WO2012164485A1 - Procede de fonctionnalisation de la paroi d'un pore - Google Patents

Procede de fonctionnalisation de la paroi d'un pore Download PDF

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WO2012164485A1
WO2012164485A1 PCT/IB2012/052676 IB2012052676W WO2012164485A1 WO 2012164485 A1 WO2012164485 A1 WO 2012164485A1 IB 2012052676 W IB2012052676 W IB 2012052676W WO 2012164485 A1 WO2012164485 A1 WO 2012164485A1
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pore
activation
wall
implements
pores
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PCT/IB2012/052676
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Pascal Mailley
Vincent Haguet
Pascale Pham
Jie Liu
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00206—Processes for functionalising a surface, e.g. provide the surface with specific mechanical, chemical or biological properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0214—Biosensors; Chemical sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for functionalizing a pore.
  • PCT Patent Application WO 2009/109727 describes a method for functionalizing the wall of a pore in which electrodes are arranged at the ends of the pore and / or at a distance from this end, and an electric field is created in the pore for allow a deposit on its wall.
  • PCT document WO2007 / 082075 relates to the manufacture of porous silicon, namely a nanotextured surface having interconnected random cavities (Rugate filter). A methylation of the porous surface can be obtained to passivate the silicon which is thus not stabilized. During this passivation, the material which has a three-dimensional porosity constitutes one of the electrodes in the electrochemical sense of the term. No location of the deposit is possible.
  • the basic idea of the present invention is to implement a pore in a material for generating excitons by light irradiation, namely a monocrystalline or polycrystalline semiconductor possibly passivated by a dielectric layer, for example a silicon membrane. intrinsically coated with a silica layer, or an intrinsic semiconductor such as polycrystalline diamond, whose insulating properties (very high resistivity) can dispense with a dielectric passivation layer.
  • the invention thus relates to a method for the electrochemical functionalization of an inner wall of an electrolyte-bathed pore, characterized in that said wall is made of a semiconductor material and in that it implements electrical co-activation and photonics, the electrical activation being obtained by applying a voltage or a current between electrodes located in the electrolyte on either side of the pore, and the photonic activation being able to generate excitons in the wall pore.
  • Pore means a zone or a restriction channel between two electrolytic reservoirs.
  • the inner wall of the pore is disconnected from the electrodes and the deposition takes place only on the inner wall of the pore, and is therefore located.
  • At least two pores may be arranged in series between said electrodes.
  • At least one light source can be implemented to photonically activate one of the pores arranged in series.
  • At least one light source is preferably movable to enable photonically activate one or other of the pores arranged in series.
  • At least two pores can be arranged in parallel.
  • the method may be characterized in that a first electrode is disposed on one side of the pores and is common to all the pores and in that on the other side at least a second electrode is disposed facing one another. screw of at least one of the pores arranged in parallel to functionally selectively.
  • At least one said second electrode is preferably displaceable so as to be disposed opposite one or the other of the pores arranged in parallel.
  • displaceable electrodes makes it possible to electrically activate one or more selected pores.
  • At least one light source can be implemented to optically activate one of the pores arranged in parallel. At least one said light source is preferably displaceable to allow photonically activate one or other of the pores arranged in parallel.
  • the pore may be an intrinsic semiconductor optionally provided with a passivation layer;
  • It may be in particular an intrinsic semiconductor with very high resistivity such as polychstalline diamond.
  • the current flowing through the pore has a density of, for example, between 0.2 A / cm 2 and 10 A / cm 2 .
  • the potential difference can be between 1 mV and 10 V.
  • the method can be characterized in that it implements an electrochemical functionalization using a solution comprising an electro-activatable entity.
  • the method can be characterized in that the activatable entity is selected from: i) electropolymerizable monomers, such as pyrroles, thiophenes, indoles, anilines, azines, phenylenevinylenes, phenylenes, pyrenes, furans, selenophenes, pyrridazines, carbozoles, acrylates, methacrylates and the like; their derivatives;
  • electropolymerizable monomers such as pyrroles, thiophenes, indoles, anilines, azines, phenylenevinylenes, phenylenes, pyrenes, furans, selenophenes, pyrridazines, carbozoles, acrylates, methacrylates and the like; their derivatives;
  • metal ions such as Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, etc. and their complexes or their oxides;
  • the method can be characterized in that it implements a deposit of metal on the wall of at least one pore, using an electrolyte comprising an acid and a compound comprising said metal.
  • the method can be characterized in that it implements the capture on the wall of the microbead pore from a suspension in a hybridization buffer of microbeads functionalized with target molecules, the wall of the pore having been functionalized by electrical and photonic co-activation by homologous probe molecules of the target molecules.
  • the method may be characterized in that it implements a deposition step by said co-activation in an electrolyte of a catalytic enzyme providing an electron exchange catalysis. It can then implement the application to the pore wall of a potential to generate a catalytic reaction in a liquid passing through the pore which is a particularly aqueous ionic solution containing a type of molecule which, catalyzed by the catalytic enzyme grafted by co-activation, can be transformed into another type of molecule, with application of a photonic activation which makes it possible to fulfill the function of donor or electron acceptor.
  • this electron donor or acceptor function can be fulfilled for any enzymatic reaction when a donor or acceptor of carbon electrons is present in the ionic solution, so that one can in this case do without photonic activation to obtain the catalytic reaction by applying only said potential to the pore wall.
  • the method can then be characterized in that it implements a deposition step by said co-activation of a molecule, namely radish or horseradish root ("Horse Radish Peroxidase" or HRP) suitable for catalyzing the reduction of oxygenated water to H 2 O (in this case HRP is oxidized) and a step of applying to the inner wall of the nanopore of said potential to reduce the HRP to its initial state.
  • a deposition step by said co-activation of a molecule namely radish or horseradish root (“Horse Radish Peroxidase” or HRP) suitable for catalyzing the reduction of oxygenated water to H 2 O (in this case HRP is oxidized) and a step of applying to the inner wall of the nanopore of said potential to reduce the HRP to its initial state.
  • HRP horseradish Peroxidase
  • the method may be characterized in that it implements a deposition step by said co-activation of a species sensitive either to a redox effect causing swelling or to an electrostatic effect of repulsion, for example a deposition of a conductive polymer or a DNA, and a step of applying to said wall of the pore a voltage to obtain a change in volume of the polymer or DNA.
  • a species sensitive either to a redox effect causing swelling or to an electrostatic effect of repulsion for example a deposition of a conductive polymer or a DNA
  • FIG. 1 illustrates the functionalization of a so-called through pore with the process according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the functionalization of two through pores arranged in series, with the method according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b illustrate two modes of implementation of the functionalization of traversing pores arranged in parallel, with electrodes common to the pores (FIG. 3a) or with one or more electrodes each assigned to one of the pores in parallel,
  • FIGS. 4a and 4b illustrate an implementation of the method according to the invention to selectively functionalize or not a deposit on the wall of one or more through pores
  • FIGS. 5a to 5c illustrate, in front view (5a) and in perspective view (5b), a mode of implementation of a planar pore;
  • FIG. 5c is an example of a fluidic network associating in series and in parallel planar pores,
  • FIGS. 6a to 6c and 12 to 14 illustrate two experimental setups of deposition through a through pore
  • the method according to the invention makes it possible to locally control the electrochemical properties of the dielectric inner surface of a pore, without the pore being directly linked to an electrical source.
  • the method makes it possible to locate and control the electrochemical process on the pore wall, with the possibility of a selectivity at the location of the grafted or activated functions, or else still allowing the functionalization of a pore network, series and / or parallel, heterogeneously, each pore or some of them may be functionalized by molecules, including different biomolecules.
  • This process has the following main aspects:
  • the pores pass through a semiconductor membrane from one side (FIG. 1), or they are planar (FIGS. 5a to 5c), produced by lithography (or any other process derived from micro nanotechnologies) on a semiconductor membrane.
  • the semiconductor membrane is for example an intrinsic silicon membrane or slightly doped covered by a dielectric layer (preferably silica).
  • the method according to the invention is applicable to any material allowing the generation of excitons under light activation and their separation in the form of electron-hole pairs under application of a related electric field.
