La détection de masse en milieu fluidique : deux approches

Dans le cadre de mes travaux, je me suis intéressée à la détection de masse en milieu fluidique. Des solutions MEMS/NEMS adaptées à un environnement liquide ont déjà été développées et décrites dans la littérature. Nous poursuivons notre étude avec l’analyse de ces solutions, leurs

Fréquence G a in Facteur de qualité 𝑄 = 𝑓/Δ𝑓−𝑑𝐵 Résolution en masse 𝑑𝑚 = 𝑚𝑒𝑓𝑓/(𝑄 ∙ 𝑆𝑁𝑅) Δ𝑓 MEMS Changement de masse

Déformation statique ou Variations de la fréquence de résonance

Structure seule Masse ajoutée

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spécificités, leurs atouts ainsi que leurs lacunes. Ainsi, dans les sections qui suivent, nous allons détailler les méthodes de mesure exploitées, les challenges liés à celles-ci, et poursuivre avec des exemples concrets d’utilisation en milieu liquide pour la détection et la caractérisation de particules. Un état de l’art a été proposé par l’équipe de Montserrat Calleja [63] (Institut Microélectronique de Madrid) permettant de dresser un éventail des solutions BioMEMS/NEMS développées dans la littérature en tant que biocapteurs.

La majorité de ces systèmes correspondent à des poutres encastrées-libres ou encastrées- encastrées sur lesquelles on réalise une adsorption des molécules d’intérêt. On peut distinguer deux types de BioMEMS fluidiques :

o les systèmes dits « statiques » où la mesure du chargement est réalisée via l’étude des déformations et contraintes exercées par les objets biologiques sur le MEMS

o les systèmes dits « dynamiques » où la mesure du de la masse ajoutée est réalisée par suivi de la fréquence de résonance

Ces deux types d’analyses sont brièvement décrits dans les Figure 20 et Figure 21. I.3.6.1. Méthode statique – Détection de la déformation d’une poutre

Lorsque des biomolécules s’adsorbent en surface du système, des changements apparaissent en termes de contraintes de surface, de module d’Young effectif et de comportement viscoélastique.

Figure 21 – Principe des méthodes de mesure de masse ajoutée sur l’exemple d’une poutre encastrée-libre en flexion. (a) Méthode statique = analyse de la déformation et des contraintes de surface. (b) Méthode dynamique = suivi de la fréquence de résonance de la poutre. Image extraite de [63].

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Figure 22 – Représentation schématique (extraite de [63]) de la déformation d'une plaque rectangulaire après l'adsorption

de biomolécules. C'est l'étude de la courbure 𝜅 qui permet de déduire la masse ajoutée sur la structure déformable. Figure

extraite de [63].

La limite technologique en termes de seuil de détection pour un nanocantilever en flexion a été évaluée par l’équipe de M. Calleja à 1 pg.mL-1_{. Cette contrainte ne permet pas de réaliser tous les} examens biologiques visés par les acteurs du domaine de la santé ; par exemple, le diagnostic précoce d’un cancer et l’évitement de la formation de métastases requièrent de détecter la présence de cellules cancéreuses métastatiques le plus tôt possible, alors même que leur concentration est encore très faible dans le fluide biologique analysé.

Des travaux ont ainsi été menés afin de repousser encore cette limite de détection et élargir le panel d’applications pour lesquelles ces MEMS/NEMS sont valides [64]. Par exemple, l’équipe de J. Tamayo a augmenté la masse des analytes par greffage de particules d’or de 10 nm de diamètre, fonctionnalisées à l’aide d’anticorps également adaptés aux molécules d’intérêt, fixées aux biomarqueurs présents en surface du cantilever.

Ces mesures ont été couplées à une détection de type plasmonique. Un signal lumineux est envoyé vers le cantilever ; les surfaces supérieure et inférieure de ce dernier réfléchissent les rayons et les confiner dans le volume de la poutre. La surface supérieure présente un fonctionnement différent lors de la présence d’une nanoparticule d’or, et les variations optiques générées permettent de réaliser la détection de la particule. Une limite de détection de 10-16 _g.mL-1 a été atteinte, soit sept ordres de grandeurs en dessous des tests cliniques usuels. Cette méthode novatrice a permis de repousser encore plus loin les limites de détection en matière de tests immunologiques. Ces mesures sont pour le moment réalisées à sec et nécessitent un long protocole de fonctionnalisation ainsi que la mise en place de deux campagnes de mesures différentes ; elles sont peu adaptées au cas qui nous intéresse, c’est-à-dire la détection de colloïdes ou particules en flux direct.

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Figure 23 – Principe de fonctionnement des cantilevers utilisés pour la détection de biomarqueurs par l’équipe de J.Tamayo [64]. Le cantilever est fonctionnalisé à l’aide d’anticorps spécifiques de la protéine d’intérêt, et on vient greffer des nanoparticules d’or pour augmenter la masse ajoutée due à ces protéines. Lorsque l’on mesure la fréquence de résonance du système, on observe bien un décalage vers des fréquences plus basses lorsque les nanoparticules sont greffées en surface de la poutre.

Figure 24 – Représentation schématique du principe de détection plasmonique et allure des résultats obtenus [64].

I.3.6.2. Méthode dynamique – Suivi de la fréquence de résonance d’un oscillateur

Une autre méthode adaptée à la pesée de biomolécules ou particules consiste à mettre en œuvre des MEMS ou NEMS résonants. La fréquence de résonance de ces structures dépend de leur masse effective et donc de la quantité de colloïdes qui se fixe au système.

Protocole de fonctionnalisation du cantilever

Courbes en transmission obtenues avec ou sans nanoparticules d’or

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On s’intéresse ici plus particulièrement au cas des MEMS résonants, puisque pour réaliser des mesures dynamiques de particules individuelles en flux, cette méthode est plus adaptée. En effet, les techniques de mesure statique nécessitent de fonctionnaliser le cantilever pour y fixer les colloïdes d’intérêt, et sont en outre difficilement adaptables à l’analyse d’objets individuels.