WO2012076827A1 - Systeme et procede de detection d'especes biologiques ou chimiques bases sur un qcm transducteur - Google Patents

Systeme et procede de detection d'especes biologiques ou chimiques bases sur un qcm transducteur Download PDF

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WO2012076827A1
WO2012076827A1 PCT/FR2011/052925 FR2011052925W WO2012076827A1 WO 2012076827 A1 WO2012076827 A1 WO 2012076827A1 FR 2011052925 W FR2011052925 W FR 2011052925W WO 2012076827 A1 WO2012076827 A1 WO 2012076827A1
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structuring
quartz crystal
qcm
precious metal
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Elena Rodica Ionescu Lebrun
Stefan Mc Murtry
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Universite De Technologie De Troyes
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    • G01N29/02—Analysing fluids
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    • G01N2291/0257—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors with a layer containing at least one organic compound

Definitions

  • the invention relates to the field of detection of biological or chemical species. More particularly, the invention relates to a multiple and sequential detection system for biological or chemical species using the quartz scale technique and a method for detecting biological or chemical species using said detection system.
  • US Pat. No. 6,006,589 describes an improvement in the electrical management of quartz.
  • US Pat. No. 4,236,893 describes the principle of the detection of an antibody by a quartz oscillator. It does not introduce surface nano structuring or multi detection.
  • the invention aims to overcome the disadvantages of the state of the art and in particular to provide a multiple and sequential detection system of biological or chemical species in solution.
  • the technique proposed by the present application is based on the quartz crystal crystal frequency variation of a Quartz Crystal Microbalance (QCM) during the detection of a chemical or biological species, the frequency variation of the quartz crystal of a quartz crystal. QCM being related to the mass variation deposited on its surface.
  • detection is generally based (for example) on optical methods using an antibody, an antigen and a fluorophore so that, when the antibody and the antigen are in contact, photons are emitted in amount proportional to the assay concentration (usually the antigen). This technique requires for each detection a particular chemistry for the emission of photons.
  • Detection by acoustic method QCM type is advantageous because it is free of this specific chemistry. Indeed, the mass variation related to the attachment of the antigen on the antibody on the surface of the crystal is sufficient to cause a measurable frequency variation.
  • the present invention provides a method and apparatus for multi-sensing by structuring a quartz crystal of a QCM.
  • a detection system for biological or chemical species comprising a substrate characterized by the fact that said system allows a multiple and sequential acoustic detection of at least one species, in that that said substrate is micro or nano structured and can be regenerated to allow reuse, and in that the system further comprises means for depositing at least one (bio) species "probe" on at least one micro or nano structure constituting the substrate, said species being adapted for selective detection of a given biological species, means for sequentially depositing said solution containing at least one complementary bio-species of said bio-probe, on said micro or nanostructures of the substrate, means for measure the overall frequency variation of said structured substrate, said frequency variation being generated when at least one
  • the substrate is a QCM quartz crystal
  • the structuring is a structuring of the QCM quartz crystal and / or a structuring of a layer of precious metal present on its surface, said structuring being able to increase the zone of interaction with the test solution and making it possible to spatially identify the zones where a deposit of (bio) species "probes" takes place.
  • the structuring is performed on the precious metal layer located on the surface of the quartz crystal by a microelectronic type technique; or by adding a second layer of precious metal to the precious metal layer of the quartz crystal, by a technique of synthesis and chemical growth.
  • the structuring of the precious metal layer of the quartz crystal is a structure of the microchannel type comprising fluidic channels obtained by an attack of said layer by a photochemical or electrochemical etching method, said structuring allowing to confine the test solution to a plurality of functionalized zones, able to operate sequentially.
  • the structuring is carried out in the silicon of the quartz crystal in itself by a microelectronic type structuring technique; the silicon being covered by a layer of precious metal, said layer of precious metal for attachment of (bio) species "probes".
  • the invention further relates to a method for detecting biological or chemical species in solution implemented by the system described above and characterized by the functionalization of the precious metal surface of the quartz crystal.
  • at least one first biomolecule is deposited on the precious metal surface of a structured QCM quartz crystal, on specific zones not juxtaposed on the micro / nanometric scale, and then a solution containing at least one minus a second biomolecule on the surface of said structured quartz crystal so that said deposition leads to a biological affinity reaction between the first and second biomolecules.
  • the deposition of said first and second biomolecules on the precious metal surface of said structured quartz crystal is performed by depositing micros drops or nano drops using a micropipette or a nano pipette.
  • the deposition of said first and second biomolecules on the precious metal surface of said structured quartz crystal is effected by means of an AFM tip in contact mode.
  • figurel is a perspective showing an example of surface structuring allowing increase the interaction surface
  • Figure 2 Top view of a quartz crystal with a 1st structuring
  • Figure 3 is a diagram showing the deposition of microdroplets using a micropipette on the quartz crystal of a QCM according to the invention
  • Figure 4 Top view of a quartz crystal with a 2 nd structuring
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a micropipette dispensing drops on a structured central quartz crystal
  • FIGS. 6A, 6B, 6C Deposits of micro drops of biomolecules such as bovine serum albumin (BSA); and
  • Figure 7 Frequency variation curve of 3 drops of biomolecules of different sizes.
  • the surface of a quartz crystal QCM is compatible with a surface pattern in order to achieve sensors or other functions.
  • the procedures in this case are those of microelectronics.