  • the single pore or pore network in series and / or in parallel are filled with an electrolytic solution, containing electrochemically active species in the case of primary activation or electrolyte with or without electrointive species in the case of a secondary activation
  • An electric field is obtained by the application of a potential difference or a current, via the electrolyte using two electrodes located on either side of the pore, that is to say at the ends of the pore and / or at a distance from this end, whether the pore is a through pore or a planar pore.
  • the electrochemical property of the inner surface of the pore is controlled by a near-ultraviolet light beam visible near or infra-red.
  • the photon flux and their wavelength are important parameters. Indeed, the function of the light is to generate excitons in the semiconductor material, and therefore only the light capable of passing through the aqueous electrolyte and the silica layer (for example 4 ⁇ ) which covers the pore. This is in practice visible or near infra-red light. Any light whose wavelength corresponds to an energy greater than the forbidden bandwidth (0.8 eV for Si) and able to pass through the electrolyte and the silica layer is suitable.
  • the electric power of the halogen lamp can reach for example 150 W.
  • the amount of material disposed depends on the intensity applied because it modulates the conductivity of the membrane (wall made of semiconductor material).
  • the phenomenon of dual electric field / light activation is invertible, that is, the surface is activated when the area around the pore is illuminated by the beam of light, and the surface becomes inactive when the light is removed. . It is also possible, by keeping the light, to apply or not the electric field to activate or deactivate the surface.
  • the diameter of the light beam corresponds to the surface that one wants to activate and / or the location of the deposit on one (or more) pore (s) of a network. It can overflow this region, because outside the region of necking that defines the pore, the electric field is much weaker and generally does not allow a deposit.
  • the present invention makes it possible to induce the functionalization or modulation of the physico-chemical properties of a single pore or of one or more pores distributed in a series and / or parallel pore network.
  • the method according to the invention makes use of the technique described in WO 2009/109727 cited above.
  • This known method uses an electric field as the inductive element of the electrodeposit without contact of functional layers (monolayers, islands, films) on the walls of a single synthetic pore generated in an insulating membrane.
  • the present invention makes it possible to extend the field of application via the use of light as a "co-induction" element with the electric field which can be applied either by a potential difference between two electrodes located on the one side and on the other side. other of the pore is by a flow of current between said electrodes.
  • Directing or focusing light onto a specific area of the support makes possible the selective electrochemical functionalization of a pore in a pore network, even though potential is applied to all pores in the network.
  • the pores are indeed formed in semiconductor materials capable of generating excitons (role of light) and to obtain a charge separation under electric field (role of electrical activation).
  • the method thus makes it possible not only to functionalize the wall of a pore, but especially to control the electrical (electrochemical) properties of the wall and / or of the electro-activatable molecules possibly grafted onto it, in particular thanks to the co-activation that allows the process.
  • This "co-induction” allows in particular a multiplexing, that is to say a differentiation of the activation of pores within a series network and / or parallel pores.
  • the pores can be three-dimensional (through) or planar.
  • tridimensional pore or pore crossing means a hole having a necking of its diameter and passing through an insulating membrane from one side.
  • planar pore is meant a microfluidic channel developed by etching, stamping or molding of the surface of a plane material and having a localized necking which comprises a wall of semiconductor material.
  • the pore is made of a material for generating excitons by light irradiation, in this case a semiconductor, and passivated by a dielectric layer, the electric field then allowing, in combination with the light excitation, to obtain a charge separation sufficiently effective to generate the polarization of the walls of the pore, for example an intrinsic silicon membrane covered with silica.
  • this protocol can be implemented with a non passivated surface but semiconductor material such as polycrystalline diamond, the resistivity of which is high enough that a passivation layer is not necessary to obtain the generation of excitons.
  • Figure 1 schematically shows the device used for the modification of a single pore 3 having an inner surface for example 3 'cylindrical by electrical and photonic co-activation.
  • An electric field is applied through the pore 3 by current injection or application of a potential difference (generator 7) between the two electrodes 1 and 2 made of noble metal, for example Pt or Au.
  • a potential difference for example Pt or Au.
  • Any other metal or electrode of the first species (for example Cu) or of the second species (for example Ag / AgCl) can be used.
  • the metals (or alloys) are differentiated by their electrochemical stability (corrosion, dissolution, passivation) and / or by the stability of the interfacial potential of the material (electrode of the second kind).
  • the membrane 61 secured to a substrate 6 in which the pore is pierced is subjected to light radiation, for example in the direction of the arrow F for example through an optical fiber.
  • Other means of photon injection can be considered: optical objective, immersion objective, SNOM tip, (nanopoint used in near-field optical microscopy) waveguide.
  • the minimum exploitable wavelength is fixed by the spectral window bathing the pore membrane.
  • the photoelectric co-induction makes it possible to generate a polarization of the surface of the pore which then behaves like a pair of electrodes. Beyond a critical current density passing through the pore, the electric polarization by application of a potential difference or a current makes it possible to induce on the surface of the pore electrochemical reactions (electroplating, electrografting, electropolymerization, electroprecipitation, electroadsorption) resulting in the electrochemical functionalization of the pore by any molecule having an electro-activatable group or by any ion that can be electrodeposited in the solvent used in compartments 4 and 5.
  • this critical current density is about 3 A / cm 2 .
  • the value of the critical current density is modulated by the saline concentration and is in this case typically between 0.2 A / cm 2 and 10 A / cm 2 .
  • the electrical and light co-activation according to the invention allows a control of the electrical / electrochemical activity.
  • the invention also makes it possible, by specific interaction between the grafted groups in the pore and the surface of the object to be captured, to capture objects in a functionalized pore in order to carry out specific biological interactions (biosensor function). This capture does not require the implementation of co-activation.
  • biological objects may be for example individual cells, biological nano-objects, for example a protein, for the study of biological interactions.
  • any electro-activatable species already present on the walls of the pore 3 could be electro-activated in an electrically and photonically co-induced manner. (see Figures 4a and 4b).
  • FIGS. 5a and 5b illustrate the implementation of planar pores 3 situated between two channels 4 'and 5' etched in a substrate S made of semiconductor material.
  • the width of the necking of the planar pore can be between 1 nm and 100 ⁇ m, as can its depth.
  • the depth of the channels 4 'and 5' is greater than or equal to that of the necking and may also be between 1 nm and 100 ⁇ m.
  • the device can be closed by a cap, for example glass or polydimethylsiloxane (PDMS).
  • a cap for example glass or polydimethylsiloxane (PDMS).
  • planar pores it is possible to organize a network of pores with or without different dimensions.
  • FIG. 5c shows pores (micrometric or nanometric) organized in parallel and / or in series.
  • branches 4 ⁇ and 4 ' 2 in parallel (which form two branches of a Y) and which have planar pores in series respectively (31, 31 'and 31 ") and (32, 32' and 32"), and a branch 5 'which has a single pore 3.
  • An end of the branch 4 ⁇ has an electrode 1 i.
  • One end of the branch 4 ' 2 has an electrode 1 2 .
  • the end of the branch 5 has electrode 2.
  • the functionalization of a pore in such a network is possible with the co-activation electric field / light for example by illuminating locally the pore to be functionalized and by applying an electrical voltage between the electrode 1i and / or 1 2 on the one hand and the electrode 2 on the other hand.
  • FIG. 2 shows a functional multiplexing variant of a pore network in the case of a series structuring of the pores.
  • a Si substrate 10 has two membranes 6 1 and 6 2 in which two pores 3i and 3 2 are formed in series.
  • Optical fibers 8 1 and 8 2 allow the activation of one and / or the other of the pores 3i and 3 2 by light. The polarization is ensured as previously by the electrodes 1 and 2 with application of a current or a voltage.
  • Figure 3a shows an extension of this basic principle.
  • the light is focused by one or more optical fibers 8 1 , of which at least one can be mobile, or on one or more pores (3n, 3i 2 , ... 3in) chosen in a parallel network of n pores .
  • This focusing thus makes it possible to differentiate the functionalization of the pores and to "multiplex" the information immobilized on the surface of the walls of the pores of the same network.
  • the light focusing can be obtained by a lens, an optical fiber or a SNOM tip in the case of a nanopore network.
  • the differentiated functionalization can be obtained by displacement of one or more point sources of light on the membrane of the pore to be modified.
