oui mg/l Variation du temps de transit CHE14 2014 Etched coplanar waveguide
transmission line
Cellule cancéreuse HepG2 - Oui cells/µm S21 variation d'amplitude Coefficient d'atténuation CHI07 2007 Coplanarlow-pass filter Immunoglobuline G Nanoparticules d'or Oui mg/l S21 variation de bande passante
CHO15 2015 Double split-ring resonator Glucose - Oui mM/L S21 décalage en fréquence
CIS12 2012 Coplanar band gap resonator ssDNA dsDNA
Au-decorated CNT Non - S21 décalage en fréquence S21 variation d'amplitude
DUB13 2013 Coplanar interdigital capacitor Cellule lymphome B - Non - S11 variation d'amplitude
S21 variation d'amplitude
ELS13 2013 Planar disk resonator Entero virus - Oui ? S11 décalage en fréquence
S11 variation d'amplitude
FOK15 2015 Interdigital electrodes Albumine - Oui g/l S11 variation d'amplitude
GRE10 2010 Coplanar waveguide transmission line
Cellules endothéliales humaines
- - - S21 décalage en fréquence
S21 variation d'amplitude JI16 2016 Ground-signal-ground electrode Glucose
Albumine
- Oui mM S11 variation d'amplitude S11 décalage en fréquence KIM06 2006 Coplanar waveguide transmission
line
Glucose oxidase Benzocyclobutène Poly dimethyldiallyl ammonium chloride
Non - S21 variation d'amplitude S21 décalage en phase
Réf. Année Design Cible Matériau sensible Quantitatif Gamme Type de réponse KIM08a 2008 Coplanar waveguide-to-slot line
ring resonator
Streptavidine-FITC Biotine-HPDP
- Non - S21 décalage en fréquence KIM08b 2008 Interdigital capacitor Biotine-avidine APTMS-treated BCB Non - S11 variation d'amplitude
S11 décalage en fréquence
KIM13 2013 Planarresonator Streptavidine
cDNA
Thiol-linked biotin Thiol-linked ssDNA
Oui µg/l S11 décalage en fréquence
KIM15 2015 Interdigital capacitor Glucose - Oui g/l S11 décalage en fréquence
S11 variation d'amplitude LEE08b 2008 Interdigital capacitor Biotine-streptavidine Carbon nanotube Non - S21 décalage en fréquence
S21 variation d'amplitude LEE09 2009 Microstrip coupled double
split-ring resonator
cDNA ssDNA Non - S21 décalage en fréquence
S21 variation d'amplitude LEE10 2010 Microstrip coupled double
split-ring resonator
cDNA ssDNA Non - S21 décalage en fréquence
S21 variation d'amplitude LEE11a 2011 Microstrip coupled split-ring
resonator
Antigène spécifique prostate
Anticorps spécifique Oui µg/l S21 décalage en fréquence S21 variation d'amplitude LEE12 2012 Microstrip coupled dual-split-ring
resonator
Antigène spécifique prostate
Corstisol
Anticorps spécifique Oui µg/l S21 décalage en fréquence
LEE13 2013 Microstrip coupled split-ring resonator
Cortisol α-amylase
Anticorps spécifique Oui µg/l S21 décalage en fréquence S21 variation d'amplitude LOH05 2005 Nanometer gap sensor Elastase
Thrombine
ARN aptamère Non - Variation d'amplitude
Réf. Année Design Cible Matériau sensible Quantitatif Gamme Type de réponse NIK09 2009 Microwave transmission line
resonator
Microsphère de Polystyrène
Saccharomyces cerevisiae Cellules ovaires de hamster
- Non - Variation de capacité
PAR14a 2014 Ground-signal-ground electrode Glucose - Oui mM S21 variation d'amplitude
RYD16a 2016 Interdigital capacitor LPS bactérien T4 bacteriophage gp37 adhésine
Non µM S11 variation d'amplitude S21 variation d'amplitude
SAL14 2014 Interdigital capacitor Streptavidine Protéine A Non - S11 décalage en fréquence
S11 variation d'amplitude SAR08 2008 Interdigitialcapacitor Protéine C-réactive Anticorps spécifique Oui µg/l Variation de capacité
SHA09 2009 Microwave resonator Ethanol
Méthanol Propanol Glycérine Huile Benzène - Oui (glucose) % S21 décalage en fréquence S21 variation de facteur de qualité
YAN12 2012 Coplanar waveguide transmission line
tDNA Acide thioglycolique Nanoparticules d'or Nanoparticules magnetiques
Oui pM S21 décalage en fréquence