Capteurs chimiques et biologiques à base de nanofils

L’utilisation de nanofils semi-conducteurs comme capteurs de détection de substances chimiques ou biologiques (électriquement chargées) est un domaine très attractif. Du fait de leur rapport surface/volume élevé, ces capteurs à base de nanofils présentent potentiellement un intérêt en termes de sensibilité. Le fonctionnement de tels capteurs est basé principalement sur le changement de la conductance du transistor lors de l’absorption des espèces à détecter sur le nanofil. En général, les nanofils doivent être fonctionnalisés pour avoir une interaction efficace avec les substances à analyser (sélectivité) [81].

Des capteurs chimiques ou biologiques peuvent ainsi être réalisés pour différentes applications.

2.2.1. Mesure de pH

Des nanofils de Si synthétisés par le mécanisme VLS ont été utilisés dans des dispositifs pour la mesure de variation de pH. Dans ce cas, les nanofils sont recouverts d’une couche d’oxyde et fonctionnalisés par un groupement amine (figure 2.7 – a). En fonction du pH de la solution (pH compris entre 2 et 9), une dépendance approximativement linéaire de la conductance est obtenue (figure 2.7 – b) [82].

Figure 2. 7 : Mesure de pH d’une solution à l’aide d’un capteur à base de nanofils de Si. (a) schéma de principe montrant l’utilisation d’un transistor à base de nanofils en tant que capteur de pH. Les nanofils sont fonctionnalisés en surface par des liaisons covalentes avec des groupements amines. (b) Image MEB du dispositif fabriqué à base d’un nanofil de Si et variation linéaire de la conductance en fonction de pH. [82]

2.2.2. Détection de protéines :

Ce même type d’approche est aussi utilisé pour la détection de protéines électriquement chargées. Un exemple est la détection par interactions de type biotine-streptavidine [82]. Dans ce cas, des molécules de biotine à la surface de nanofils peuvent servir de sites de greffage spécifiques pour les molécules de streptavidine. La variation des charges de surface due aux molécules de streptavidine module la conductance des nanofils. Une gamme de concentration pico-molaire de la streptavidine peut être détectée en utilisant ce type de capteur à base d’un nanofil de Si. [82]

D’autres applications ont été rapportées telles que la détection de bio-marqueurs pour le diagnostic de certaines pathologies (infarctus aigu du myocarde [83] ou l’antigène spécifique de cancer de la prostate [84] et la détection de molécules de dépistage de drogues [85]).

2.2.3. Détection de l’hybridation de brins d’acide désoxyribonucléique (ADN) :

La détection d’acides nucléiques en utilisant des transistors effet de champ à base de nanofils a été rapportée par plusieurs groupes de recherche [86-88]. Les transistors à base de nanofils ont une interface adaptée pour le suivi et la détection de l’hybridation de brins d’ADN complémentaires. Toute hybridation provoque l’apparition d’une charge électrique sur le nanofil, ce qui conduit à un changement de conductance comme le montre la figure suivante (figure 2.8). Ce type de capteur ne nécessite pas de techniques de détection utilisant des marqueurs optiques très couteuses et permet donc une mesure directe et plus rapide.

Figure 2. 8 : Evolution temporelle de la conductance d’un dispositif à base d’un nanofil de Si fonctionnalisé avec des récepteurs PNA (Peptide nucleic acid) lors de l’injection de l’ADN ; (1) solution sans ADN, (2) avec 60 femto-moles de l’ADN et (3) solution sans ADN. La flèche indique le moment où ont été ajoutés 60 femto-moles d’ADN. L'encart montre une image MEB d'un dispositif typique à base d’un nanofil de Si. La barre d’échelle est 1 µm. [87]

2.2.4. Détection de Virus

La détection d’un virus unique (virus A de la grippe) en utilisant des transistors à effet de champ à base de nanofils de Si a été aussi démontrée par Patolsky et al [89]. Dans ce cas le nanofil est fonctionnalisé par des anticorps spécifiques au virus A. Les virus ont été marqués par un tag fluorescent pour les suivre optiquement (figure 2.9 – a). L’accrochage d’un virus unique sur le nanofil induit un changement de conductance et lors du détachement, la conductance retourne à l’état initial (figure 2.9 – b).

(a) (b)

Figure 2. 9 : (a) Position du virus A de la grippe (marqué) suivi optiquement, (b) Changement de conductance du nanofil lors de l’accrochage et le détachement d’un virus unique sur le nanofil. [89]

2.2.5. Capteurs de gaz à base de nanofils

D’autres études ont été rapportées par Favier et al [90] pour fabriquer des nano-capteurs à base de nanofils de Palladium pour la détection de l’hydrogène. Ces capteurs chimiques ont une réponse plus rapide et plus précise, même à température ambiante, que les technologies actuelles de détection de l’hydrogène [90]. D’autres groupes de recherche ont montré la possibilité d’utiliser d’autres capteurs à base de nanofils de Si pour la détection de NH₃ [91, 92] ou le dioxyde d’azote (NO₂) [92, 93].

Par ailleurs, des résistances à base de nanofils de Si utilisées comme capteur de gaz (ammoniac) ont été fabriquées au Département Microélectronique et Microcapteurs de l’IETR. Les nanofils de Si ont été synthétisés par le mécanisme VLS, en utilisant l’or comme catalyseur et le SiH4 comme gaz précurseur. Ces nanofils sont intégrés dans la fabrication de résistances en forme de peignes inter-digités. (figure 2.10) [79, 94].

Figure 2. 10 : Représentation schématique des résistances à base des nanofils de Si synthétisés par le mécanisme VLS ; (a) configuration 3D, (b) Image MEB du dispositif fabriqué à base de nanofils de Si. [94]

Dans le cadre de la thèse de G. Wenga [80] préparée au sein de même département à l’IETR, des résistances à base de nanofils obtenus par la méthode des espaceurs, (suspendus ou non suspendus) ont aussi été testées comme capteurs d’ammoniac.

La réponse de ces deux types de capteurs (Sg – variation relative du courant), est donnée en fonction du temps pour différents flux de NH3 (figure 2.11). Les courbes obtenues montrent une diminution de la réponse avec la diminution du flux de NH3 injecté, due à l’effet réducteur (donneur d’électrons) des molécules d’ammoniac adsorbées en surface des nanofils. Ces capteurs d’ammoniac présentent une réponse sur une grande gamme de détection (comprise entre 0.5 et 700 ppm) [11, 12]

(a) (b)

Figure 2. 11 : Variation de la réponse du capteur à base de nanofils de Si (espaceurs), (diamètre 100 nm et longueur 10 µm) : (a) Non suspendus, (b) Suspendus en fonction du temps pour différentes concentrations de NH3 [80].