  • the electric field can also be circumscribed by the setting a process of confining the field lines.
  • the total area of the network can be illuminated, and the electric field is focused by the use of at least one mobile micro or nanoelectrode 1 'mounted on a positioning system (xyz) ( Figure 3b).
  • an electrode variant used for this purpose. It comprises a core constituted by a conductive wire 11 for example Pt, whose end is sheathed with glass 12.
  • the sheath 12 can be used to illuminate the pore if it is desired not to resort to illumination of the total surface of the pore network.
  • a second aspect of the invention covers the possibility of using the same device to generate secondary activation phenomena.
  • the idea here is to induce, via the use of the electron-photon pair, a reaction directed on the walls of the pore.
  • a pore may be functionalized by long DNA strands.
  • this DNA is pressed against the wall by electrostatic interaction whereas the application of an inverse polarization generates, by repulsive effect, an elongation of the chains.
  • Another use relates to the functionalization of the wall by an electronically conductive polymer (for example polypyrrole).
  • an electronically conductive polymer for example polypyrrole. Controlling the polarization of the pore allows, by electrical and photonic co-activation, the transition from a reduced state to an oxidized state, that is to say to a thicker doped film.
  • the pore can play a role of nano (bio) reactors by electrical and photonic co-activation of the immobilized function on the walls (FIG. 4b). It is of course important to note that, once again, these phenomena can be generated on one or more pores located in a parallel network and / or series of pores.
  • the device considered below has a single pore
  • Figures 1 and 2 or a network of pores arranged in parallel and / or in series ( Figures 2, 3a, 3b and 4a) constructed in a semiconductor dielectric membrane passivated (or not) by an oxide layer.
  • the pores are produced for example by selective chemical etching and photolithography or beam electronic.
  • the zones of constriction between two compartments 4 and 5 are produced for example by photolithography of a solid semiconductor substrate (silicon, germanium, etc.) or by recovery of a shape. obtained by molding or stamping (for example synthetic diamond films).
  • the focusing elements of the light and of the electric field consist of commercial devices (optical objective or optical fiber or microelectrodes respectively).
  • the light source may be a SNOM tip obtained by submicron stretching of an optical fiber.
  • microelectrodes can be introduced by conventional microtechnology processes into the interior of compartment 4 '( Figure 2) located between two successive series pores.
  • the pore has a so-called donor compartment which contains a species to be transferred to another so-called acceptor compartment. More specifically, one of the microelectrodes must be located in the acceptor compartment of the pore knowing that each pore being differentiated has a differentiated output channel for extracting the separated / modified molecules.
  • the application field of the device (pore networks) and the functionalization method according to the invention is directly related to the implementation of the functional layers introduced on the surface of the pore (s). It focuses on, on the one hand, the properties of recognition, selective capture of target species by the pore for:
  • a pore can act as a micro or nano-bio-reactor by photoelectric activity of the immobilized fraction on the walls (FIG. 4a); Reference is made in particular to Examples VII to IX below.
  • Another aspect of the invention is the possibility of using the same device to generate secondary activation phenomena. It involves inducing electrical-optical co-activation in the electrolyte and therefore the use of the electron-photon pair, a photoelectric reaction of electrochemical nature directed on the walls of the pore on which a deposit has been deposited. previously realized. This co-activation allows, for example, catalyze reactions or capture objects on the inner wall 3 'of the pore ( Figure 4b).
  • FIG. 6a An example of a through pore is shown in Figure 6a. It comprises a membrane 61 formed at the bottom of a frustoconical opening 62 of a substrate 6 of monocrystalline Si.
  • a detail of the membrane 61 with a thickness of 10 ⁇ m is shown in a box. It comprises a core of membrane 63 made of Si of thickness 2 ⁇ m covered with a coating 64 of Si0 2 of 4 ⁇ m in thickness.
  • the nominal diameter of the cylindrical pore 3 is 15 ⁇ m (FIGS. 6a and 6b) and the roughness of its wall 65 is here 0.5 ⁇ m.
  • FIG. 6b illustrates the implementation of an activity under the combined action of the injected light in the direction of the arrow F and of a current or a voltage between the electrodes 1 and 2 arranged on both sides. other of the pore 3.
  • the solution 4 and / or the solution 5 is an electrolyte (aqueous solution or ionic organic solution) which comprises an activatable entity which allows the functionalization of the pore 3.
  • Activable entities are for example:
  • electropolymerizable monomers such as pyrroles, thiophenes, indoles, anilines, azines, phenylenevinylenes, phenylenes, pyrenes, furans, selenophenes, pyrridazines, carbozoles, acrylates, methacrylates and the like; their derivatives;
  • metal ions such as Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, etc. and their complexes or their oxides (an example of metal deposition is described by Example I);
  • a voltage of 2V is applied between the electrodes 1 and 2 at a distance of 2 mm to 10 mm, which corresponds to a field of 10 5 V / mm in the pore.
  • the value of the field in the pore can be between 10 3 V / mm and 10 7 V / mm.
  • the light is provided for example by a halogen lamp. Its wavelength is for example between 0.2 pm and 1 pm.
  • the intensity of the illumination is advantageously between 100 mW / cm 2 and 500 W / cm 2 and more particularly 1 W / cm 2 and 100 W / cm 2 .
  • the intensity of the current flowing through the pore generates a potential difference that is too small to allow pore functionalization.
  • the deposition on the surface of the pore becomes too great and there is no more properly a local functionalization of the wall 3 'of the pore 3 because the deposit overflows on the surface 61' of the membrane 61.
  • the copolymer is deposited only on the inner surface 3 'of the pore.
  • the density of the current through the nanopore may for example be between 0.2 A / cm 2 and 10 A / cm 2 .
  • a polypyrrole / polypyrrole-NH 2 copolymer in the nanopore was previously deposited, for example according to the procedure described hereinafter in Example V. Then, the membrane is incubated in a gold colloid, and rinsed with H 2 O. Gold nanoparticles are immobilized in the pore by -NH 2 groups. We see a high density of gold nanoparticles in the functionalized nanopore.
  • the technique is not limited by the pore diameter. It is valid for micropores, and also for nanopores; whether they are through or planar.
  • the micropore the diagram (FIG. 6a) shows a chip that comprises a micropore 15 ⁇ m in diameter (in a box).
  • the chip was cleaned with a mixture of H 2 SO 4 / H 2 O 2, 3/1 (by volume) for 15 min, then rinsed with H 2 0 and dried under vacuum. Before functionalization, the chip with the micropore is treated with a 0 2 plasma for 1 min at 100 W.
  • Figure 6c shows the assembly used for functionalization. It comprises an optical fiber illumination device 8, the light being generated by a halogen lamp. A chip 6 which has a through pore 3 is held between two plates 21 and 22 with the interposition of O-rings.
  • Electrolvte for gold deposition for 1 liter, HAuCl (24 mM) in an aqueous solution of H 2 S0 4 (0.1 ⁇ 1 M).
  • Electrolvte for the deposition of copper for 1 liter, CuS0 4 (24 mM) in an aqueous solution of H 2 S0 4 (0.1 ⁇ 1 M).
  • a beam of light generated by a halogen lamp is brought to the electrolyte surface by an optical fiber, the light beam diameter is ⁇ 1 cm.
  • An application of such a metal deposit is the realization of vias by depositing a metal layer in a vertical channel.
  • the vertical channel is etched in a silicon substrate for electrically connecting the upper face and the lower face of the silicon substrate.
  • the metal deposit providing the electrical connection in the via can be carried out using metal ions in solution or with captured metal particles. Examples of the capture of particles in a functionalized pore are described below (Examples IV and VI).
  • Micropore and assembly the same type of micropore and the same assembly as for Example I.
  • a beam of light generated by a halogen lamp is brought or not to the electrolyte surface by an optical fiber during functionalization.
  • the light beam diameter is ⁇ 1 cm.
  • Biotin-targetZip9 Biotin- 5 GGT CTA CCT ACC CGC ACG
  • Micropore and assembly are the same as for Examples I and II.
  • the copolymer is the same as for Example III.
