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

lorsque Sauerbrey a démontré en 1959 une relation linéaire entre la variation de masse à la surface du transducteur et la variation de fréquence de résonance [104]. Cette équation, décrite ci-dessous, a été calculée pour un quartz comme matériau piézoélectrique (c’est pour cette raison que ces transducteurs sont appelés microbalance à quartz) :

f n C f nf t m q q f f f =" ! = ! = ! # $ # (1.2)

avec ρf et δf la densité et l’épaisseur du film ajouté à la surface du transducteur. Par

approximations successives, l’équation (1.2) montre une relation directe entre la variation de masse à la surface du transducteur et la variation de fréquence, via la sensibilité massique Cf

et l’harmonique concernée n. Cette sensibilité Cf dépend de l’épaisseur tq et de la densité ρq du

quartz ainsi que sa fréquence de résonance, montrant que c’est un paramètre intrinsèque du transducteur, déterminé par le matériau. Dans le cas des microbalances à quartz, la sensibilité massique a été calculée à Cf = -177 pg/(mm².Hz) pour le mode fondamental (n=1). Les

harmoniques impaires supérieures peuvent aussi être excitées (n = 3, 5, 7…), augmentant la sensibilité du facteur n. Cependant, comme le montre l’équation (1.2), les variations réelles de masse tiennent compte de l’harmonique, ne changeant pas la relation entre la variation de fréquence et la variation de masse. Seule la surface de détection change puisqu’elle diminue lorsque l’harmonique augmente.

D’un point de vue applicatif, comme il a été vu, les transducteurs par ondes acoustiques ont été initialement conçus pour un fonctionnement dans le vide et l’air. Grâce à leur sensibilité, les microbalances à quartz ont ainsi trouvé des applications dans la mesure d’épaisseur de films rigides, tels que des métaux [105]. Par contre, en milieu liquide, l’interface solide-liquide peut changer le comportement de la masse ajoutée, surtout dans le cadre de biocapteurs, et cette influence doit être prise en compte. La propagation des ondes diffère selon les propriétés viscoélastiques de la couche à la surface des électrodes du quartz. Comme le montre la figure 1.21, un modèle viscoélastique, introduit par Voinova et al. [106], traduit le fait que l’onde de cisaillement générée par le quartz se propage et se dissipe dans la couche absorbée.

Figure 1.21 : Modèle viscoélastique proposé par Voinova et al. [106] sur la propagation des ondes générées par un quartz.

Cela permet d’introduire un paramètre complémentaire de la fréquence de résonance, appelé dissipation. L’information donnée par la dissipation est représentative des changements de propriétés telles que la conformation, la rugosité de surface, les charges surfaciques ou encore la contenance en eau de couches adsorbées. L’explication physique vient de l’atténuation du signal généré par le quartz. La figure 1.22 présente deux cas de figures représentatifs. En effet, dans le cas d’un quartz excité à sa fréquence de résonance, la coupure du circuit d’excitation provoque une décroissance des oscillations du cristal. Les charges générées pendant la mesure des oscillations (grâce à l’effet direct piézoélectrique) sont mesurées et la décroissance peut être calculée. Le changement temporel du mouvement du quartz est régi par l’équation (1.3) :

) 2 sin( ) ( ₀ " " ! + = Ae# ft t A fDt _(1.3)

A partir de cette équation, issu de l’extrapolation des mesures, peuvent être déterminées la fréquence de résonance et la dissipation. Ainsi, dans le cas d’un film rigide adsorbé, la décroissance sera lente, se traduisant par une faible dissipation (cas a) de la figure 1.22), alors que dans le cas d’un film « mou », donc fortement dissipatif, la décroissance sera rapide (cas b)). C’est à partir de la mesure des paramètres tels que la fréquence de résonance et le facteur de dissipation que la société Q-Sense a développé un système de microbalance à quartz tout d’abord monocapteur (QCM-D 300) et maintenant multicapteurs (QCM-D E4 avec quatre quartz en parallèle). Le succès de ces appareils provient de la combinaison des deux paramètres donnant des informations d’importance dans la caractérisation de biomolécules en milieu liquide.

Figure 1.22 : Principe de fonctionnement d’une microbalance à quartz avec suivi de la dissipation. a) Cas où le film immobilisé sur le quartz est rigide b) Cas où le film immobilisé

sur le quartz est « mou » (courtoisie de Q-sense).

