Procédé pour le développement de bio-capteurs à partir de surfaces de carbone nanostructuré obtenues par plasma froid – PlasBioSens

Le travail effectué dans le cadre de ce projet a recours à différentes méthodes et technologies qui concernent le développement de procédés pour la synthèse de matériaux, leur analyse, le développement de transistors et les tests biologiques :
- Technologies plasma pour la synthèse de nanostructures de carbone (PECVD, pulvérisation) et leur fonctionnalisation (avec des groupes fonctionnels ou des revêtements)
- Diagnostics plasma (mesure de densité électronique, spectrométrie de masse, FTIR in-situ)
- Analyse de matériaux (méthodes de laboratoire : FTIR, spectroscopie Raman, microscopie électronique SEM et TEM, analyses synchrotron : XPS et NEXAFS)
- Salles blanches / technologies de microélectronique pour le développement de transistors
- Méthodes pour le diagnostic de transistors –tests électriques, reproductibilité et fiabilité
- Tests biologiques / immunochimie : détection de protéines, modèles asthmatiques, ELISA ...

Les travaux réalisés sur les surfaces de carbone nanostructurées ont abouti à des matériaux mécaniquement et chimiquement stables, en particulier en ce qui concerne leur intégration dans le capteur et leur stabilité au contact de fluides biologiques. Pour les NTC, une nouvelle méthode pour le traitement du catalyseur et la croissance des nanotubes – où toutes les étapes sont réalisées par plasma – a été développée. Les matériaux PCTF ont été obtenus par une gravure sélective du cuivre dans des couches minces de cuivre/carbone déposées par co-pulvérisation de cibles de cuivre et de carbone. Les travaux sur la fonctionnalisation ont été réalisés à l’aide de plasmas ccrf contenant de l’azote, ainsi que par la déposition de couches ultra-minces de polymères. Les premiers tests biologiques ont été réalisés avec de l’albumine sérique bovine (BSA) et seront suivis par de la peroxydase de raifort (HRP) pour améliorer la sensibilité. Des modèles asthmatiques ont été réalisés avec des souris pour développer des réponses allergiques, ainsi que des réponses à l’ovalbumine, à l’IgG et à l’IgE. Les allergènes comme le Betv1 pour les allergies au pollen de bouleau ont été testés, le modèle in-vivo a été établi et la présence d’IgE spécifique caractérisée par ELISA. L’IETR s’est concentré sur la production de différentes surfaces pour le développement de systèmes, intégrant des nanostructures de carbone, afin de tester la compatibilité avec le protocole de fonctionnalisation, ainsi que sur la conception de masques, le développement et l’optimisation de procédés technologiques pour la production de transistors à effet de champ. L’optimisation du procédé a concerné : 1) l’isolant de grille du transistor (optimisation des épaisseurs), 2) la couche isolante pour la surface supérieure du transistor et 3) la réduction de l’épaisseur de la couche sensible. Des premiers tests de micro-structuration des matériaux PCTF, directement sur la face supérieure des MOSFET (WP4) ont été effectués.

Plusieurs types de nanostructures de carbone sont synthétisées (nanotubes, particules, nanowalls) et caractérisées (2 campagnes de mesures au synchrotron de Berlin, au HZB), en coopération avec des partenaires extérieurs (e. g. CEA Kiel, Allemagne ; IST Lisbonne, Portugal). Le développement de la fonctionnalisation de surfaces a abouti au dépôt de couches ultra-minces de polymères conducteurs contenant des groupes aminés. Le système d’injection pour polymère a été co-développé avec Omicron Technologies, SME (Lyon) qui utilisera les résultats de ce prototype pour proposer plus tard un système prêt à l’emploi.
La fabrication de transistors avec de bonnes propriétés électriques, en particulier diminution de la tension de seuil et amélioration de l’uniformité, est achevée. Les matériaux synthétisés ont été pour la première fois et de façon fructueuse combinés aux transistors. Leur intégration dans des capteurs de type MOSFET sans modification des propriétés électriques a été démontrée. Les premiers résultats sont plus que prometteurs pour les technologies de capteurs basés sur des FET et utilisant une électrode carbonée à grande surface active spécifique. Des modèles asthmatiques ont été utilisés sur des souris pour développer des réponses allergiques, à l’ovalbumine et aux IgE et IgG. La stabilité des transistors au contact de fluides biologiques a été testée avec succès.
Toutes ces étapes ont été cruciales pour le futur développement du projet : des essais supplémentaires de nanofonctionnalisation (intégration de nanostructures de carbone dans le transistor) seront effectués. Le revêtement de nanostructures de carbone avec des couches ultra-minces isolant les molécules biologiques du contact avec du métal et des étapes supplémentaires concernant la fonctionnalisation de surface avec des protéines spécifiques sont planifiés pour la prochaine période (T18–30). La structuration et la miniaturisation devront être réalisées sur chaque type de nanostructure de carbone.