  • Electrolyte for 1 liter, 20 mM pyrrole and 5 ⁇ l of Zip6 py- probe in electro-polymerization buffer (6 g / L Na 2 HPO 4 , 2.9 g / L NaCl, 10% by volume glycerol, 2% by volume acetonitrile), for the deposition of ppy / ppy-ODN copolymer.
  • d) Light a beam of light generated by a halogen lamp is brought to the surface of the electrolyte by an optical fiber.
  • the light beam diameter is ⁇ 1 cm. 100 ms pulses are applied (to be specified: pulse spacing, duration of application).
  • the micropores are characterized by fluorescence microscopy. It is very clearly observed that the morphologies of the deposits are different for different current intensities. There is an applied current threshold (potential difference across the pore), above which the copolymer is deposited locally in the pore. But when the current is larger ( Figure 9c), the deposited copolymer protrudes on the surface 61 of the membrane 6 supporting the micropore, forming a ring concentric micropore.
  • Micropore and assembly are the same as for Examples I to III.
  • 0.1 mL of a streptavidin-functionalized 10 ⁇ m diameter polystyrene (PS) microbead suspension (the suspension is provided by Bangs Laboratories, Inc.) is first rinsed three times with PBS buffer and resuspended in 0, 5 mL of rinse buffer. Then 0.1 ml of biotin-target Zip9 (100 nM) in rinse buffer is added to the suspension of microbeads. The mixture is stirred for 30 minutes. Then the Microbeads are rinsed three times with the rinse buffer and resuspended in 0.5 mL of rinse buffer.
  • PS polystyrene
  • Biotin-targetZip9 Biotin- 5 GGT CTA CCT ACC CGC ACG
  • the chip which contains the ppy / ppy-zip9 functionalized micropore is suspended by a support (FIG. 10a) in the hybridization buffer.
  • the support 40 comprises a container 41 which contains the solution 42 containing the micro- or nano-particles.
  • a substrate 43 having one or more micro- or nanopores 44 is placed on a support 45 which allows the substrate 43 to bathe in the solution 42.
  • the capture is done by the specific interaction between the wall of the micropore and the surface of the microbeads, namely the hybridization between the Zip9 probe and the Zip9 target.
  • the first photo shows a microbead captured in a micropore functionalized by ppy / ppy-zip9
  • the other photo (FIG. 10d) that corresponds to a non-functionalized micropore shows that there is no microbead pretreated captured in the unfunctional micropore.
  • the material of the microparticle described here is polystyrene.
  • Another type of polymer or metal particles, inorganic oxide particles, or biological objects, such as cells, bacteria, etc., having micrometric diameters (for example between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m) can be used. .
  • the nanopore a chip that has a nanopore of 200 nm with a silicon membrane.
  • the chip was cleaned with a mixture of H 2 SO 4 H 2 O 2, 3/1, by volume for 15 min, then rinsed with H 2 O and dried under vacuum. Before functionalization, the chip with the micropore is treated with O2 plasma for 1 min at 100 W. Mounting: the same assembly as for Examples II to V above ( Figure 5c).
  • Electrolyte a solution of acetonitrile contains: for 1 liter, 0.1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (BU 4 NBF 4 ), 20 mM pyrrole and 5 mM pyrrole-NH 2 (Pyrrole- (CH 2 ) 3 [O- (CH 2 ) 2 ] 2-0- (CH2) 3-NH2).
  • Electric field a constant current of 1 nA is applied between the two electrodes for 100 ms.
  • a light beam generated by a halogen lamp is brought to the surface of the electrolyte by an optical fiber; the diameter of the light beam is ⁇ 1 cm.
  • the copolymer (polypyrrole / polypyrrole - NH 2 ) is deposited on the walls of the nanopore after functionalization.
  • a nanopore functionalized for example as described in Example V by polypyrrole / polypyrrole-Nhb is immersed in a colloidal solution of gold (20nm) for 18h, then rinsed with H 2 O and dried under vacuum. Nanoparticles can be captured using -NH 2 groups. This capture can be carried out by incubating the functionalized nanopore in a colloidal suspension of gold. This rinsing is then rinsed with H 2 O. This capture requires neither an electric field in the pore nor a bright excitation of the pore. It simply implements the specific interaction between the groups -NH 2 and the surface of the gold.
  • HRP Horseradish peroxidase
  • the nanopore can be functionalized (FIG. 12) by the HRP by the co-activation procedure according to the invention.
  • the procedure described above by Example V also makes it possible to functionalize a nanopore with a polypyrrole / polypyrrole-HRP copolymer from 5 mM of HRP pyrrole.
  • the electrolyte is evaporated and a circulation of oxygenated water is used. If a potential is applied to the inner wall of the functionalized nanopore in the presence of a photon activation (as illustrated in FIG. 12), the wall of the nanopore is capable of providing electrons to the HRP, the hydrogen peroxide reduction reaction can be carried out continuously. Hydrogen peroxide is added to one compartment and water is collected in the other compartment. HRP is used to catalyze the oxidation reaction of hydrogen peroxide.
  • the reaction can be started or stopped by switching on or off the light even if there is still potential (or current) applied across the nanopore.
  • the electron donor function filled by the pore wall no longer exists since there is no more generation of excitons.
  • the solution contains a carbon electron donor or an electron acceptor if the enzyme is a reductase (instead of HRP pyrrole), then we can dispense with photonic activation, but we can not stop or start the reaction by removing or restoring said applied potential to the wall of the nanopore.
  • a carbon electron donor or an electron acceptor instead of HRP pyrrole
  • Conductive polymers (Example VIII) can be deposited locally on the wall of a nanopore by the co-activation method according to the invention which is described in particular in Example V. The electrolyte is removed once the deposited polymers.
  • a conductive polymer has an oxidized state and a reduced state depending on the oxidation potential applied to the support (this is the wall of the pore). This potential is for example between -0.5 V and +1.5 V.
  • the pore must be filled with an ionic solution (which conducts the current). It can be aqueous or organic. It is also possible to use an ionic liquid.
  • the state of the polymer changes, the conformation of the chains also changes, which causes a change in overall volume of the polymer, which allows to close at least partially, or to open the pore.
  • the conductive polymers may be: polyacetylene (PA); polypyrrole (PPy), polythiophene (PTh); poly-p-phenylene (PPP); polyaniline (PANI); polycarbazole; polyazulene; poly (isothionaphthalène); poly (dithienothiophène); poly (dithiénylbenzène); poly (ethylenedioxythiophene) (PEDOT); poly (3-alkylthiophene); poly (phenylenevinylene) (PPV); poly (thienylenevinylene); poly (bipyrrole), poly (bithiophene), etc.
  • PA polyacetylene
  • Py polypyrrole
  • PTh polythiophene
  • PPPP polyaniline
  • PANI polycarbazole
  • polyazulene poly (isothionaphthalène); poly (dithienothiophène); poly (dithiénylbenzène); poly (ethylenedioxythiophen
  • Nano-valves can also be made by functionalizing the wall of the nanopore with DNA.
  • DNA chains have negative charges. If a positive potential is applied to the wall of the nanopore, the DNA chains aggregate and stick on the wall (the open state); on the other hand, if a negative potential is applied to the wall, the strings deviate from the wall.

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Abstract

L'invention est relative à un procédé de fonctionnalisation électrochimique d'une paroi interne d'un pore baigné par un électrolyte, caractérisé que ladite paroi est en un matériau semi-conducteur intrinsèque et en ce qu'il met en œuvre une co-activation électrique et photonique, l'activation électrique étant obtenue par application d'une tension ou d'un courant entre des électrodes situées dans l'électrolyte de part et d'autre du pore, et l'activation photonique étant apte à générer des excitons dans la paroi du pore.

Description

PROCEDE DE FONCTION NALISATION DE LA PAROI D'UN PORE.
La présente invention a pour objet un procédé de fonctionnalisation d'un pore.
La Demande de brevet PCT WO 2009/109727 décrit un procédé de fonctionnalisation de la paroi d'un pore dans lequel des électrodes sont disposées aux extrémités du pore et/ou à distance de cette extrémité, et un champ électrique est créé dans le pore pour permettre un dépôt sur sa paroi.