  • all the structures using photosensitive resins, nano-imprint and techniques using stencils are usable. It is therefore possible, for example, to produce nanostructures by electronic lithography which makes it possible to perform almost all the possible topologies when it is associated with deposition and etching techniques (evaporation, sputtering, RIE (Reactive Ion Etching), IBE (Ion beam Etching)).
  • RIE Reactive Ion Etching
  • IBE Ion beam Etching
  • Another possible structuring consists in producing silicon nanotours. The entire silicon surface is then covered with a layer of precious metal serving as a support for biological species. This configuration makes it possible to spatially isolate different biological sensors but also to increase the useful surface of interaction. This structuring of silicon can also be supplemented by a microfluidic structuring in order to be able to handle different fluids on the QCM.
  • the quartz crystal can be structured in two ways, the first structuring is a surface structuring of said crystal to increase the interaction zone with the test solution deposited thereon.
  • Figure 1 illustrates an example of such a structuring.
  • This structuring can be achieved by a top down approach (technique of structuring microelectronics). But also a bottom up approach (synthesis of chemical growth) by realizing different shapes (star, cylinder, square, etc. ..) structures and different dimensions from micrometer to nanometer.
  • the top down approach consists in miniaturizing devices or structures. To make an electronic circuit for example, we go through patterns that are drawn on a large scale, then reduced by photographic processes, and finally, manufactured by photolithography and etching processes. We always go from the biggest to the smallest.
  • FIG. 2 illustrates a view of a QCM 1 with a first example of surface structuring of its crystal.
  • the detection method consists in a first step of depositing probes on a surface of the QCM 1 on specific areas 2 called detection zone. Said specific zones 2 are spatially different, not juxtaposed on the nanometric or micro-metric scale.
  • the probes are preferably biomolecules of antibody, antigen or DNA / RNA strand type.
  • the method then consists in depositing the test solution on the surface of said QCM crystal. Said solution contains biological species 3 different from the probes. Indeed, said biological species are complementary biomolecules of antigens, antibodies or DNA / RNA type.
  • the QCM 1 structured crystal makes it possible to isolate different sensors so as to isolate the different species to be detected.
  • the surface structuring of the crystal 1 makes it possible to better control the spatial bio-functionalization of the specific areas of the surface and also makes it possible to know where the probes 2 have been deposited before analysis. This facilitates the repositioning of biomolecules on specific functionalized areas 2.
  • affinity in biology is meant a relationship between species of common origins. Indeed the affinity is the selective or rather specific attraction between an antibody and an antigen for example. The affinity varies according to the antibody / antigen couples, and the environmental conditions (temperature, pH, ).
  • Figure 3 shows the deposition of probes or biomolecules and the solution containing complementary biomolecules on the surface of QCM 1.
  • the deposit can be done in several ways: It is possible to deposit micro or nano drops 4 with a micro or nano pipette 5.
  • the use of nano pipettes (NANONICS) allows to deposit very accurately on the surface of the crystal QCM 1 nano drops 4 containing different biomolecules.
  • AFM tip Atomic Force Microscopy
  • the atomic force microscope (or AFM for atomic force microscope) is a type of local probe microscope that is used to visualize the topography of the surface of a sample.
  • the principle is based on the interactions between the sample and a tip mounted on a micro-lever.
  • the tip sweeps (scans) the surface to be represented, and one acts on its height according to a parameter of feedback.
  • a computer records this height and can thus reconstruct an image of the surface.
  • Atoms often tend to attract; when the affinity of the atoms is great, they bind to form a molecule or a crystal, but in most cases this attraction is very weak and is noticeable only at a very short distance.
  • the atoms repel each other because of the subjection of the electrons of the procession electronic to electrostatic repulsion. If the atoms move away, a force recalls them, and if they get closer, a force repels them.
  • This attraction / repulsion is therefore used between the surface atoms and the drill point.
  • the tip is mounted on a very flexible lever; measuring the bending of the lever (in one direction or the other) gives a direct measurement of the interaction force between the probed surface and the tip.
  • AFM AFM
  • the contact mode used in the present structuring consists in using the repulsive forces: the point presses on the surface, it is pushed back because of the Pauli principle, and the lever is deflected. The feedback is done on the measurement of the direction of the deviation.
  • a third method according to the invention is less expensive and more suitable for industrial techniques. It consists in using the writing head of the inkjet type printers to deposit on the structured surface of the QCM crystal 1, on delimited zones 2, a fluid containing different biomolecules.
  • the fluid containing biomolecules may interfere with surface structuring and, by drying, deposit biomolecules therein. on structures as illustrated in Figure 1. This makes it possible to increase their density per unit area.
  • the specific operation of the various sensors or functionalized areas 2 of the structured QCM crystal is said to be sequential because the solution to be tested is sequentially deposited on the sensors 2 (on said functionalized zones).
  • the measure of the frequency or of its variations is global. It is that of the structured QCM crystal and not that specific to each sensor 2 which is measured. Each sensor 2 thus makes it possible to identify the presence or absence of the desired species in the fluid.
  • the practical aspect of the invention lies in the fact that the biological species is dispensed on the first sensor using a micro or nano pipette 5. Once the interaction between the solution containing biomolecules and the sensor completed and the frequency measurement made, the solution can be sucked by the same pipette and washed with buffer solutions to avoid nonspecific adhesion so that a new test is possible.
