Elaboration d’aptacapteurs à nanofils basés sur la détection électrique à effet de champ

OFFRE DE THESE 2017-2020

Ecole doctorale /

Date de début / Date de démarrage envisagée : 1 er octobre 2017.
Sujet
Description de la problématique de recherche :
La médecine personnalisée et connectée de demain implique de pouvoir disposer de biocapteurs portables, capables de détecter rapidement, directement et de manière non invasive, de faibles quantités de biomarqueurs (molécules indicatrices d’une pathologie) à partir des fluides biologique (sueur, urine, goutte de sang). Cela permettra d’améliorer, d’une part, la précocité des diagnostics médicaux de certaines maladies graves comme les cancers, ainsi que la façon d’administrer un traitement médical de façon individuelle. En outre, cette détection rapide peut être utilisée pour la protection de l’environnement, l’agriculture et la bio-défense en vue de repérer in situ la présence de bactéries pathogènes, d’OGM, ou encore de perturbateurs endocriniens.
Dans cette optique, actuellement, de nombreuses recherches sont menées sur des capteurs constitués de dispositifs nanoélectroniques à base de nanofils de silicium. Ces nanofils, après fonctionnalisation par des molécules sondes, contribuent à la détection électrique par effet de champ de molécules cibles
complémentaires, et ce avec une très grande sensibilité et spécificité [1-2]. Cependant, le silicium présente une certaine instabilité physico-chimique en présence de solutions physiologiques salines. Il en résulte des non-reproductibilités dans les mesures qui, de fait, limitent fortement l’utilisation de ce type de capteurs.
Il faut donc pouvoir disposer de nanofils très stables, tout en gardant leur sensibilité électrique. De nouvelles architectures sont à l’étude, tant au niveau de l’ensemble des nanofils (nanolignes parallèles ou nanofils aléatoirement orientés) qu’au niveau du nanofil lui-même.
Sur ce deuxième aspect, des nanofils coeur Si avec une coquille offrant une meilleure stabilité que le Si, commeles coquilles d’Al2O3, sont explorés. Egalement, les coquilles de carbure de silicium (SiC) sont prometteuses. Le SiC est déjà utilisé pour de nombreuses applications biomédicales (recouvrement de
prothèses et de ressorts) et plus récemment pour les interfaces neurones-électrodes [3], ce qui offre, in fine, de nouvelles perspectives d’intégration de capteurs in-vivo.
Par ailleurs, les recherches actuelles sur les molécules sondes s’orientent vers les aptamères [4-6], courts fragments d’ADN synthétiques dont l’utilisation offre de nombreux avantages comme une grande stabilité et des affinités avec leur cibles (protéines, molécules organiques, cellules) comparables aux
anticorps.
Ce sujet fortement interdisciplinaire bénéficie des compétences de trois laboratoires impliqués dans le sujet de thèse. Il s’agira de réaliser des biocapteurs basés sur différents types de nanofils fonctionnalisés par des aptamères en vue de détecter électriquement des molécules d’intérêt stratégique pour la santé
et l’environnement (détaillées plus loin).

Travail de thèse.
Objectif :
Il s’agit de réaliser des prototypes de biocapteurs portables, bas coût et innovants appelés « Apta-NanoWireFET » (Apta-NWFET) et « Apta-NanonetFET » (Apta-NNFET). Ces biocapteurs seront conçus à base de transistors à effet de champ (FET), constitués de nanofils semiconducteurs Si possédant différentes configurations morphologiques et architecturales: soit des réseaux de nanofils aléatoirement orientés (nanonetFET ou NNFET), soit des nanolignes (NWFET). Ces différents types de nanofils seront passivés, soit par Al2O3 ou SiC. Puis, il s’agira d’étudier leur modification de surface par différents types d’aptamères sélectionnés (molécules sonde synthétiques, hautement spécifiques) [4-6]. Le but sera de détecter électriquement des molécules cibles d’intérêt stratégique pour la santé et l’environnement : la thrombine et, à titre de démonstration, le bisphénol A. L’évaluation des performances en termes de détection des molécules cibles en fonction des différentes caractéristiques des nanofils et des aptamères sera effectuée de façon à dégager les configurations les plus pertinentes à privilégier pour le futur [7].

Lors de la thèse, le doctorant prendra en charge les trois grandes étapes du programme qui sont :
       1 : Elaboration et caractérisation des NNFET et NWFET.
Cette première partie s’appuiera sur les projets existants pour l’élaboration contrôlée de NNFET [8] et de NWFET [9] à base de nanofils Si passivés, patternés et contactés. L’influence des propriétés morphologiques des réseaux (diamètre et densité surfacique des nanofils, distance inter-électrodes) sur
les caractéristiques électriques sera effectuée.
     2 : Fabrication des AptaFET : Apta-NNFET et Apta-NWFET.
Cette étude nécessitera dans un premier temps la synthèse et la fonctionnalisation des aptamères sondes choisis qui seront effectuées au sein du DCM [4-6]. L’immobilisation des aptamères sur les surfaces des NNFET et NWFET sera réalisée au sein du LMGP et DCM. L’influence des aptamères sondes
sur les propriétés électriques des AptaFET sera étudiée à l’IMEP-LaHC.
3 : Apta-NNFET et Apta-NWFET pour la détection électrique de la thrombine puis du bisphénol A
A l’issue de la détection électrique des molécules par les aptamères greffés sur la surface, les expérimentations porteront sur l’évaluation et l’optimisation des performances : étude de la sensibilité, limite de détection, stabilité, réversibilité et sélectivité. Des techniques, comme la mesure du courant (statique et temporelle), de l’impédance, du bruit électrique, seront utilisées sur les deux variantes technologiques : Apta-NNFET et Apta-NWFETs (IMEP-LaHC). Par ailleurs, l’acquisition en temps réel sera étudiée et développée par la mise en place de systèmes microfluidiques (LMGP).

