Chapitre 4. Étude expérimentale de la géométrie du capteur
H. Détection SPR de micro-billes piégées par électro-osmose
1. Réponse du capteur en fonction de la concentration
Les paragraphes précédents montrent que la diélectrophorèse négative est un outil efficace pour concentrer des bactéries sur des zones délimitées et faciliter leur détection par SPR. Or les simulations réalisées au chapitre précédent ainsi que les expériences avec des micro-billes fluorescentes dans le Chapitre 4.C montrent que pour des objets d’une taille de l’ordre du micromètre, l’électro-osmose en courant alternatif peut aussi contribuer à leur concentration sur des électrodes.
Hors saturation de la réponse d’un capteur à résonance de plasmon de surface, le signal mesuré est proportionnel à la densité d’objets en surface du film métallique, et donc à la concentration en analytes dans le milieu étudié. Dans ses travaux de thèse, Quentin Avenas a montré cette relation de proportionnalité pour le cas d’électrodes coplanaires. Il s’agit donc de vérifier si cette hypothèse est toujours valable dans le cas d’électrodes face-à-face. La Figure 4-14 montre le signal SPR mesuré sur une électrode après injection de billes de polystyrène de diamètre 1 µm (Polyscience) puis activation du transport de masse par diélectrophorèse et électroosmose sur des électrodes face-à- face.
Figure 4-13 : Variation de réflectivité sur une électrode (en rouge) et sur une zone de référence (en noir).
93 Cette expérience a été réalisée sur des électrodes face-à-face, dans le cadre des travaux de Master de Oleh Andreiev [139]. Elle a été menée sur le banc optique à prisme numéro 2, avec le système électrique et fluidique présenté en Figure 4-10. Une solution d’eau contenant des microbilles de diamètre 1 µm est préparée à une concentration C de 9.108 billes/mL, puis 3 dilutions sont faites, en divisant la concentration initiale par
2, 4, puis 200. La fréquence du champ électrique utilisé est de 1 kHz et la tension de 10 Vpp. La taille des électrodes est de 100 µm. Pour éviter les effets indésirables d’accroche
non spécifique qui pourraient perturber les mesures, les solutions sont testées par ordre croissant de concentration. Pour évaluer les effets de la concentration en billes sur la réponse du capteur, nous avons ajusté les paramètres A et τ d’un modèle de cinétique d’accroche de type :
∆n(t) = A(1 − e−t⁄τ) Équation 4-2
La modélisation des courbes obtenues en Figure 4-14 a été faite sur la partie où la tension est appliquée sur les électrodes. Les courbes modélisées obtenues pour chaque concentration sont représentées en Figure 4-15A.
Figure 4-14 : Signal SPR mesuré sur une électrode dans la configuration race-à-face, pour différentes concentration de micro-billes de polystyrène dans de l’eau DI. Le signal de référence correspond au signal mesuré avec de l’eau seulement, et application d’un champ électrique. C = 9.108 billes/mL
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Figure 4-15A : Données et modèles de cinétiques du signal SPR mesuré sur une électrode pour différentes concentrations de billes lors de l’application d’un champ électrique. B : valeur du plateau atteinte dans la sous-figure A, pour les différentes concentrations testées. C : constante de temps du signal des courbes de la sous-figure A, pour les différentes concentrations testées.
Deux effets de la concentration en billes peuvent être observés. Le premier, attendu, est l’augmentation proportionnelle du signal SPR mesuré en fonction de la concentration en billes de la solution injectée dans la cellule fluidique. Pour chaque concentration, le signal augmente, jusqu’à atteindre un plateau qui correspond à la valeur A dans l’Équation 4-2. Les valeurs obtenues pour ces paramètres sont représentées en Figure 4-15B et suivent un régime linéaire. Le deuxième effet d’une augmentation de la concentration en analyte est une augmentation de la cinétique du régime transitoire : le plateau est d’autant plus vite atteint que la concentration est élevée. Ceci se traduit par une diminution de la constante de temps τ en fonction de la concentration, représentée en Figure 4-15C. Des mesures complémentaires seraient nécessaires pour confirmer la reproductibilité de ces expériences et obtenir des barres d’erreur sur les Figure 4-15B et Figure 4-15C, en particulier pour la concentration a plus faible (C/200).
2. Influence de l’espacement inter-électrodes
Dans le chapitre précédent consacré à la simulation numérique des effets électrocinétiques sur des particules, nous avons évoqué l’influence de l’espacement inter-électrodes sur le signal SPR mesuré lors de piégeage d’analytes. Dans ce paragraphe, la configuration d’électrodes face-à-face représentée en Figure 4-1B est choisie. Les électrodes, de largeur 100 µm, sont espacées de 100, 200 et 400 µm. Après injection d’une solution composée d’eau DI et de micro-billes de diamètre 3 µm, une
95 tension de 1,5 Vpp et de 1 kHz est appliquée entre les électrodes d’or et la contre-
électrode d’ITO. Le signal SPR correspondant à chaque espacement inter-électrodes est représenté en Figure 4-16. Plus les électrodes sont espacées, plus la concentration en micro-billes atteinte à la surface de celles-ci est importante. Cela signifie que l’espacement inter-électrodes correspondant à la largeur du volume de capture n’a pas été atteint. Dans ce cas précis, il est donc supérieur à 400 µm.
Figure 4-16A : Image en microscopie de micro-billes de 3 µm de diamètre piégées sur des électrodes face-à-face. Images prises à t = 1 min après application de la tension. B : Vatiation de réflectivité observée sur des électrodes de largeur 100 µm pour différents espacements inter- électrodes. A t=40 secondes, une solution contenant des billes de latex de 3 µm est injectée. A t=100 s, un signal sinusoïdal de fréquence 1 kHz et d'intensité 1.5 Vpp est appliqué.
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I. Conclusion
Dans ce chapitre, le piégeage et le brassage de micro-billes de polystyrène respectivement par diélectrophorèse et par électro-osmose ont permis de détecter ces objets avec plus d’efficacité qu’un capteur classique. Lorsque le champ électrique est appliqué, l’arrivée des billes sur les électrodes peut être visualisée grâce à une forte augmentation du signal SPR, jusqu’à atteindre un plateau lorsque toutes les billes disponibles ont été piégées. La cinétique de capture de particules dépend de la géométrie de capteur (en particulier l’espacement entre les électrodes), mais aussi de la concentration à laquelle les cibles sont injectées. Nous avons ensuite démontré l’efficacité du transport de masse actif pour la détection d’objets biologiques, des cellules HEK293 dans un premier temps. En adaptant la forme des électrodes, il est ainsi possible de piéger plusieurs cellules sur une zone du film d’or puis de les détecter par SPR. Dans le chapitre suivant, nous allons étendre les protocoles développés ici à la détection de cellules bactériennes en suspension dans de l’eau, pour nous rapprocher des applications prioritairement visées à terme.