  • the detection zones 2 are thus confined. Said confinement of the detection zones allows a fast stabilization of the QCM crystal (a few seconds in micro / nanostructured crystal version in comparison with the classical quartz model which requires a few minutes for the frequency stabilization) which has the advantage of a speed of detection increased. Moreover this speed of detection makes it possible to avoid the influence of the temperature on the crystal which is translated by a parasitic variation of frequency. This variation caused by temperature and not by the reported mass represents a major disadvantage for this technique to be commonly used in hospitals or laboratories.
  • Figure 4 illustrates a top view of a quartz crystal QCM 1 1 With a 2nd example of structuring achieved by techniques to microelectronics and microfluidics for guiding a predetermined quantity of fluid to be tested on an area functionalized.
  • This structuring of the surface makes it possible to place on the surface of the QCM crystal 1 1 a plurality of different functionalizations 12 and therefore of sensors.
  • the structuring here is a simple structuring of the microchannel type comprising fluidic channels 14.
  • the structuring can be obtained using a photosensitive or electrosensitive resin, positive or negative, possibly with a closure 13 for confining the fluid containing biomolecules on a plurality of functionalized zones 12 called detection zones.
  • each sensor 12 makes it possible to identify the presence or absence of the desired species in the fluid.
  • FIG. 5 measurements were carried out on a "Stanford Research Systems QCM200" type apparatus demonstrating the operation with micro-drops 24.
  • the surface of the QCM 1 quartz crystal was previously structured by evaporation. -beam, the drops 24 were deposited using micropipettes 25.
  • the measurement was then demonstrated by the deposition of proteins on the surface of said structured QCM crystal.
  • FIG. 7 represents the frequency variation measured on a quartz crystal of the QCM 1 as and when such drops of albumin 24 are deposited. It is noted that each deposit of drop on the surface of the QCM crystal results in a variation of the signal and that the amplitude of the variation is even greater than the volume of the drop is large. This validates the ability to carry out a sequential detection on the QCM crystal thus structured and to quantify the quantity deposited, by measuring the variation of the signal. These measurements make it possible to detect masses of the order of a few nanograms.
  • BSA bovine serum albumin
  • the measurements carried out show good reproducibility and the cleaning of the structured surface allows reuse of the structured crystal, if the probe is absorbed on its surface.
  • the reuse of the structured crystal is more difficult if the bond with the crystal has been ensured by a functionalization leading to a covalent bond (for example by the thiol chemistry on the gold surface of the QCM crystal).

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Abstract

L'invention concerne un système de détection d'espèces biologiques ou chimiques en solution, comprenant un substrat caractérisé par le fait que ledit système permet une détection acoustique multiple et séquentielle d'au moins une espèce en ce que ledit substrat est micro ou nano structuré et peut être régénéré pour permettre une réutilisation, et en ce que le système comprend en outre: des moyens pour déposer une sonde sur chaque micro ou nano structure, ladite sonde étant adaptée à la détection sélective d'une espèce biologique donnée; des moyens pour déposer séquentiellement ladite solution à tester sur les micro ou nano structures du substrat; des moyens pour mesurer la variation de fréquence globale dudit substrat structuré lorsque l'espèce biologique interagit avec ladite sonde déposée sur chaque micro ou nano structure, et des moyens pour enregistrer ladite fréquence. L'invention concerne en outre un procédé de détection d'espèces biologiques ou chimiques avec un tel substrat structuré. Figure pour l'abrégé: figure 2

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE DETECTION D'ESPECES BIOLOGIQUES OU
CHIMIQUES BASES SUR UN QCM TRANSDUCTEUR
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte au domaine de détection d'espèces biologiques ou chimiques. Plus particulièrement l'invention se rapporte à un système de détection multiple et séquentielle d'espèces biologiques ou chimiques en utilisant la technique de la balance à quartz ainsi qu'un procédé de détection d'espèces biologiques ou chimiques utilisant ledit système de détection.
ETAT DE LA TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0002] Le développement des structures intégrées 'lab on chip' est en plein essor. La fabrication de tels dispositifs est encore à l'état de développement et leur coût de fabrication représente un frein. Le « lab on chip » fait appel à plusieurs technologies différentes liées aux différentes parties du dispositif (capteur, guidage du fluide, électronique associée). Cette complexité rend la mise au point d'une telle technologie longue et coûteuse. De ce fait, les capteurs actuels sont en général unitaires et la multi-détection, qu'elle utilise des méthodes optique, acoustique ou électrochimique, est réalisée par multiplexage électronique. Un exemple de multiplexage concernant les microbalances à quartz QCM (est le Lot Oriel Q-Sense E4 qui permet de faire quatre mesures en simultané. Outre son prix prohibitif, cette technique ne permet de faire qu'un nombre très restreint de mesures. [0003] L'article de C.K. O'Sullivan, G. G. Guilbault *, Review, Commercial quartz crystal microbalances - theory and Applications, Biosensors & Bioelectronics 14 (1999) 663-670 présente le principe du QCM et son application dans le domaine des biocapteurs.
[0004] L'article « A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature: applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular interactions » par Matthew A. Cooper *, Victoria T. Singleton dans le JOURNAL OF MOLECULAR RECOGNITION, J. Mol. Recognit. 2007; 20: 154-184 Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com) DOI:10.1002/jmr.826 complète l'article précédent sur une période postérieure.