2 papers in review process, 2 in preparation, 6 presentations (conferences international), e.g.:
1. S Hussain, E Kovacevic, Quesniaux, M Alaaeddine, Ch. Boulmer-Leborgne,et al “Plasma-based synthesis ChemOnTubes Brussels, Belgium, April 3 - 7 2016, talk
2. C. Pattyn, S. Hussain, T. Labbaye, E. Kovacevic, N. Semmar, J. Berndt, A. Stolz, T. Lecas, Ch. Boulmer-Leborgne, A. Jagodar, M.R. Ammar, A. Canizares, P. Simon, S. Rose, V. Quesniaux: E-MRS Spring meeting May 2-6,2016, Lille, France, talk
3. E. Kovacevic Sh. Hussain, A. Jagodar, C. Pattyn, Ch. Boulmer-Leborgne, I. Stefanovic, V. Quesniaux et al. Carbon nanostructures from plasma processes as a base for novel bio-sensors; ICAPT-5, Feb 2016, Rogla, Slovenia; invited
4. L. Donero, F. Le Bihan, L. Le Brizoual, A. El Mel; P.-Y. Tessier, Micro-sensors nano-functionalized for chemical detection, 11th International Thin-Film Transistor Conference, ITC2015, Rennes, France, February 26-27, 2015.
5. L. Donero, N. Bouts, A. A. El Mel, B. Le Borgne, L. Le Brizoual, F. Le Bihan and P.-Y. Tessier, From copper/carbon thin films to nanoporous carbon for sensing applications, E-MRS Spring Meeting, Lille, France, May 2-6, 2016.
6. E. Kovacevic, Ch. Boulmer-Leborgne, V. Quesniaux, S. Rose et al. “Amélioration du procédé de croissance de nanotubes de carbone et fonctionnalisation des tapis de nanotubes pour une application biocapteur” MATV2L, Orléans, March 16-17 2016.
7. L. Donero, F. Le Bihan, L. Le Brizoual, R. Rogel, A.A. El Mel, P.Y. Tessier, Optimisation technologique de transistors pour le développement de microcapteurs chimiques nano-fonctionnalisés JNRDM2015, Bordeaux, 5-7 mai 2015.
8. A. Dias, E. Tatarova, J. Henriques, E. Kovacevic, J Berndt et al., 28th SPPT, Prague, Czech Republic, June 16-20 2016, EPS Poster Prize
9. E. Kovacevic : Plasma based process for development of biosensors, 08/10 2015 JOCA, Orléans
10. E. Kovacevic et al : presentation of PlasBioSens at GDR ABioPlas December 2015, Orléans

L’objectif de ce projet est la mise au point d’une méthode novatrice pour fonctionnaliser des surfaces nanocarbonées conductrices afin de les utiliser dans la fabrication d’une nouvelle génération de transistors à effet de champ qui permettront le développement de biocapteurs très sensibles.

Cette recherche interdisciplinaire sera conduite par 4 laboratoires complémentaires (procédé plasma,nanomatériaux, électroniques, biologie).

Des matériaux carbonés de dernière génération (nanotubes, nanocomposites carbone-métal…) seront obtenus et fonctionnalisés par procédé plasma froid.

Beaucoup de diagnostics in-situ de la phase plasma seront effectués en corrélation avec les analyses de surface pour cibler les meilleurs paramètres expérimentaux permettant le greffage de groupements fonctionnels sur des surfaces de carbone.

Tout particulièrement le couplage anticorps/protéine essentiel pour l’obtention de capteurs d’allergènes ou de marqueurs d’allergie dans un fluide biologique, est visé.

Le transfert de connaissance s'adresse au domaine des applications technologiques et industrielles des décharges plasma aussi bien qu'à celui des matériaux et de la mise en œuvre de capteurs .