Résultats attendus :
A terme, la comparaison des résultats obtenus permettra d’effectuer une première avancée dans le domaine des aptacapteur à base de FET ou « aptaFET», domaine encore émergent [10] et pour lequel les nanonets et nanolignes à base de Si/SiC n’ont jamais été encore proposés. La réalisation de ce type de dispositifs innovants repose fortement sur la synergie de disciplines scientifiques variées : science des nanomatériaux, micro et nanoélectronique, chimie et biologie. La contribution des différents laboratoires à ce projet permettra justement d’initier cette synergie en débouchant sur des preuves de concept.

Références bibliographiques :
[1] N. Gao, W. Zhou, X. Jiang, G. Hong, T-M Fu, C.M. Lieber, Nano Letters. 15, p2143−2148 (2015)
[2] A. Zhang, G. Zheng, Semiconductor nanowires for biosensors, Chapter (PDF Available) 2015, DOI: 10.1016/B978-1-78242-
253-2.00017-7 In book: Semiconductor Nanowires, pp.471-490
[3] S.E.Saddow, Silicon Carbide Biotechnology: A Biocompatible Semiconductor for Advanced Biomedical Devices and
Applications. 2nd edition, Elsevier Sciences (2016)
[4] Sussman, D. et al. Nature Struct. Biol. 7, 2000, 53.
[5I Kazane, K. Gorgy, C. Gondran, N. Spinelli, A. Zazoua, E. Defrancq and S. Cosnier, Analytical Chemistry 2016, 88, 7268-7273
[6] S. G. Kim, J. S. Lee, J. Jun, D. H. Shin, and J. Jang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8 (10), pp 6602–6610
[7] M.-K. Joo, M. Mouis, D.-Y. Jeon, G.-T. Kim, U J. Kim, G. Ghibaudo, J. Appl. Phys., 2013, Vol. 114, no. 154503
[8] P. Serre, V. Stambouli, M. Weidenhaupt, T. Baron and C. Ternon, Biosens. Bioelectron. 2015, 68, 336-342
[9] L. Fradetal, E. Bano, G. Attolini, F. Rossi, and V. Stambouli, 2016, 27 (23) 235501
[10] Kao, W. C., Chu, C. H., Chang, W. H., Wang, Y. L., & Lee, G. B. 2016, April), In Nano/Micro Engineered and Molecular
Systems (NEMS), 2016 IEEE 11th Annual International Conference on (pp. 583-586). IEEE.

Lieu
Le candidat travaillera sur trois laboratoires :

1) LMGP (Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique), à l’interface de l’équipe « Films minces, nanomatériaux et nanostructures » et de l’équipe « Interface Matériaux / Matière biologique »,

2) DCM (Département de Chimie Moléculaire), dans
l’équipe « Ingénierie et interactions biomoléculaires »,

3) IMEP-LaHC (Laboratoire de microélectronique électromagnétisme, hyperfréquence, photonique et caractérisation), dans l’équipe « Composants micro nanoélectroniques ».
Site Web du laboratoire LMGP
Site Web du laboratoire DCM
Site Web du laboratoire IMEP-LaHC

Profil
Le candidat recherché est diplômé d’une grande école, école d’ingénieurs et/ou d’un Master 2R dont la formation est axée principalement sur la science des nanomatériaux, la biologie et les biotechnologies.
Des aptitudes pour le travail interdisciplinaire en équipe et sur plusieurs laboratoires seront indispensables, ainsi que des aptitudes pour l’expression en anglais orale et écrite seront appréciées.

Financement
Allocation du Ministère de lʼEnseignement supérieur, de la Recherche et de lʼInnovation

Directeurs de thèse
Valérie Stambouli, Valerie.stambouli-sene@grenoble-inp.fr
LMGP: 3 Parvis Louis Néel, Grenoble INP, MINATEC, BP 257, 38 016 Grenoble cedex 1
Tel: 04 56 52 93 35
Nicolas Spinelli, Nicolas.Spinelli@univ-grenoble-alpes.fr
DCM, Université Grenoble Alpes, Bâtiment NanoBio Campus
570, rue de la Chimie, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 09
Tel: 04 56 52 08 33
Co-encadrants : Edwige Bano (IMEP), Céline Ternon (LMGP), Mireille Mouis (IMEP)

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