[0005] L'article de Sz-Hau Chen, Yao-Chen Chuang, Yi-Chen Lu, Hsiu-Chao Lin A method of layer-by-layer gold nanoparticle hybridization in a quartz crystal microbalance DNA sensing System used to detect dengue virus, Nanotechnology 20 (2009) 215501 (10pp) doi:10.1088/0957- 4484/20/21/215501 décrit l'utilisation du QCM pour la détection des virus de la dengue mais ne traite pas de la multi-détection.
[0006] L'article de Yi Wana,b, Dun Zhanga,, Baorong Houa, « Détermination of sulphate-reducing bacteria based on vancomycin-functionalised magnetic nanoparticles using a modification-free quartz crystal microbalance », Biosensors and Bioelectronics 25 (2010) 1847-1850 concerne l'utilisation du QCM pour la détection des bactéries mais n'introduit pas le concept de multi- détection.
[0007] L'article de Yildiz Uludag, Ibtisam E. Tothill, « Development of a sensitive détection method of cancer biomarkers in human sérum (75%) using a quartz crystal microbalance sensor and nano particles amplification System, » Talanta 82 (2010) 277-282 divulgue l'utilisation de nano-particules pour augmenter la sensibilité du système de détection mais n'introduit pas le concept de multi-détection. [0008] L'article « Antigen-antibody interaction from quartz crystal microbalance » de Zai-Gang Chen et Tang, publié en mars 2007, décrit un nouveau dosage immunologique de cristal quartz microbalance (QCM) pour la détection de l'antigène carcinoembryonnaire (CEA) par des moyens d'immobilisation de la sonde anti-CEA sur des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées CoFe2O4/SiO2. Ce système n'introduit pas la notion d'une détection multiple.
[0009] L'article « Dual-response résonant chemical sensores for multianalyste analysis » de Radislav A. Potyrailo, Timothy M. sivavec publié en 2004 divulgue un capteur avec deux résonateurs pour détecter deux gaz différents. En effet, il exploite un résonateur à deux faces pour déposer deux films sensibles à deux gaz différents sur chaque résonateur. Dans cet article la mesure est effectuée par résonateur. Le résonateur n'est pas structuré et de plus la notion de multi-détection est limitée à deux espèces par résonateur.
[0010] Le brevet US 4,596,697 décrit un assemblage de QCMs sur un même substrat , mais sans notion de multi-détection.
[0011] Le brevet US 6,006,589 décrit une amélioration de la gestion électrique du quartz. [0012] La demande internationale WO/1999/040397, « Device at Piezoelectric crystal oscillator », décrit un multiplexage en fréquence d'un QCM comportant plusieurs oscillateurs individuels que l'on peut sélectionner facilement et pour lesquels on mesure la fréquence propre de résonance et sa variation. Il n'introduit pas de QCM nano structuré. [0013] Le brevet US 4,236,893 décrit le principe de la détection d'un anticorps par un oscillateur à quartz. Il n'introduit pas de nano structuration de surfaces ni de multi détection.
[0014] Le document WO/1999/030159, « Sensor for detecting biological matter », décrit le principe de la détection d'un anticorps par un oscillateur à quartz, par mesure de la dissipation (inverse du facteur de qualité) ou de ses variations en plus de celle de la fréquence et de ses variations. Il ne décrit pas de multi détection ni de nano structuration de surface. [0015] Le brevet WO/2009/153189, décrit un système de multi-détection utilisant différents capteurs fonctionnalisés et comportant une sonde spécifique, sur un substrat. La solution à tester est mise en contact simultanément avec chacun des capteurs. Chaque capteur peut être ensuite interrogé individuellement. Dans ce système la fréquence de chaque capteur est mesurée, il n'y a pas de notion de fréquence globale du substrat.
[0016] La mesure de plusieurs paramètres en simultané est un avantage certain en biologie mais également dans le domaine du contrôle. Il est fréquent de nos jours de vouloir dépister plusieurs pathologies dans un échantillon sanguin, ou bien de déterminer quels sont les polluants dans un cours d'eau. Actuellement cela est possible uniquement par de multiples prélèvements et analyses.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0017] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à proposer un système de détection multiple et séquentielle d'espèces biologiques ou chimique en solution. La technique proposée par la présente demande est basée sur la variation de fréquence du cristal à quartz d'un QCM (Quartz Cristal Microbalance) lors de la détection d'une espèce chimique ou biologique, la variation de fréquence du cristal à quartz d'un QCM étant liée à la variation de masse déposée à sa surface. Dans le domaine de la biologie, la détection est généralement basée (par exemple) sur des méthodes optiques utilisant un anticorps, un antigène et un fluorophore de sorte que, lorsque l'anticorps et l'antigène sont en contact, des photons sont émis en quantité proportionnelle à la concentration d'analyse (habituellement l'antigène). Cette technique nécessite pour chaque détection une chimie particulière permettant l'émission de photons.
[0018] La détection par méthode acoustique de type QCM est avantageuse car elle s'affranchit de cette chimie spécifique. En effet, la variation de masse liée à l'accrochage de l'antigène sur l'anticorps sur la surface du cristal suffit à provoquer une variation de fréquence mesurable. Le principe de fonctionnement est donc dans ce cas, la fonctionnalisation de surface du QCM, la mise en contact avec le fluide à tester et le rinçage afin de ne conserver que l'espèce à mesurer, mais cette technique connue ne permet pas de faire de détection multiple sur le même cristal à quartz. La présente invention propose une méthode et un dispositif permettant de faire une multi- détection par le biais d'une structuration d'un cristal à quartz d'un QCM.