Le document PCT WO2007/082075 concerne la fabrication de silicium poreux, à savoir une surface nanotexturée présentant des cavités aléatoires interconnectées (filtre de Rugate). Une méthylation de la surface poreuse peut être obtenue pour passiver le silicium qui n'est donc pas stabilisé. Au cours de cette passivation, le matériau qui présente une porosité tridimensionnelle constitue l'une des électrodes au sens électrochimique du terme. Aucune localisation du dépôt n'est possible.
Il n'existe par contre pas de procédé permettant de modifier les propriétés électrochimiques de la surface intérieure d'un pore.
L'idée de base de la présente invention est de mettre en œuvre un pore en un matériau permettant de générer des excitons par irradiation lumineuse, à savoir un semi-conducteur monocristallin ou polycristallin éventuellement passivé par une couche diélectrique, par exemple une membrane en silicium intrinsèque recouverte d'une couche de silice, ou bien un semi-conducteur intrinsèque tel que le diamant polycristallin, dont les propriétés isolantes (très haute résistivité) permettent de se dispenser d'une couche de passivation diélectrique.
L'invention concerne ainsi un procédé de fonctionnalisation électrochimique d'une paroi interne d'un pore baigné par un électrolyte, caractérisé que ladite paroi est en un matériau semi-conducteur et en ce qu'il met en œuvre une co-activation électrique et photonique, l'activation électrique étant obtenue par application d'une tension ou d'un courant entre des électrodes situées dans l'électrolyte de part et d'autre du pore, et l'activation photonique étant apte à générer des excitons dans la paroi du pore.
On entend par pore, une zone ou un canal de restriction entre deux réservoirs électrolytiques. Dans cette configuration, la paroi interne du pore est déconnectée des électrodes et le dépôt s'effectue seulement sur la paroi interne du pore, et est donc localisé.
Au moins deux pores peuvent être disposés en série entre lesdites électrodes. Au moins une source lumineuse peut être mise en œuvre pour activer photoniquement un des pores disposés en série. Au moins une source lumineuse est de préférence déplaçable pour permettre d'activer photoniquement l'un ou l'autre des pores disposés en série.
Au moins deux pores peuvent être disposés en parallèle. Le procédé peut être caractérisé en ce qu'une première électrode est disposée d'un côté des pores et est commune à l'ensemble des pores et en ce que de l'autre côté au moins une deuxième électrode est disposée en vis-à-vis d'au moins un des pores disposés en parallèle pour le fonctionnaliser sélectivement.
Au moins une dite deuxième électrode est de préférence déplaçable de manière à être disposée en vis-à-vis de l'un ou l'autre des pores disposés en parallèle.
La mise en oeuvre d'électrodes déplaçables permet d'activer électriquement un ou plusieurs pores sélectionnés.
Au moins une source lumineuse peut être mise en œuvre pour activer optiquement un des pores disposés en parallèle. Au moins une dite source lumineuse est de préférence déplaçable pour permettre d'activer photoniquement l'un ou l'autre des pores disposés en parallèle.
Le pore peut être en un semi-conducteur intrinsèque éventuellement pourvu d'une couche de passivation;
Il peut être notamment en un semi-conducteur intrinsèque à très haute résistivité tel que le diamant polychstallin.
Le courant traversant le pore a une densité comprise par exemple entre 0,2 A/cm2 et 10 A/cm2. La différence de potentiel peut être comprise entre 1 mV et 10 V.
Le procédé peut être caractérisé en ce qu'il met en œuvre une fonctionnalisation électrochimique à l'aide d'une solution comprenant une entité électro-activable.
Le procédé peut être caractérisé en ce que l'entité activable est choisie parmi : i) des monomères électropolymérisables, tels que les pyrroles, les thiophènes, les indoles, les anilines, les azines, les phénylènevinylènes, les phénylènes, les pyrènes, les furanes, les sélénophènes, les pyrridazines, les carbozoles, les acrylates, les méthacrylates et leur dérivés ;
ii) les ions des métaux, tels que Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, etc. et leurs complexes ou leur oxydes ;
iii) des dérivés porteurs de fonctions électrogreffables telles que les groupements diazonium ou -NH2 ;
iv) les peintures électrophorétiques.
Le procédé peut être caractérisé en ce qu'il met en œuvre un dépôt de métal sur la paroi d'au moins un pore, à l'aide d'un électrolyte comportant un acide et un composé comprenant ledit métal.
Le procédé peut être caractérisé en ce qu'il met en œuvre la capture sur la paroi du pore de microbilles à partir d'une suspension dans un tampon d'hybridation de microbilles fonctionnalisées par des molécules cibles, la paroi du pore ayant été fonctionnalisée par co-activation électrique et photonique par des molécules sondes homologues des molécules cibles.
Le procédé peut être caractérisé en ce qu'il met en œuvre une étape de dépôt par ladite co-activation dans un électrolyte d'un enzyme catalytique assurant une catalyse par échange d'électrons. Il peut ensuite mettre en œuvre l'application à la paroi du pore d'un potentiel pour générer une réaction catalytique dans un liquide traversant le pore qui est une solution ionique notamment aqueuse contenant un type de molécule qui, catalysé par l'enzyme catalytique greffé par co-activation, peut être transformé en un autre type de molécule, avec application d'une activation photonique qui permet de remplir la fonction de donneur ou d'accepteur d'électrons.
Toutefois, cette fonction de donneur ou d'accepteur d'électrons peut être remplie pour toute réaction enzymatique lorsqu'un donneur ou accepteur d'électrons carboné est présent dans la solution ionique, ce qui fait que l'on peut dans ce cas se passer de l'activation photonique pour obtenir la réaction catalytique en appliquant seulement ledit potentiel à la paroi du pore.
Le procédé peut être alors caractérisé en ce qu'il met en œuvre une étape de dépôt par ladite co-activation d'une molécule, à savoir racine de radis ou de raifort ("Horse Radish Peroxydase" ou HRP) apte à catalyser la réduction de l'eau oxygénée en H20 (dans ce cas le HRP est oxydé) et une étape d'application à la paroi interne du nanopore dudit potentiel pour réduire le HRP à son état initial.
Le procédé peut être caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une étape de dépôt par ladite co-activation d'une espèce sensible soit à un effet redox provoquant un gonflement, soit à un effet électrostatique de répulsion, par exemple un dépôt d'un polymère conducteur ou d'un ADN, et une étape d'application à ladite paroi du pore d'une tension pour obtenir un changement de volume du polymère ou de l'ADN.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après, en liaison avec les dessins dans lesquels :
- la figure 1 illustre la fonctionnalisation d'un pore dit traversant avec le procédé selon l'invention,
- la figure 2 illustre la fonctionnalisation de deux pores traversants disposés en série, avec le procédé selon l'invention,
- les figures 3a et 3b illustrent deux modes de mise en œuvre de la fonctionnalisation de pores traversants disposés en parallèle, avec des électrodes communes aux pores (figure 3a) ou avec une ou plusieurs électrodes affectées chacune à un des pores en parallèle,
- les figures 4a et 4b illustrent une mise en œuvre du procédé selon l'invention pour fonctionnaliser sélectivement ou non un dépôt sur la paroi d'un ou plusieurs pores traversants,
- les figures 5a à 5c illustrent en vue de face (5a) et en perspective (5b) un mode de mise en œuvre d'un pore planaire ; la figure 5c étant un exemple de réseau fluidique associant en série et en parallèle des pores planaires,
- les figures 6a à 6c et 12 à 14 illustrent deux montages expérimentaux de dépôt à travers un pore traversant
- et les figures 7a et 7b ; 8a et 8b ; 9a à 9c ; 10a à 10d ; 11 a et 11b sont des illustrations de résultats correspondant à des exemples de mise en œuvre du procédé.
Le procédé selon l'invention permet de contrôler localement les propriétés électrochimiques de la surface intérieure diélectrique d'un pore, sans que le pore soit directement lié à une source électrique. Ainsi qu'il sera montré dans la suite de la description, le procédé permet de localiser et de maîtriser le processus électrochimique sur la paroi du pore, avec la possibilité d'une sélectivité au niveau de la localisation des fonctions greffées ou activées, ou bien encore en permettant la fonctionnalisation d'un réseau de pores, série et/ou parallèle, de façon hétérogène, chaque pore ou certains d'entre eux pouvant être fonctionnalisé par des molécules, notamment des biomolécules différentes.