De part la transduction sans marquage et la mesure de masse sur diverses surfaces, la microbalance à quartz offre des possibilités de détection universelles. Les champs d’application sont donc vastes, allant de la caractérisation de la bioreconnaissance d’un analyte à la découverte de drogues, l’effet de surfactants, la formation de biofilms ou encore la fonctionnalisation de surfaces. Les premières applications de la QCM-D ont concerné la détection d’anticorps par des antigènes adsorbés sur une surface d’or [107] ou d’oxyde de titane (TiO2) [108]. Comme le montre la figure 1.23a), l’adsorption d’albumine sur une

surface de TiO2 se traduit par une diminution de la fréquence de résonance et une faible

augmentation de la dissipation. La fréquence diminue puisque la variation de masse est inversement proportionnelle au changement de fréquence. Lors de l’injection des anticorps anti-albumine, une drastique diminution de la fréquence peut être observée. Or, d’après le

rapport de poids moléculaires entre l’albumine et les anticorps, qui est de 2.27, la variation de fréquence lors de la reconnaissance de l’anticorps ne pourrait être au maximum que 2.27 fois plus élevée que celle due à l’adsorption de l’albumine (en supposant une reconnaissance stoechiométrique anticorps - antigène, ce qui est peu probable étant donnée la bivalence de l’anticorps). Le rapport entre les niveaux de variation de fréquence est en fait de l’ordre de 8. L’explication de cette différence est contenue dans la variation de la dissipation. En effet, lors de l’injection des anticorps, une nette augmentation de la dissipation peut être observée. Cela traduit donc une couche souple formée par les anticorps. Une interprétation possible vient du fait que la couche formée par la reconnaissance contient beaucoup d’eau, la rendant fortement dissipative (comme représenté sur la figure 1.23b)). L’interprétation des résultats obtenus met en évidence le fait que la microbalance à quartz mesure une « masse humide », contrairement à la résonance plasmonique de surface qui mesure une « masse sèche ». L’information contenue dans la dissipation est ainsi capitale dans la validation des mesures de masse obtenues par la fréquence de résonance.

Figure 1.23 : Reconnaissance biologique d’anticorps anti-albumine par l’albumine mesurée à la QCM-D (adapté de [108]). a) Variation de la fréquence de résonance et de la dissipation

lors de l’injection de l’albumine et des anticorps b) Représentation schématique du comportement de l’antigène et des anticorps en termes d’eau absorbée lors de l’expérience.

La complémentarité de la mesure de fréquence de résonance et de dissipation permet aussi de mesurer des variations de propriétés de couches, comme le changement de conformation de protéines. Une application type concerne une protéine synthétisée par la moule (la Mefp-1) pour son accroche sur les rochers, par exemple. Dans les applications marines, la recherche de colles permettant une forte adhérence en milieu liquide et salin est un facteur important. C’est dans cette optique que la compréhension du comportement de cette colle protéique a suscité un intérêt. Des expériences à la QCM-D ont montré tout d’abord la capacité d’adsorption des protéines Mefp-1 sur un quartz Or fonctionnalisé par une SAM [109]. Comme le montre la figure 1.24a), l’accrochage organisé des protéines se traduit par une forte diminution de la fréquence de résonance et une forte augmentation de la dissipation. Comparativement, la variation de masse observée à la QCM-D est dix fois supérieure à celle obtenue par ellipsométrie ou par résonance plasmonique de surface (cf. figure 1.24b)). Comme il a été vu, la nette augmentation de dissipation traduit le fait que les protéines adsorbées contiennent de l’eau, expliquant la différence de niveaux entre la QCM et la SPR. Après rinçage, l’injection de NaIO4 (assimilable au sel de mer) induit une augmentation de la

fréquence de résonance et une diminution de la dissipation. L’interprétation de ces observations ne peut provenir de la désorption des protéines sur la surface, montrant ainsi que l’injection de sel change la conformation des protéines Mefp-1. La perte de la majorité de l’eau traduit leur rétraction, ce qui dans un cas pratique induit l’adhérence des moules et qui a été mis en évidence expérimentalement par les changements de fréquence et de dissipation

observés. Cette application montre le potentiel de la complémentarité des informations données par la mesure de fréquence et de dissipation puisque les expériences similaires effectuées par ellipsométrie et SPR (cf. figure 1.24b)) ne révèlent aucun changement lors de l’exposition de la couche au NaIO4.

Figure 1.24 : adsorption de protéines Mefp-1 mesurée par QCM-D (cas a)), ellipsométrie et SPR (cas b)) et influence du NaIO4 sur le comportement (adapté de [109]).

Les cas précédemment étudiés montrent la variété des champs d’application de la microbalance à quartz avec suivi de la dissipation et le potentiel de cette technique. Il est cependant important de noter que la QCM-D est une méthode de transduction de référence comme la résonance plasmonique de surface, mais ces deux techniques ne doivent pas être vues concurrentes mais plutôt complémentaires. Dans la littérature, les exemples d’études complémentaires prouvent le niveau approfondi des résultats obtenus dans la compréhension de phénomènes pour les biocapteurs. Cependant, même si la SPR offre une très haute sensibilité, le manque d’intégration de l’optique empêche la portabilité. Au contraire, même si l’intégration monocapteur de la QCM est meilleure, la sensibilité est faible pour la détection de faibles quantités de biomolécules. Aussi, la détection multiplexée n’a pu être achevée que par la mise en parallèle de plusieurs quartzs. La résolution des facteurs limitant peut venir de la miniaturisation et de l’intégration de structures sur une même puce pour la transduction mécanique sensible, parallèle et intégrée de reconnaissance biologique.