[0019] Pour ce faire est proposé un système de détection d'espèces biologiques ou chimiques, en solution, comprenant un substrat caractérisé par le fait que ledit système permet une détection acoustique multiple et séquentielle d'au moins d'une espèce, en ce que ledit substrat est micro ou nano structuré et peut être régénéré pour permettre une réutilisation, et en ce que le système comprend en outre des moyens pour déposer au moins une (bio) espèce « sonde » sur au moins une micro ou nano structure constitutive du substrat, ladite espèce étant adaptée à une détection sélective d'une d'espèce biologique donnée, des moyens pour déposer séquentiellement ladite solution contenant au moins une bio espèce complémentaire de ladite bio sonde, sur desdites micro ou nano structures du substrat, des moyens pour mesurer la variation de fréquence globale dudit substrat structuré, cette variation de fréquence étant générée lorsque au moins une
(bio) espèce « sonde » interagit avec ladite (bio)espèce « sonde » complémentaire, et des moyens pour enregistrer ladite fréquence.
[0020] Selon une forme préférée de l'invention le substrat est un cristal à quartz de QCM, la structuration est une structuration du cristal à quartz de QCM et/ou unes structuration d'une couche de métal précieux présente à sa surface, ladite structuration étant apte à augmenter la zone d'interaction avec la solution à tester et permettant de repérer spatialement les zones où a lieu un dépôt de (bio)espèce « sondes ». [0021]En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, la structuration est effectuée sur la couche de métal précieux située en surface du cristal à quartz par une technique de type microélectronique ; ou bien par l'ajout dune deuxième couche de métal précieux sur la couche de métal précieux du cristal à quartz, par une technique de synthèse et de croissance chimique.
[0022]Conformément à une autre possibilité, la structuration de la couche de métal précieux du cristal à quartz est une structuration du type microcanal comportant des canaux fluidiques obtenus par une attaque de ladite couche par une méthode de gravure photochimique ou électrochimique, ladite structuration permettant de confiner la solution à tester sur une pluralité de zones fonctionnalisées, aptes à fonctionner séquentiellement.
[0023] Conformément à une autre possibilité, la structuration est effectuée dans le silicium du cristal à quartz en lui-même par une technique de structuration de type microelectronique ; le silicium étant recouvert par une couche de métal précieux, ladite couche de métal précieux permettant l'accrochage des (bio) espèces « sondes ».
[0024] L'invention concerne en outre un procédé de détection d'espèces biologiques ou chimique en solution mis en œuvre par le système décrit ci- dessus et caractérisé par la fonctionnalisation de la surface de métal précieux du cristal à quartz. Selon l'invention : on dépose au moins une première biomolécule sur la surface de métal précieux d'un cristal à quartz de QCM structuré, sur des zones spécifiques non juxtaposées à l'échelle micro- /nanométrique, puis on dépose une solution contenant au moins une deuxième biomolécule sur la surface dudit cristal à quartz structuré de telle sorte que ledit dépôt conduit à une réaction d'affinités biologiques entre la première et la deuxième biomolécules.
[0025] En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz structuré est effectué par un dépôt de micros gouttes ou nano gouttes à l'aide d'une micropipette ou d'une nano pipette. [0026] De préférence, le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz structuré est effectué par le biais d'une pointe AFM en mode contact.
[0027]De façon intéressante, le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz structuré est effectué par le biais d'une tête d'écriture d'imprimante à jet d'encre.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0028] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : la figurel : est une perspective montrant un exemple de structuration de surface permettant d'augmenter la surface d'interaction ;
la figure 2 : Vue de dessus d'un cristal à quartz avec une 1 er structuration ;
la figure 3 : est un schéma montrant le dépôt de microgouttes à l'aide d'une micropipette sur le cristal à quartz d'un QCM selon l'invention; la figure 4 : Vue de dessus d'un cristal à quartz avec une 2eme structuration ;
la figure 5 : est un schéma illustrant une micropipette distribuant des gouttes sur un cristal à quartz central structuré ;
les figures 6A, 6B, 6C : Dépôts de Micro gouttes de biomolécules telles que d'albumine de sérum bovin (BSA) ; et
la figure 7 : Courbe de variations fréquence de 3 gouttes de biomolécules de différentes tailles.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
[0029] La surface d'un cristal à quartz de QCM est compatible avec une structuration de surface dans le but de réaliser des capteurs ou autres fonctions. Les procédures dans ce cas sont celles de la microélectronique. [0030] Suivant l'objectif visé la structuration peut être différente, néanmoins toutes les structurations utilisant des résines photosensibles, le nano-imprint ainsi que les techniques utilisant les stencils sont utilisables. Il est donc possible par exemple, de réaliser des nanostructures par lithographie électronique ce qui permet de réaliser presque toutes les topologies possibles lorsqu' elle est associée à des techniques de dépôt et de gravure (Évaporation, pulvérisation, RIE (Reactive Ion Etching), IBE (Ion beam Etching)). C'est ainsi qu'il est facilement réalisable de déposer par évaporation une structuration de métal en utilisant une grille TEM (stencil). [0031] Une autre structuration possible consiste à réaliser des nanotours de silicium. L'ensemble de la surface de silicium est ensuite recouvert d'une couche de métal précieux servant de support pour des espèces biologiques. Cette configuration permet d'isoler spatialement différents capteurs biologiques mais également d'augmenter la surface utile d'interaction. Cette structuration du silicium peut également être complétée par une structuration microfluidique afin de pouvoir gérer différents fluides sur le QCM.