Ce procédé comporte les aspects principaux suivants :
- Activation primaire : fonctionnalisation électrochimique d'un réseau de pores, de façon homogène ou non, en adsorbant ou en déposant des espèces sur la paroi du pore
- Activation secondaire contrôle des propriétés électrochimiques d'espèces préalablement greffées ou déposées sur la paroi du pore par activation primaire
- Contrôle d'un pore en fonctionnalisant des molécules électrochimiquement actives, par l'application d'un champ électrique et par l'application ou non de lumière
- Activation de propriétés électrochimiques d'espèces confinées dans le pore (électrochimiluminescence par exemple).
Les pores traversent une membrane semi-conductrice de part en part (figure 1 ), ou bien ils sont planaires (figures 5a à 5c), réalisés par lithographie (ou tout autre procédé issus des micro nanotechnologies) sur une membrane semi-conductrice.
La membrane semi-conductrice est par exemple une membrane en silicium intrinsèque ou faiblement dopé couvert par une couche diélectrique (de préférence en silice).
Le procédé selon l'invention est applicable à tout matériau permettant la génération d'excitons sous activation lumineuse et leur séparation sous forme de paires électron-trou sous application d'un champ électrique connexe.
Le ou les pores uniques, ou réseau de pores en série et/ou en parallèle sont remplis par une solution électrolytique, contenant des espèces électrochimiquement actives dans le cas d'une activation primaire ou d'électrolyte additionné ou non d'espèces électroinactives dans le cas d'une activation secondaire Un champ électrique est obtenu par l'application d'une différence de potentiel ou d'un courant, via l'électrolyte en utilisant deux électrodes situées de part et d'autre du pore, c'est-à-dire aux extrémités du pore et/ou à distance de cette extrémité, que le pore soit un pore traversant ou un pore planaire.
La propriété électrochimique de la surface intérieure du pore est contrôlée par un faisceau de lumière proche ultra-violet visible ou proche infra-rouge. Le flux de photons et leur longueur d'onde sont des paramètres importants. En effet, la lumière a pour fonction de générer des excitons dans le matériau semi-conducteur, et par conséquent, seule la lumière apte à traverser l'électrolyte aqueux et la couche de silice (par exemple 4 μιη) qui recouvre le pore. Il s'agit en pratique de lumière visible ou proche infra-rouge. Toute lumière dont la longueur d'onde correspond à une énergie supérieure à la largeur de bande interdite (0,8 eV pour le Si) et capable de traverser l'électrolyte et la couche de silice convient.
Il est possible d'opérer à la lumière du jour ou bien encore avec une lampe par exemple halogène à travers une fibre optique, la puissance électrique de la lampe halogène pouvant atteindre par exemple 150 W. La quantité de matière disposée dépend de l'intensité lumineuse appliquée, car c'est elle qui module la conductivité de la membrane (paroi en matériau semi-conducteur).
Le phénomène d'activation duale champ électrique/lumière est inversible, c'est-à-dire que la surface est activée quand la zone autour du pore est éclairée par le faisceau de lumière, et que la surface redevient inactive quand la lumière est retirée. On peut également, en gardant la lumière, appliquer ou non le champ électrique pour activer ou dé-activer la surface.
Le diamètre du faisceau de lumière (par exemple 1 à 2 cm) correspond à la surface que l'on veut activer et/ou à la localisation du dépôt sur un (ou plusieurs) pore(s) d'un réseau. Elle peut déborder de cette région, car en dehors de la région de striction qui définit le pore, le champ électrique est bien plus faible et ne permet en général pas un dépôt.
La présente invention permet d'induire la fonctionnalisation ou la modulation des propriétés physico-chimiques d'un pore unique ou d'un ou plusieurs pores répartis dans un réseau de pores série et/ou parallèle. Le procédé selon l'invention met à profit la technique décrite dans la Demande WO 2009/109727 précitée. Ce procédé connu utilise un champ électrique comme élément inducteur de l'électrodépôt sans contact de couches fonctionnelles (monocouches, ilôts, films) sur les parois d'un pore unique synthétique généré dans une membrane isolante.
La présente invention permet d'étendre le domaine d'application via l'utilisation de la lumière comme élément de « co-induction » avec le champ électrique qui peut être appliqué soit par une différence de potentiel entre deux électrodes situées de part et d'autre du pore soit par une circulation de courant entre les dites électrodes. Le fait de diriger ou de focaliser de la lumière sur un endroit précis du support rend possible la fonctionnalisation électrochimique sélective d'un pore dans un réseau de pores, même si un potentiel est appliqué à tous les pores du réseau. Les pores sont en effet ménagés dans des matériaux semi-conducteurs capables de générer des excitons (rôle de la lumière) et d'obtenir une séparation de charges sous champ électrique (rôle de l'activation électrique). Le procédé permet ainsi non seulement de fonctionnaliser la paroi d'un pore, mais surtout de contrôler les propriétés électriques (électrochimiques) de la paroi et/ou de molécules électro-activables éventuellement greffées sur celle-ci notamment grâce à la co-actïvation que permet le procédé.
Cette « co-induction » permet notamment un multiplexage, c'est-à-dire une différentiation de l'activation des pores au sein d'un réseau série et/ou parallèle de pores. Dans cette application, les pores peuvent être tridimensionels (traversants) ou planaires.
Par pore tridimensionel ou pore traversant, on entend un trou présentant une striction de son diamètre et traversant une membrane isolante de part en part.
Par pore planaire, on entend un canal micro-fluidique élaboré par gravure, emboutissage ou encore moulage de la surface d'un matériau plan et présentant une striction localisée qui comporte une paroi en matériau semi-conducteur.
En l'absence soit du champ électrique soit de la lumière aucune modification électrochimique de la paroi du pore n'a pu être observée.
Le pore est fabriqué dans un matériau permettant de générer des excitons par irradiation lumineuse, en l'occurrence un semi-conducteur, et passivé par une couche diélectrique, le champ électrique permettant alors, en combinaison avec l'excitation lumineuse, d'obtenir une séparation de charge suffisamment efficace pour générer la polarisation des parois du pore, par exemple une membrane en silicium intrinsèque recouverte de silice. Notons que ce protocole peut être mis en œuvre avec un matériau non passivé en surface mais semi-conducteur comme le diamant polycristallin, dont la résistivité est suffisamment élevée pour qu'une couche de passivation ne soit pas nécessaire pour obtenir la génération d'excitons.
La figure 1 présente de manière schématique le dispositif utilisé pour la modification d'un pore unique 3 ayant une surface interne par exemple cylindrique 3' par co-activation électrique et photonique.
Un champ électrique est appliqué au travers du pore 3 par injection de courant ou application d'une différence de potentiel (générateur 7) entre les deux électrodes 1 et 2 en métal noble par exemple en Pt ou Au. Tout autre métal ou électrode de première espèce (par exemple Cu) ou de seconde espèce (par exemple Ag/AgCI) peut être utilisé. On notera que les métaux (ou alliages) se différencient par leur stabilité électrochimique (corrosion, dissolution, passivation) et/ou par la stabilité du potentiel interfacial du matériau (électrode de seconde espèce).
Conjointement, la membrane 61 solidaire d'un substrat 6 dans laquelle est percé le pore est soumise à un rayonnement lumineux par exemple dans le sens de la flèche F par exemple au travers d'une fibre optique. D'autres moyens d'injection de photons peuvent être considérés : objectif optique, objectif à immersion, pointe SNOM, (nanopointe utilisée en microscopie optique en champ proche) guide d'onde....
Il est à noter ici que la longueur d'onde minimale exploitable est fixée par la fenêtre spectrale baignant la membrane du pore. La co- induction photoélectrique permet de générer une polarisation de la surface du pore qui se conduit alors comme un couple d'électrodes. Au-delà d'une densité de courant critique passant dans le pore, la polarisation électrique par application d'une différence de potentiel ou d'un courant permet d'induire à la surface du pore des réactions électrochimiques (électrodéposition, électrogreffage, électropolymérisation, électroprécipitation, électroadsorption) aboutissant à la fonctionnalisation électrochimique du pore par toute molécule présentant un groupement électroactivable ou par tout ion pouvant être électrodéposé dans le solvant utilisé dans les compartiments 4 et 5. Typiquement, dans un tampon phosphate salin PBS classique (pour 1 litre de PBS, 137 mM Nacl, 2,7 mM KCI et un tampon phosphate par exemple, 10 mM Na2HP04, 1 ,76 mM KM2 P0 ), cette densité de courant critique est d'environ 3 A/cm2. La valeur de la densité de courant critique est modulée par la concentration saline et se situe dans ce cas typiquement entre 0,2 A/cm2 et 10 A/cm2.
