Détection en microsystème/biocapteurs

Comme mentionné au paragraphe 2, pour que les nanoparticules magnétiques génèrent un champ ou induction magnétique, un champ magnétique d’excitation ܪሬሬԦ௘௫௧ ^{ou une induction}

magnétique d’excitationܤ^{ሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ est nécessaire. Sachant qu’en général un capteur magnétique} _௘௫௧ possède un axe sensible, il existe deux configurations possibles pour la détection de la réponse magnétique en fonction de l’axe du champ d’excitation (ou induction) appliqué aux nanoparticules magnétiques par rapport à l’axe sensible du capteur. La première configuration est parallèle à l’axe sensible du capteur magnétique, la seconde est perpendiculaire comme représentée sur la figure 1. 17.

Figure 1. 17 : Configuration de l’induction magnétique d’excitation par rapport à l’axe sensible du capteur selon les axes (a) parallèle et (b) perpendiculaire.

La configuration de la figure 1. 17(b) présente l’avantage d’éviter la saturation du capteur magnétique (si une induction magnétique d’excitation élevée est appliquée, de l’ordre du milliTesla, pour optimiser la réponse magnétique des nanoparticules). Elle autorise alors une plus grande dynamique de mesure. Pour cette raison, la plupart des configurations de mesure se base sur la configuration perpendiculaire [123, 124]. Dans un système à trois dimensions, deux configurations perpendiculaires sont possibles. L’induction magnétique créée en un point donné de l’espace par un moment magnétique est donnée par :

30 où r est la distance séparant le capteur magnétique des nanoparticules magnétiques. Par conséquent, l’allure de la réponse magnétique attendue suivant l’axe sensible du capteur (ici selon l’axe x) diffère en fonction du sens de l’excitation magnétique tel que représenté sur la

figure 1. 18.

Figure 1. 18 : Présentation (a) des deux configurations possibles d’excitation magnétique sur les axes z ou y, perpendiculaires à l’axe sensible du capteur x, (b) réponse magnétique attendue pour une excitation sur l’axe z et (c) réponse magnétique attendue pour une excitation sur l’axe y.

Ces deux configurations perpendiculaires sont trouvées dans la littérature pour la détection de nanoparticules magnétiques, S. Ge, X. Shi pour la configuration de la figure 1. 18(b) [125] et M. Denoual [126] et C. Marquina [127] pour la configuration de la figure 1. 18(c).

Comme discuté brièvement ici et dans la partie précédente 3.2.2, pour la détection de l’induction magnétique générée par les nanoparticules magnétiques, une multitude de capteurs magnétiques ont été utilisés tels que : un capteur à magnétorésistance géante (GMR) [128], un fluxgate [118], un SQUID [125, 129], et un capteur à effet Hall [130]. Selon que les nanoparticules magnétiques sont immobiles ou en mouvement, et en fonction de la miniaturisation du dispositif, certains capteurs sont préférés. En effet, des systèmes miniaturisés sur puce dit On-Chip [131] sont de plus en plus courants pour la réalisation de biocapteurs. Ils permettent la détection jusqu’à une bille ou bead de nanoparticule (nanoparticules magnétiques autour d’une bille en polystyrène) ou la détection dans un système microfluidique [132]. Le critère de choix de ces capteurs est leur facilité d’intégration et des capteurs comme les GMR [133], les spin-valves [134], les capteurs à effet Hall miniaturisés [135] ou les capteurs à magnéto-impédance géante (MIG) pour la détection en microfluidique [126, 136, 137, 138, 139] répondent à cette attente.

Le tableau 1. 8 synthétise l’état de l’art concernant la détection dans des microsystèmes et présente les capteurs utilisés et leur sensibilité en termes de nombres de particules détectées [140].

Chapitre 1 : Les nanoparticules magnétiques, leur détection et applications

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Tableau 1. 8 : Exemple de capteurs utilisés dans des microsystèmes pour la détection de

nanoparticules magnétiques ou de billes de nanoparticules.