[0032] Le cristal à quartz peut être structuré de deux façons, la première structuration est une structuration de surface dudit cristal permettant d'augmenter la zone d'interaction avec la solution à tester déposée dessus. La figure 1 illustre un exemple d'une telle structuration. Cette structuration peut être réalisée par une approche top down (technique de structuration de la microélectronique). Mais également une approche bottom up (synthèse de croissance chimique) en réalisant différentes formes (étoile, cylindre, carré, etc ..) de structures et différentes dimensions du micromètre au nanomètre. [0033] L'approche top down consiste à miniaturiser des dispositifs ou des structures. Pour réaliser un circuit électronique par exemple, on passe par des motifs qui sont dessinés à grande échelle, puis réduits par des procédés photographiques, et enfin, fabriqués par des procédés de photolithographie et de gravure. On va toujours du plus grand vers le plus petit. C'est la méthode utilisée jusqu'à aujourd'hui, en particulier dans le domaine de l'électronique où la miniaturisation est prépondérante. Un matériau massif (ex : un cristal de silicium de plusieurs centaines de kilos) est découpé en fines tranches ; chacune d'entre elles servira à la fabrication collective de plusieurs centaines de puces par tranche et chaque puce est elle-même faite de plusieurs centaines de millions de composants élémentaires.
[0034] L'approche "bottom up" ou démarche du bas vers le haut est en quelque sorte l'inverse de l'approche "top-down". On cherche à disposer des briques élémentaires et à trouver le moyen de les assembler pour fabriquer des structures plus complexes. On peut fabriquer par synthèse chimique des "briques élémentaires" contenant de nombreux atomes qui sont aptes à réaliser une fonction complexe. Exemples : une molécule ayant les mêmes fonctions qu'un transistor, une molécule pouvant servir de point mémoire, etc.
[0035] La figure 2 illustre une vue d'un QCM 1 avec un premier exemple de structuration de surface de son cristal. Le procédé de détection consiste dans une première étape à déposer des sondes sur une surface du QCM 1 sur des zones spécifiques 2 dites zone de détection. Lesdites zones spécifiques 2 sont spatialement différentes, non juxtaposées à l'échelle nanométrique ou micro métriques. Les sondes sont préférentiellement des biomolécules de type anticorps, antigènes ou brin d'ADN/ARN. Le procédé consiste ensuite à déposer la solution à tester sur la surface dudit cristal QCM. Ladite solution contient des espèces biologiques 3 différentes des sondes. En effet, lesdites espèces biologiques sont des biomolécules complémentaires de type antigènes, anticorps ou ADN/ARN. Le dépôt de la solution sur la surface structurée du cristal QCM 1 , conduit à une réaction d'affinité biologique entre les sondes déposées précédemment et les biomolécules complémentaires contenues dans la solution déposée ensuite. Ainsi le cristal structuré de QCM 1 permet d'isoler différents capteurs de sorte à isoler les différentes espèces à détecter. De plus la structuration de surface du cristal 1 permet de mieux contrôler la bio fonctionnalisation spatiale des zones spécifiques de la surface et permet également de savoir où les sondes 2 ont été déposées avant analyse. Cela facilite le repositionnement des biomolécules sur les zones spécifiques fonctionnalisées 2.
[0036] Par "L'affinité en biologie" on entend une relation entre espèces d'origines communes. En effet l'affinité est l'attraction sélective ou plutôt spécifique entre un anticorps et un antigène par exemple. L'affinité est variable selon les couples anticorps/ antigène, et les conditions du milieu (température, pH, ...).
[0037] La figure 3 montre le dépôt des sondes ou des biomolécules ainsi que la solution contenant des biomolécules complémentaires sur la surface du QCM 1 . Le dépôt peut être fait de plusieurs manières : Il est possible de déposer des micro ou nano gouttes 4 avec une micro ou nano pipette 5. L'utilisation de nano pipettes (NANONICS) permet de déposer très précisément sur la surface du cristal du QCM 1 des nano gouttes 4 contenant des biomolécules différentes. [0038] Il est aussi possible de déposer des biomolécules de façon très précise par le biais d'une pointe AFM (Atomique Force Microscopy) en trempant ladite pointe dans une solution contenant des anticorps (par exemple) puis en les déposant sur la surface du QCM 1 par contact.
[0039] Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un type de microscope à sonde locale qui sert à visualiser la topographie de la surface d'un échantillon. Le principe se base sur les interactions entre l'échantillon et une pointe montée sur un microlevier. La pointe balaie (scanne) la surface à représenter, et l'on agit sur sa hauteur selon un paramètre de rétroaction. Un ordinateur enregistre cette hauteur et peut ainsi reconstituer une image de la surface. Les atomes ont souvent tendance à s'attirer ; lorsque l'affinité des atomes est grande, ils se lient pour former une molécule ou un cristal, mais dans la plupart des cas, cette attraction est très faible et n'est perceptible qu'à très faible distance. À l'inverse, lorsqu'ils sont très proches, les atomes se repoussent du fait de la soumission des électrons du cortège électronique à la répulsion électrostatique. Si les atomes s'éloignent, une force les rappelle, et s'ils se rapprochent, une force les repousse.
