Grandeurs associées aux biocapteurs

La caractéristique spécifique associée aux biocapteurs est l’utilisation du couple trans- ducteur - biorécepteur pour la détection du biomarqueur d’intérêt présenté en Figure 1.2. En effet, afin d’assurer la spécificité du capteur pour un biomarqueur spécifique parmi tous les analytes, le transducteur composant le biocapteur est recouvert de "biorécepteurs". Le transducteur du biocapteur assure donc la transformation du signal physique alors que les biorécepteurs assurent la reconnaissance biologique du biomarqueur d’intérêt plongé dans une matrice complexe d’analytes divers.

Pour ces biocapteurs, plusieurs grandeurs sont particulièrement investiguées. En effet, nous verrons en partie 1.4.2 que trois des principaux critères de performance des biocap- teurs sont la faible limite de détection, la bonne sélectivité et la mesure en temps réel, qui sont présentés ici. Ces critères de performance reposent sur l’optimisation des différentes grandeurs associées aux capteurs qui vont être détaillées après : augmentation de la sen- sibilité, réduction des bruits de mesure, temps de réponse...

Transducteur optique Traitement du signal Perturbations : - thermiques - autres analytes Quantité de biomarqueurs mesurée Signal optique d'entrée Biocapteur Signal optique exploitable Matrice biologique complexe Biorécepteur Biomarqueur d'intérêt

Figure 1.2 – Schéma du principe de fonctionnement d’un biocapteur, avec un biomar- queur d’intérêt dans une matrice biologique comme mesurande.

Les caractéristiques générales d’un capteur permettent d’identifier son champ d’appli- cation et de le comparer aux autres, elles peuvent varier suivant son utilisation, mais un ensemble de définitions générales ont été établies dans un objectif de normalisation. Ces

définitions peuvent être trouvées dans la référence [2] et sont rappelées ci-dessous dans le cas particulier des biocapteurs qui seront étudiés dans cette thèse.

1.1.2.1 Courbe de calibration

Afin d’étudier la capacité d’un capteur à détecter un mesurande, on réalise une courbe de calibration qui permet d’établir la relation Valeur Mesurée=f(Mesurande) présentée en Figure 1.3.a). Pour cela, on observe la relation entre la valeur réelle du mesurande et la valeur mesurée par le capteur dans lequel est placé le transducteur à caractériser. Plusieurs caractéristiques peuvent être extraites de la courbe de calibration :

Mesurande

Valeur mesurée

Plage de li

néar

ité

Sensibilité=d (Valeur Mesurée)_{d (Mesurande)} Plage de Mesure

3σ

a)

b)

Figure 1.3 – a) Illustration de la courbe de calibration d’un capteur. b) Estimation des erreurs de mesures .

— Linéarité

La courbe de calibration peut présenter des non-linéarités importantes. La présence d’un intervalle pseudo-linéaire (Figure 1.3.a)) ou la linéarisation de la courbe de calibration permet de faciliter l’utilisation du capteur. En effet, les zones de linéa- rité permettent de définir simplement les notions de sensibilité et de résolution.

1.1. MESURANDES ET MESURES DANS LE SECTEUR DE LA SANTÉ — Sensibilité

La sensibilité correspond au rapport entre la variation du signal mesuré et la va- riation de la valeur du mesurande (Figure 1.3.a)). Elle correspond à la pente d’une courbe de calibration "pseudo-linéaire". Dans le cas d’une courbe de calibration non-linéaire, on peut définir des plages de sensibilité sur des intervalles de valeurs du mesurande.

Dans le cas des biocapteurs pour lesquels le mesurande est une quantité d’analytes à détecter, la sensibilité correspondra à la variation du signal optique par rapport à la variation de la quantité d’analytes à mesurer. Les unités associées à ces varia- tions seront détaillées en partie 1.4.2.

— Plage de mesure

La plage de mesure (Figure 1.3.a)) correspond à l’intervalle entre la plus petite valeur et la plus grande valeur du mesurande qui peuvent être mesurées par le capteur.