Type de capteur Dimension du capteur (µm) Taille des particules Nombre de particules détectées Reconnaissance de molécule ^Références Spin valve 2 x 6 2 µm 0.5-1.5 µm 1 µm 250 nm 100 nm 50 nm 1 10 100 1000 Oui Non Non Oui Non Non [140, 141, 142]. [141] [141] [140, 143, 142] [141] [141] Spin valve ^{1 x 2.5} 3 x 12 2.8 µm 11 nm 1 > 1000 Non Non [144] [144] AMR ^{5 de} diamètre ^{4.5 µm 1 Non [145]} Hall 2.4 x 2.4 2.8 µm 1 Non [146] GMR (spirale) 70 de diamètre ^{2.8 µm 200 Oui [147]} GMR (bande) ^{5 x 80 2.8 µm 1 Oui [148, 149]} GMR ^{200 de} diamètre ^{2.8 µm 10 Oui [150]}

Le tableau 1. 8 montre que principalement, avec des microsystèmes aussi intégrés, il est possible de détecter jusqu’à une seule bille de nanoparticules magnétiques [145, 148]. Grâce à ces microsystèmes, au seuil de sensibilité atteint et aux méthodes décrites dans toute la partie 3.2, de plus en plus d’applications utilisant toutes ces techniques (séparation magnétique, magnétorelaxométrie, etc) voient le jour, principalement pour le diagnostic et l’analyse. Le schéma de la figure 1. 19 ci-dessous montre un exemple concret et complet de ces méthodes. Il s’agit de la détection de cellules tumorales circulantes (CTCs) [151, 152].

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Figure 1. 19 : Exemple d’application des méthodes explicitées. La détection de cellules tumorales circulantes [151, 152].

Lorsqu’une personne est atteinte d’une tumeur, elle sécrète ce qu’on appelle des cellules tumorales circulantes (CTCs). Grâce à la détection de ces CTCs en utilisant des nanoparticules magnétiques [152], il est possible de diagnostiquer les prémisses d’un cancer. Même si les méthodes décrites dans cette partie sont réalisées ex-vivo, les nanoparticules magnétiques peuvent être injectées in-vivo afin de cibler la molécule recherchée, sachant qu’un dosage maximum de 40 µmol/l doit être respecté pour un usage dans le corps humain [153]. Par la suite, avec une prise de sang, la séparation de l’entité recherchée, ici des CTCs, est réalisée avec la séparation magnétique [108] grâce à un aimant, lequel va également être utilisé pour le piégeage et l’accumulation des nanoparticules. En effet, elles sont très diluées dans le sang. Une fois qu’une concentration suffisante pour la détection a été atteinte, le diagnostic est réalisé à l’aide d’une méthode par magnétorelaxométrie ou susceptibilité AC par exemple.

4 Conclusion

Cette synthèse bibliographique permet d’évaluer les avancées dans le cadre d’applications utilisant des nanoparticules magnétiques et de positionner les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit. Les travaux de cette thèse se sont orientés vers deux principaux axes impliquant l’utilisation des nanoparticules magnétiques dans le domaine biomédical. La détection de nanoparticules dans des microsystèmes (cf. chapitre 2) et l’imagerie magnétique utilisant les nanoparticules magnétiques (cf. chapitre 3). Le chapitre 2 concerne les performances de détection dans des microsystèmes microfluidiques, et plus particulièrement, une modélisation conséquente de cette problématique. Des calculs analytiques supportent cette analyse et permettent d’optimiser et de décrire au mieux le seuil de détection. Quant au chapitre 3, il décrit une nouvelle méthode d’imagerie utilisant les nanoparticules magnétiques en comparaison à l’imagerie MPI très étudiée à l’heure actuelle. Pour cette nouvelle mise en œuvre, une modélisation complète du système permet d’une part d’anticiper et de comprendre les résultats expérimentaux et d’autre part d’envisager et de simuler les pistes d’optimisation.