Détection électrique d’ADN sur puce microfluidique

SUJET STAGE Master 2 ou Projet de Fin d’Etudes:
Détection électrique d’ADN sur puce microfluidique

        Le domaine du diagnostic moléculaire in vitro, réalisé rapidement sur site, est en pleine croissance car il répond aux problématiques de la santé, du contrôle de l’environnement, de l’agroalimentaire, de la défense. Les biocapteurs basés sur la détection électrique sont parfaitement adaptés pour ces
applications, en raison de leur mode de fabrication compatible avec les technologies de la microélectronique, et la possibilité de lecture du signal de réponse sur un smartphone. Dans ce but, de nombreuses recherches sont menées pour réaliser des nouveaux capteurs miniaturisés basés sur la détection électrique par effet de champ. Ils sont constitués de nanotransistors dont l’élément sensible est un réseau de nanofils de matériau semiconducteur comme le Si. En effet, les nanofils de Si sont particulièrement sensibles aux charges de surface apportées par les espèces à détecter [1].
Ces dispositifs sont des transistors de type NWFET (NanoWire Field Effect Transistors). Cependant de nombreux efforts restent à effectuer pour améliorer la fiabilité et la stabilité de ces dispositifs notamment dans les conditions réelles d’utilisation en milieu liquide.
Nous développons des NWFETs pour la détection d’ADN. L’originalité provient du fait que les nanofils sont à base de carbure de silicium (SiC). Le SiC est déjà utilisé pour de nombreuses applications biomédicales: recouvrement de prothèses et de stents, structures biomimétiques et reconstruction cellulaire. Très récemment, il est apparu comme le meilleur candidat semiconducteur biocompatible [2], ce qui offre de nouvelles perspectives d’intégration de capteurs in-vivo. Nous avons validé le concept de transistors à nanofil de SiC lors de thèses précédentes en aboutissant à un premier démonstrateur à l’échelle internationale [3].

Dans la continuité de ces travaux [3, 4], il s’agit à présent de réaliser les mesures de détection en voie liquide grâce à l’apport de la microfluidique sur les NWFETs (cf Figure).
Le stage portera sur l’étude du couplage entre la cellule microfluidique et les caractérisations électriques suite aux différentes étapes chimiques de fonctionnalisation jusqu’à l’étape finale d’hybridation de l’ADN. Cela permettra de mettre en avant les difficultés rencontrées et de les résoudre en modifiant, par exemple, la géométrie de certains éléments de la cellule microfluidique.
L’objectif sera ainsi de consolider l’apport de la microfluidique sur les NWFETs et d’optimiser les caractéristiques puis les performances de ces dispositifs fonctionnant en voie liquide en termes de sensibilité, limite de
détection, réversibilité, sélectivité, stabilité et temps d’acquisition.

Le stage sera effectué sur deux laboratoires de Minatec et sera fortement axé sur la microfluidique. Les étapes de fonctionnalisation chimiques seront réalisées au LMGP. La caractérisation électrique des biocapteurs sera menée à l’IMEP-LaHC sur les dispositifs et entre chaque étape de fonctionnalisation.
Des techniques, comme la mesure du courant (statique et temporelle) ou de l’impédance seront utilisées.

Poursuite en thèse : souhaitée

Contacts : Edwige Bano (IMEP–LaHC – Grenoble) : edwige.bano@phelma.grenoble-inp.fr
Valérie Stambouli (LMGP – Grenoble) : valerie.stambouli-sene@grenoble-inp.fr

Durée du stage : 5 – 6 mois (salaire d’environ 550 Euros/mois)

Références:
[1] N. Gao, W. Zhou, X. Jiang, G. Hong, T-M Fu, C.M. Lieber, “General Strategy for Biodetection in High Ionic Strength Solutions Using Transistor-Based Nanoelectronic Sensors”, Nano Letters. 15, p2143−2148 (2015)
[2] S.E.Saddow, Silicon Carbide Biotechnology: A Biocompatible Semiconductor for Advanced Biomedical Devices and Applications. Elsevier Sciences (2011)
[3] L. Fradetal, E. Bano, G. Attolini, F. Rossi, and V. Stambouli, “A Silicon Carbide nanowire field effect transistor for DNA detection”, Nanotechnology 27 (23) p235501 (2016)
[4] R. Bange, E. Bano, L. Rapenne, V. Stambouli, Superior Long-Term Stability of SiC Nanowires over Si Nanowires under Physiological Conditions, Material Research Express (2019), 6, 015013
Détail d’un NWFET sur les canaux microfluidiques avec nanofils coeur Si /coquille SiC sur substrat SOI.

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