Dans le cas des biocapteurs, on s’intéresse à la plage de concentration d’analytes mesurable.

— Bruits de mesure

Les bruits de mesure sont les perturbations physiques qui agissent sur le signal dans le capteur. Ils sont à l’origine d’une partie des erreurs de mesure. Afin de quantifier l’effet des bruits de mesure sur le signal mesuré, une mesure de référence sans mesurande est effectuée en répétant plusieurs fois la mesure (Figure 1.3.b)) et permet d’évaluer l’écart type du signal σ qui caractérise l’amplitude des bruits de mesure.

Dans le cas des biocapteurs optiques, on retrouve un ensemble de bruits courants comme les bruits thermiques ou les bruits d’intensité du signal d’entrée. Mais on peut aussi observer des bruits de mesure liés aux perturbations induites par le manque de spécificité du biocapteur dont la réponse est perturbée par d’autres molécules que l’analyte à détecter qui sont aussi présentes dans l’échantillon de test. Les bruits de mesure des capteurs optiques intégrés et leurs effets sur les per- formances du capteur seront présentés en Chapitre 2.

— Erreurs de mesure

L’erreur correspond à la différence entre la valeur mesurée et la valeur réelle du mesurande. Les erreurs peuvent provenir du capteur (par exemple la résolution) ou être liées aux bruits de mesure. Afin de les comprendre, de les réduire (en modi- fiant le capteur ou le transducteur) ou de les corriger par traitement du signal, les erreurs peuvent être classées en fonction de la nature des perturbations qui sont à leur origine ou de l’effet de la perturbation sur la mesure. On peut par exemple différencier les erreurs systématiques liées à une erreur d’étalonnage du capteur, des bruits aléatoires qui sont liés à des processus stochastiques (bruits thermiques, mécaniques).

— Résolution et limite de détection

La résolution correspond au plus petit incrément de valeur de mesurande qui peut être détecté. La résolution est liée aux bruits et à la sensibilité du capteur. La limite de détection (présentée en Figure 1.3.a)) correspond à la plus petite valeur de mesurande détectable. Dans le cas d’une relation linéaire entre mesurande et valeur mesurée, la résolution et la limite de détection sont identiques.

Pour une courbe de calibration linéaire, la limite de détection (LD) est définie avec l’écart type moyen σ de la valeur mesurée sans mesurande (Figure 1.3.b)) et la

sensibilité (Figure 1.3.a)) comme [3] :

LD = 3σ

Sensibilité (1.1)

Pour un biocapteur, la LD est donc la plus petite quantité d’analytes mesurable. — Sélectivité

La sélectivité d’un capteur est sa capacité à détecter un mesurande parmi d’autres perturbations extérieures. La notion de sélectivité devient prépondérante lorsque les caractéristiques des mesurandes permettent difficilement de les distinguer des bruits de mesure.

Dans le cas des biocapteurs, la sélectivité correspond à la capacité à détecter un analyte particulier dans un échantillon biologique dans lequel se trouve une quan- tité élevée d’analytes de différents types. Cette problématique est présentée en partie 1.3 et l’obtention de la sélectivité des biocapteurs optiques sera expliquée en partie 1.4.1.

1.1.2.2 Répétition des mesures

— Exactitude

L’exactitude du capteur correspond à l’accord entre la valeur mesurée par le cap- teur et la valeur réelle du mesurande. La précision d’un capteur peut être évaluée en utilisant un mesurande de référence dont la valeur est connue ou un capteur de précision supérieure.

— Précision

La précision correspond à la répétabilité des mesures avec le même mesurande et sous les mêmes conditions expérimentales. Elle peut être quantifiée à l’aide de l’écart type σ (Figure 1.3.b)).

— Répétabilité

La répétabilité est la capacité du capteur à donner la même mesure d’un mesurande donné, en étant utilisé dans un même laboratoire et avec un même opérateur. La

1.2. UTILISATION DES BIOCAPTEURS DANS LE SECTEUR DE LA SANTÉ