[0040] On utilise donc cette attraction/répulsion entre les atomes surfaciques et la pointe sondeuse. La pointe est montée sur un levier très flexible ; la mesure de la flexion du levier (dans un sens ou dans l'autre) donne une mesure directe de la force d'interaction entre la surface sondée et la pointe. Il existe plusieurs modes d'utilisation de l'AFM que l'on peut regrouper en deux catégories: le mode contact (statique) et les modes dynamiques. Le mode contact utilisé dans la présente structuration consiste à utiliser les forces répulsives : la pointe appuie sur la surface, elle est donc repoussée du fait du principe de Pauli, et le levier est dévié. La rétroaction s'effectue sur la mesure de la direction de la déviation.
[0041] Une troisième méthode selon l'invention est, moins onéreuse et plus adaptée aux techniques industrielles. Elle consiste à utiliser la tête d'écriture des imprimantes de type jet d'encre pour déposer sur la surface structurée du cristal QCM 1 , sur des zones délimitées 2, un fluide contenant différentes biomolécules.
[0042] Dans les cas où on utilise des nano pipettes ou des têtes d'écriture d'imprimantes de type jet d'encre, le fluide contenant des biomolécules peut s'immiscer dans une structuration de surface et par séchage, y déposer des biomolécules sur des structures telles qu'illustrées sur la figure 1 . Ceci permet d'augmenter leur densité par unité de surface.
[0043] Le fonctionnement spécifique des différents capteurs ou bien des zones fonctionnalisées 2 du cristal QCM structuré est dit séquentiel parce que l'on vient déposer séquentiellement la solution à tester sur les capteurs 2 (sur lesdites zones fonctionnalisées). Par contre la mesure de la fréquence ou de ses variations est globale. C'est celle du cristal QCM structurée et pas celle propre à chaque capteur 2 qui est mesurée. Chaque capteur 2 permet ainsi d'identifier la présence ou non de l'espèce recherchée dans le fluide. [0044] L'aspect pratique de l'invention réside dans le fait que l'espèce biologique est dispensée sur le premier capteur à l'aide d'une micro ou nano pipette 5. Une fois l'interaction entre la solution contenant des biomolécules et le capteur achevée puis la mesure de fréquence réalisée, la solution peut être aspirée par la même pipette et lavée avec des solutions tampons pour éviter toute accroche non spécifique de sorte qu'un un nouveau test est possible.
[0045] Les zones de détection 2 sont ainsi confinées. Ledit confinement des zones de détection permet une stabilisation rapide du cristal QCM (quelques secondes en version cristal micro-/nanostructurée en comparaison avec le modèle classique de quartz qui nécessite quelques minutes pour la stabilisation de fréquence) ce qui a pour avantage une vitesse de détection accrue. De plus cette rapidité de détection permet d'éviter l'influence de la température sur le cristal qui se traduit par une variation parasite de fréquence. Cette variation causée par la température et pas par la masse rapportée représente un désavantage majeur pour que cette technique soit utilisée couramment dans les hôpitaux ou les laboratoires d'analyses.
[0046] La figure 4 illustre une vue de dessus d'un cristal quartz QCM 1 1 avec un 2eme exemple de structuration réalisée par des techniques propres à la microélectronique et la microfluidique afin de guider une quantité déterminée de fluide à tester sur une zone fonctionnalisée. Cette structuration de la surface permet de placer sur la surface du cristal QCM 1 1 une pluralité de fonctionnalisations différentes 12 et donc de capteurs. La structuration est ici une structuration simple du type microcanal comportant des canaux fluidiques 14. La structuration peut être obtenue à l'aide d'une résine photosensible ou électrosensible, positive ou négative, avec éventuellement une obturation 13 permettant de confiner le fluide contenant des biomolécules sur une pluralité de zones fonctionnalisées 12 dite zones de détections. Le fonctionnement desdites zones ou capteurs 12 est alors séquentiel et chaque capteur 12 permet d'identifier la présence ou non de l'espèce recherchée dans le fluide. [0047] Selon la figure 5, des mesures ont été réalisées sur un appareillage de type "Stanford Research Systems QCM200" démontrant le fonctionnement avec des micro-gouttes 24. La surface du cristal à quartz de QCM 1 a été préalablement structurée par évaporation e-beam, les gouttes 24 ont été déposées à l'aide de micropipettes 25. La mesure a alors été démontrée par le dépôt de protéines sur la surface dudit cristal QCM structuré.
[0048] Les figures 6A, 6B et 6C montrent des microgouttes d'albumine de sérum bovin (BSA) 100 pg/ml, présentant différents diamètres, déposées sur la surface d'un cristal à quartz d'un QCM structuré 1 . [0049] La figure 7 représente la variation de fréquence mesurée sur un cristal à quartz du QCM 1 au fur et à mesure où de telles gouttes d'albumine 24 sont déposées. On note que chaque dépôt de goutte sur la surface du cristal QCM se traduit par une variation du signal et que l'amplitude de la variation est d'autant plus grande que le volume de la goutte est grand. Ceci valide la capacité à réaliser une détection séquentielle sur le cristal QCM ainsi structuré et à quantifier la quantité déposée, par la mesure de la variation du signal. Ces mesures permettent de détecter des masses de l'ordre de quelques nano grammes. Les mesures effectuées montrent une bonne reproductibilité et le nettoyage de la surface structurée permet une réutilisation du cristal structuré, si la sonde est absorbée à sa surface. La réutilisation du cristal structuré est plus difficile si la liaison avec le cristal a été assurée par une fonctionnalisation conduisant à une liaison covalente (par exemple par la chimie des thiols sur la surface en or du cristal QCM).