Ainsi qu'il sera montré plus précisément dans la suite de la description, la co-activation électrique et lumineuse selon l'invention permet une maîtrise de l'activité électrique/électrochimique.
L'invention permet également par interaction spécifique entre les groupements greffés dans le pore et la surface de l'objet à capturer, la capture d'objets dans un pore fonctionnalisé en vue de réaliser des interactions biologiques spécifiques (fonction biocapteur). Cette capture ne nécessite pas la mise en œuvre de la co-activation. De tels objets biologiques peuvent être par exemple des cellules individuelles, des nano-objets biologiques, par exemple une protéine, pour l'étude des interactions biologiques.
De la même manière toute espèce électroactivable déjà présente sur les parois du pore 3 (et préalablement déposée de préférence par la technique de co-activation électrique et photonique décrite dans la présente Demande) pourrait être électro-activée de manière co-induite électriquement et photoniquement (cf. figures 4a et 4b).
Les figures 5a et 5b illustrent la mise en œuvre de pores planaires 3 situés entre deux canaux 4' et 5' gravés dans un substrat S en matériau semiconducteur.
La largeur de la striction du pore planaire peut être comprise entre 1 nm et 100 pm, de même que sa profondeur. La profondeur des canaux 4' et 5' est supérieure ou égale à celle de la striction et peut être également comprise entre 1 nm et 100 pm.
Le dispositif peut être fermé par un capot par exemple en verre ou en polydiméthylsiloxane (PDMS).
Avec des pores planaires, il est possible d'organiser un réseau de pores ayant ou non des dimensions différentes.
La figure 5c montre des pores (micrométriques ou nanométriques) organisés en parallèle et/ou en série.
On a représenté deux branches 4Ί et 4'2 en parallèle (qui forment deux branches d'un Y) et qui comportent des pores planaires en série respectivement (31 , 31 ' et 31") et (32, 32' et 32"), et une branche 5' qui présente un pore unique 3. Une extrémité de la branche 4Ί présente une électrode 1 i. Une extrémité de la branche 4'2 présente une électrode 12. L'extrémité de la branche 5 présente l'électrode 2. La fonctionnalisation d'un pore dans un tel réseau est possible avec la co-activation champ électrique/lumière par exemple en éclairant localement le pore à fonctionnaliser et en appliquant une tension électrique entre l'électrode 1i et/ou 12 d'une part et l'électrode 2 d'autre part.
La fonctionnalisation d'un pore d'un réseau de pores planaires série et/ou parallèle est ainsi possible quelle que soit son organisation grâce à la co-activation selon l'invention.
La figure 2 présente une variante de multiplexage fonctionnel d'un réseau de pores dans le cas d'une structuration en série des pores. Un substrat 10 en Si présente deux membranes 61 et 62 dans laquelle sont formés deux pores 3i et 32 en série. Des fibres optiques 81 et 82 permettent l'activation de l'un et/ou l'autre des pores 3i et 32 par de la lumière. La polarisation est assurée comme précédemment par les électrodes 1 et 2 avec application d'un courant ou d'une tension.
La figure 3a présente une extension de ce principe de base. Dans cette extension, la lumière est focalisée par une ou plusieurs fibres optiques 81, dont au moins une peut être mobile, ou sur un ou plusieurs pores (3n, 3i2, ...3in) choisis dans un réseau parallèle de n pores. Cette focalisation permet ainsi une fonctionnalisation différentiée des pores et de fait un "multiplexage" de l'information immobilisée à la surface des parois des pores d'un même réseau. La focalisation lumineuse peut être obtenue par un objectif, une fibre optique ou encore une pointe SNOM dans le cas d'un réseau de nanopores. La fonctionnalisation différentiée peut être obtenue par déplacement d'une ou plusieurs sources ponctuelles de lumière sur la membrane du pore à modifier.
Si l'on conçoit que le choix d'un pore dans un réseau série et/ou parallèle de pores peut être obtenue par focalisation de la lumière, il est aussi important de noter que le champ électrique peut lui aussi être circonscrit par la mise en œuvre d'un processus de confinement des lignes de champ. Dans ce cas, la surface totale du réseau peut être illuminée, et le champ électrique est focalisé par l'utilisation d'au moins une micro ou nanoélectrode 1 ' mobile montée sur un système de positionnement (xyz) (figure 3b). Dans l'encadré de la figure 3b, on a représenté une variante d'électrode utilisable à cet effet. Elle comporte un c ur constitué par un fil conducteur 11 par exemple en Pt, dont l'extrémité est gainée de verre 12.
La gaine 12 peut être utilisée pour illuminer le pore si l'on souhaite ne pas recourir à une illumination de la surface totale du réseau de pores.
Un deuxième aspect de l'invention couvre la possibilité d'utiliser le même dispositif pour générer des phénomènes d'activation secondaire. L'idée ici est d'induire, via l'utilisation du couple électrons- photons, une réaction dirigée sur les parois du pore. De fait on peut induire un effet de striction plus ou moins prononcée du pore par activation des effets conformationels d'un film d'une couche d'espèces dont les propriétés de gonflement, de conformations sont sensibles aux propriétés électrochimiques de la surface du pore (figures 4a et 4b).
Par exemple, un pore peut être fonctionnalisé par des brins d'ADN longs. Par application localisée de lumière et d'un champ électrique produisant une charge électrique positive de la paroi, cet ADN se plaque contre la paroi par interaction électrostatique alors que l'application d'une polarisation inverse génère par effet de répulsion une élongation des chaînes.
Une autre utilisation se rapporte à la fonctionnalisation de la paroi par un polymère conducteur électronique (par exemple polypyrrole). La maîtrise de la polarisation du pore permet par co-activation électrique et photonique le passage d'un état réduit à un état oxydé, c'est-à-dire à un film dopé plus épais.
Le pore peut jouer un rôle de nano(bio)réacteurs par co- activation électrique et photonique de la fonction immobilisée sur les parois (figure 4b). Il est bien sur important de noter que, une nouvelle fois, ces phénomènes peuvent être générés sur un ou plusieurs pores situés dans un réseau parallèle et/ou série de pores.
Le dispositif considéré ci-dessous comporte un pore unique
(figures 1 et 2) ou un réseau de pores disposés en parallèle et /ou en série (figures 2, 3a, 3b et 4a) construit dans une membrane diélectrique semi- conductrice passivée (ou non) par une couche d'oxyde.
Dans le cas d'un réseau de pores à trois dimensions (traversant une membrane diélectrique, les pores sont fabriqués par exemple par gravure chimique sélective et photolithographie ou par faisceau électronique. Dans le cadre d'un réseau à deux dimensions, les zones de strictions entre deux compartiments 4 et 5 sont élaborés par exemple par photolithographie d'un substrat semi-conducteur massif (silicium, germanium...) ou par recouvrement d'une forme obtenue par moulage ou emboutissage (par exemple films de diamant synthétique).
Les éléments de focalisation de la lumière et du champ électrique consistent en des dispositifs commerciaux (objectif optique ou fibre optique ou microélectrodes respectivement). Dans un second mode de réalisation, la source de lumière peut être une pointe SNOM obtenue par étirement submicronique d'une fibre-optique. Il est important de noter que dans le cas d'un réseau de pores planaires, les microélectrodes peuvent êtres introduites par les procédés classiques de microtechnologies à l'intérieur mêle du compartiment 4' (figure 2) situé entre deux pores série successifs. Le pore possède un compartiment dit donneur qui contient une espèce à transférer vers un autre compartiment dit accepteur. Plus précisément, l'une des microélectrodes doit être située dans le compartiment accepteur du pore sachant que chaque pore étant différencié possède un canal de sortie différencié permettant d'extraire les molécules séparées/modifiées.
