Introduction sur les méthodes de transduction mécanique

Les méthodes de transduction mécanique sont principalement basées sur la génération

et la détection d’ondes mécaniques ou acoustiques. Comme une onde acoustique se propage

au travers ou à la surface d’un matériau, un changement au niveau de la zone de passage de

l’onde propagée affectera sa vitesse et/ou son amplitude. Les variations de la vitesse de

l’onde, induites par une augmentation ou une diminution de masse typiquement, peuvent être

suivies par la mesure de spectres en fréquence et corrélées à l’information correspondant à la

reconnaissance biologique recherchée.

La plupart des transducteurs à ondes acoustiques utilisent un matériau piézoélectrique

pour la génération et la propagation de l’onde. Depuis la découverte de la piézoélectricité par

les frères Curie en 1880, l’intérêt pour ce phénomène physique n’a cessé de croitre. Un des

avantages principal de la piézoélectricité provient de la réversibilité du phénomène [99]. En

effet, l’effet direct traduit la génération de charges électriques lors de l’application d’une

contrainte au matériau alors que l’effet inverse concerne la déformation mécanique du

matériau lorsqu’un champ électrique y est imposé. Ainsi, les transducteurs mécaniques

piézoélectriques se réfèrent à la génération d’un champ électrique oscillant pour créer l’onde

acoustique, déformant le matériau, et dont la propagation est mesurée par la conversion des

charges générées, dues à la déformation, en un champ électrique. Plusieurs types de matériaux

piézoélectriques peuvent être utilisés pour les transducteurs à onde acoustique. Parmi eux, les

plus communs sont le quartz, le tantalate de lithium (LiTaO3) et plus récemment, le zirconate

titanate de plomb (PZT). Le choix du matériau dépend essentiellement du coût, de sa

dépendance en température, de la direction de l’onde générée, son atténuation et sa vitesse de

propagation [100].

Les transducteurs à onde acoustique sont classifiés selon le mode de propagation de

l’onde au travers ou en surface du matériau piézoélectrique. Si les ondes se propagent dans le

substrat, elles sont appelées ondes « bulk » (e.g. dans le volume). Les transducteurs les plus

communs utilisant de principe de fonctionnement sont les résonateurs « thickness shear

mode » (TSM) et les transducteurs « shear-horizontal acoustic plate mode » (SH-APM). Si au

contraire, les ondes se propagent en surface du matériau, ce sont des ondes de surface. Les

transducteurs couramment utilisés sont les résonateurs à onde acoustique de surface (SAW) et

les ondes acoustiques de surface à cisaillement horizontal (SH-SAW). Le mode de

propagation affecte de manière drastique les performances du transducteur et influe sur sa

fabrication. Le tableau 1.2 présente la direction du mouvement des grains piézoélectriques

selon le type de transduction acoustique ainsi que les gammes typiques de fréquence

d’utilisation.

Tableau 1.2 : Caractéristiques des ondes générées par différents transducteurs acoustiques.

Parmi les quatre catégories d’ondes acoustiques définies, les résonateurs TSM sont de

loin les plus populaires dans les biocapteurs, et sont mieux connus sous le nom de

microbalance à quartz (QCM). Ce capteur de masse, tant au niveau physique qu’applicatif,

sera approfondi dans la section suivante (I.3.4.2). Sa popularité provient essentiellement de sa

simplicité de fabrication, sa stabilité en température, sa sensibilité massique et sa

compatibilité avec les mesures en milieu liquide. En effet, l’ensemble des transducteurs à

onde acoustique fonctionnent en phase gazeuse ou sous vide, mais seule une sous-catégorie

peut encore être utilisée en milieu liquide. Dans le cas des résonateurs TSM, mais aussi

SH-APM et SH-SAW, les ondes générées se propagent principalement selon un mouvement de

cisaillement horizontal, comme le montre la figue 1.20a pour les SH-SAW. Ainsi, les pertes

d’énergie dues au mouvement lors du contact avec un fluide sont faibles, permettant leur

utilisation en milieu liquide sans un amortissement excessif. Au contraire, comme indiqué sur

la figure 1.20b, les SAW induisent un déplacement normal à la surface, provoquant une

compression des ondes dans un fluide, causant leur fort amortissement. Cependant, ce mode

de propagation confine l’énergie de manière optimale, puisqu’il n’y a pas de pertes

énergétiques dans le substrat, faisant des transducteurs SAW les plus sensibles aux variations

de masse, par rapport aux autres transducteurs acoustiques présentés dans cette section.

Figure 1.20 : Principe de la transduction acoustique pour : a) les SH-SAW et b) les SAW.

Les transducteurs à onde acoustique étant principalement des capteurs de masse, cela

leur confère un aspect générique dans leur utilisation en tant que biocapteurs et ils sont

adaptés au couplage avec les biorécepteurs d’affinités. Pour les raisons évoquées

précédemment, les seules applications de transducteurs SAW se font en phase gazeuse,

limitant les possibilités de transduction de reconnaissance biologique. Des études sur la

reconnaissance spécifique de petites molécules telles que l’uranine (un dérivé du FITC) ont pu

être achevées en phase gazeuse grâce à des biorécepteurs d’affinité anti-FITC [101]. Après

l’immobilisation en phase liquide des anticorps dans la zone de propagation des ondes, une

solution aqueuse d’analyte uranine est injectée en faisant barboter de l’azote dans la solution.

Le suivi temps-réel de la fréquence de résonance a permis la détection d’analyte à une

concentration de 1 nM, montrant la sensibilité du transducteur. La spécificité de la

reconnaissance a été démontrée par injection de fluor alexa, où aucun changement de

fréquence n’a pu être observé. L’utilisation d’un tel protocole, peu commun et peu stable en

termes de dénaturation des biorécepteurs, correspond néanmoins à la démonstration de la

possibilité de transduction sensible par des ondes acoustiques de surface d’une reconnaissance

biologique. Un cas particulier de transduction par SH-SAW a servi à la détection

d’immunoglobulines G en phase liquide [102]. L’ajout d’un guide d’onde aux structures a

permis de générer des ondes Lowe [103]. Grâce au guide d’onde, les ondes Lowe générées

présentent l’avantage de limiter les pertes d’énergie dans le substrat. La surface du guide

d’ondes a été fonctionnalisée par un empilement composé d’une couche lipidique biotinylée

supportée, de streptavidine et d’anticorps de mouton biotynilés comme biorécepteurs. Le

biocapteur ainsi réalisé a détecté spécifiquement et en temps-réel l’analyte anticorps

anti-mouton dans une gamme de concentration de 30 nM jusqu’à 3 µM.

Malgré les possibilités d’utilisation des ondes acoustiques de surface comme

transduction de la reconnaissance biologique, leur sensibilité aux perturbations extérieures

limite leurs capacités. Au contraire, le succès de la transduction par TSM, grâce aux

microbalances à quartz, en fait, comme la résonance plasmonique de surface, un outil de

référence pour la détection sans marquage de biomolécules.

I.3.4.2 La microbalance à quartz avec suivi de la dissipation (QCM-D)