[0050] Comme on dépose des micro ou nano gouttes, elles sèchent rapidement (on peut aussi les aspirer avec la pipette de dépôt). S'il n'y a pas d'interaction entre l'une des espèces biologiques et la sonde testée, la ligne de mesure revient à la ligne de base où le système retrouve sa fréquence originelle de résonance après le lavage de la surface. S'il y a interaction parce qu'une des espèces biologiques présente dans la solution correspond à la sonde déposée, après évaporation de la goutte, il y aura un décalage de

Claims

fréquence proportionnel à la concentration de l'espèce biologique ayant réagi (Figure 7). On passe ensuite à la micro ou nano structure suivante et on recommence l'expérience autant de fois qu'il y a de sondes. Comme on connaît la distribution et le positionnement des sondes sur la micro ou nano structure, on peut identifier l'espèce et comme on a mesuré le décalage de fréquence, on connaît sa concentration. On peut aussi facilement connaître grâce à la structuration la localisation précise des sondes.
[0051] De nombreuses structurations du QCM peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention (triangle, carré, cylindres, etc) ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques ou autres qu'il devra respecter.
REVENDICATIONS Système de détection d'espèces biologiques ou chimiques en solution comprenant un substrat (1 , 1 1 ), ledit substrat étant un cristal à quartz de QCM (1 , 1 1 ), caractérisé par le fait que ledit système permet une détection acoustique multiple et séquentielle d'au moins deux espèces, en ce que ledit QCM (1 , 1 1 ) est micro ou nano structuré et est régénérable et en ce que le système comprend en outre
des moyens (5, 25) pour déposer au moins deux (bio)espèces « sondes » sur au moins deux micro ou nano structures constitutives du substrat, chacune desdites (bio)espèces « sonde » étant adaptée à une détection sélective d'une espèce biologique donnée, des moyens (5, 25) pour déposer séquentiellement ladite solution contenant au moins deux (bio)espèces complémentaires desdites (bio) espèces « sondes », sur lesdites micro ou nano structures du substrat, des moyens pour mesurer la variation de fréquence globale dudit substrat structuré, cette variation de fréquence étant générée lorsque au moins une bio espèce complémentaire interagit avec ladite (bio)espèce « sonde », et des moyens pour enregistrer ladite fréquence.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel la structuration est une structuration d'une surface du cristal à quartz de QCM (1 , 1 1 ) et/ou une structuration d'une couche de métal précieux présente sur ladite surface dudit cristal à quartz de QCM ladite structuration étant apte à augmenter des zones d'interaction avec la solution à tester et permettant de repérer spatialement les zones (2, 12) où a lieu un dépôt de (bio)espèce « sondes ».
3. Système selon la revendication 2, dans lequel la structuration de surface est effectuée dans le silicium du cristal à quartz par une technique de structuration de type microélectronique le silicium étant recouvert par une couche de métal précieux, ladite couche de métal précieux permettant l'accrochage des (bio)espèces « sondes ».
4. Système selon la revendication 3 dans lequel la structuration du cristal à quartz est effectuée par ajout d'une deuxième couche de métal précieux sur la couche de métal précieux dudit cristal à quartz.
5. Système selon la revendication 3 à 4 dans lequel la structuration de la couche de métal précieux du cristal à quartz (1 1 ) est une structuration du type microcanal comportant des canaux fluidiques (14) ladite structuration permettant de confiner la solution sur une pluralité de zones fonctionnalisées (12), aptes à fonctionner séquentiellement.
6. Procédé de détection d'espèces biologiques ou chimiques en solution mis en œuvre par le système selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par la fonctionnalisation de la surface de métal précieux du cristal à quartz en ce que: on dépose au moins une première biomolécule sur la surface de métal précieux d'un cristal à quartz de QCM (1 , 1 1 ) structuré, sur des zones spécifiques (2, 12) non juxtaposées à l'échelle nanométrique ou micrométrique,
on dépose une solution contenant au moins une deuxième biomolécule sur ladite surface dudit cristal à quartz de QCM structuré de telle sorte que ledit dépôt conduit à une réaction d'affinités biologiques entre la première et la deuxième biomolécule.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz de QCM (1 , 1 1 ) est effectué par un dépôt de micros ou nano gouttes (4, 24) à l'aide d'une micro ou d'une nano pipette (5, 25).
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz de QCM (1 , 1 1 ) est effectué par le biais d'une pointe AFM en mode contact.
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le dépôt desdites première et deuxième biomolécules sur la surface de métal précieux dudit cristal à quartz de QCM est effectué par le biais d'une tête d'écriture d'imprimante à jet d'encre.
10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la structuration de surface du cristal quartz QCM (1 , 1 1 ) est effectuée par une technique de type microélectronique ou une technique de synthèse de croissance chimique.
1 1 . Procédé selon la revendication 6, dans lequel la structuration d'une couche de métal précieux du cristal à quartz (1 1 ) est obtenue par une méthode de gravure photochimique ou électrochimique.
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