Le champ applicatif du dispositif (réseaux de pores) et du procédé de fonctionnalisation selon l'invention est directement lié à la mise en uvre des couches fonctionnelles introduites à la surface du (des) pore(s). Il se concentre sur, d'une part, les propriétés de reconnaissance, de capture sélective d'espèces cibles par le pore pour :
- leur numération (immobilisations réversible, ou détection du passage par induction d'un effet retard -chromatographie-)
- leur détection (présence, une seule espèce détectée suffit comme pour la contamination bactérienne par exemple)
Un pore peut jouer le rôle d'un micro ou nano bio-réacteur par activité photoélectrique de la fraction immobilisée sur les parois (figure 4a) ; on se reportera en particulier aux exemples VII à IX ci-dessous.
Un autre aspect de l'invention est la possibilité d'utiliser le même dispositif pour générer des phénomènes d'activation secondaire. Il s'agit d'induire par la co-activation électrique-optique dans l'électrolyte et donc l'utilisation du couple électrons-photons, une réaction photo-électrique de nature électrochimique dirigée sur les parois du pore sur lesquelles un dépôt a été préalablement réalisé. Cette co-activation permet par exemple de catalyser des réactions ou de capturer des objets 30 sur la paroi interne 3' du pore (figure 4b).
Un exemple de pore traversant est représenté à la figure 6a. Il comporte une membrane 61 ménagée au fond d'une ouverture tronconique 62 d'un substrat 6 en Si monocristallin.
Un détail de la membrane 61 d'épaisseur 10 pm est représenté en encadré. Elle comporte un c ur de membrane 63 en Si d'épaisseur 2 pm recouvert d'un revêtement 64 enSi02 de 4 pm d'épaisseur.
Le diamètre nominal du pore cylindrique 3 est de 15 pm (figures 6a et 6b) et la rugosité de sa paroi 65 est ici de 0,5 pm.
La figure 6b illustre la mise en œuvre d'une activité sous l'action combinée de la lumière injectée dans le sens de la flèche F et d'un courant ou d'une tension entre les électrodes 1 et 2 disposés de part et d'autre du pore 3. La solution 4 et/ou la solution 5 est un électrolyte (solution aqueuse ou solution organique ionique) qui comporte une entité activable qui permet la fonctionnalisation du pore 3.
Les entités activables sont par exemple :
i) des monomères électropolymérisables, tels que les pyrroles, les thiophènes, les indoles, les anilines, les azines, les phénylènevinylènes, les phénylènes, les pyrènes, les furanes, les sélénophènes, les pyrridazines, les carbozoles, les acrylates, les méthacrylates et leur dérivés ;
ii) les ions des métaux, tels que Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, etc. et leurs complexes ou leur oxydes (un exemple de dépôt de métal est décrit par l'exemple I) ;
iii) des dérivés porteurs de fonctions électrogreffables telles que les groupements diazonium ou -NH2;
iv) les peintures électrophorétiques.
Par exemple, une tension de 2V est appliquée entre les électrodes 1 et 2 distantes de 2 mm à 10 mm, ce qui correspond à un champ de 105 V/mm dans le pore. La valeur du champ dans le pore peut être comprise entre 103 V/mm et 107 V/mm.
La lumière est apportée par exemple par une lampe halogène. Sa longueur d'onde est par exemple comprise entre 0,2 pm et 1 pm.
Elle est préférentiellement amenée à la surface de la membrane 61 par une fibre optique. L'intensité de l'éclairement est avantageusement comprise entre 100 mW/cm2 et 500 W/cm2 et plus particulièrement 1 W/cm2 et 100 W/cm2.
Dans le cas de la fonctionnalisation par co-activation champ électrique lumière, par exemple avec une impulsion de tension de 2 V pendant 100 ms et une intensité lumineuse de 10 W/cm2, d'un micropore par un copolymère polypyrrole/polypyrrole-sonde ADN, lorsque le champ électrique et la lumière sont appliqués, on constate une émission de fluorescence émanant de la paroi interne 3' du pore 3. Après la fonctionnalisation, le pore revêtu dudit copolymère est hybridé avec des Biotine-cible ADN, suivi par un couplage avec stéptavidine-phycoérythrine (SAPE) qui est une molécule fluorescente.
Il est également possible de faire circuler un courant constant donné entre les deux électrodes, plutôt que d'appliquer une tension constante.
Avec la même application de lumière que précédemment, on ne constate aucun effet avec un courant de 2 μΑ. Un effet de fluorescence apparaît avec un courant de 5 μΑ et avec un courant de 1 μΑ, l'effet de fluorescence est nettement plus important (figures 5f à 5i). En pratique, à titre d'exemple, on peut donc utiliser pour un pore de diamètre 15 pm, un courant d'intensité comprise entre 5 μΑ et 20 μΑ.
En dessous de 5 μΑ, l'intensité du courant qui traverse le pore génère une différence de potentiel qui est trop faible pour permettre la fonctionnalisation de pore. Au dessus de 20 μΑ, le dépôt à la surface du pore devient trop important et il n'y a plus à proprement parler une fonctionnalisation locale de la paroi 3' du pore 3 car, le dépôt déborde sur la surface 61' de la membrane 61. Avec un courant de 11 μΑ (valeur optimale), le copolymère se dépose seulement à la surface intérieure 3' du pore.
Ainsi, dans chaque application, on peut définir un niveau de courant minimal apte à la fonctionnalisation du pore, et un courant maximal pour lequel le dépôt devient trop important.
Un exemple de fonctionnalisation électrochimique d'un nanopore est décrit ci-après.
Il s'agit d'un nanopore de 200 nm de diamètre sur une membrane de silicium recouverte par une couche de silice native (de quelque nanomètres d'épaisseur). L'expérience a été réalisée avec éclairage par lumière, et l'intensité de l'impulsion de courant qui est appliquée est d'environ 1 nA, valeur pour laquelle la densité de courant dans le nanopore est sensiblement égale à celle utilisée pour le micropore de l'exemple précédent.
La densité du courant à travers le nanopore peut être par exemple comprise entre 0,2 A/cm2 et 10 A/cm2.
On a préalablement déposé par exemple selon la procédure décrite ci-après dans l'Exemple V un copolymère polypyrrole/polypyrrole-NH2 dans le nanopore. Ensuite, la membrane est incubée dans un colloïde d'or, et rincée par H20. Des nanoparticules d'or sont immobilisées dans le pore par les groupes -NH2. On voit une forte densité des nanoparticules d'or dans le nanopore fonctionnalisé.
Cette fonctionnalisation électrochimique du nanopore qui permet l'immobilisation de nanoparticules d'or par des groupes NH2, ne se produit pas dans les deux conditions suivantes :
i) sans lumière sur une membrane semi conductrice par exemple en silicium ;
ii) sur une membrane qui n'est pas semi conductrice par exemple en SiN avec ou sans lumière.
La technique n'est pas limitée par le diamètre de pore. Il est valable pour les micropores, et aussi pour les nanopores; qu'ils soient traversants ou planaires.
Des exemples de caractérisation sont donnés ci-après :
EXEMPLE I : Dépôt de métal dans un micropore
Conditions expérimentales :
a) Le micropore : le schéma (figure 6a) montre une puce qui comporte un micropore de 15 pm de diamètre (en encadré). La puce a été nettoyée par un mélange de H2SO4/H2O2, 3/1 (en volume) pendant 15 min, puis rincé par H20 et séché sous vide. Avant la fonctionnalisation, la puce avec le micropore est traitée par un plasma 02 pendant 1 min à 100 W.
La figure 6c montre le montage qu'on utilise pour la fonctionnalisation. Il comporte un dispositif 8 d'éclairement par fibre optique, la lumière étant générée par une lampe halogène. Une puce 6 qui comporte un pore traversant 3 est maintenu entre deux plaques 21 et 22 avec interposition de joints toriques.
L'ensemble est baigné par un électrolyte (figuré en grisé). Une tension électrique continue est appliquée entre les deux électrodes 1 et 2 par un potentiostat 7. bi) Electrolvte pour le dépôt d'or: pour 1 litre, HAuCI (24 mM) dans une solution aqueuse d'H2S04 (0.1 ~ 1 M).
b2) Electrolvte pour le dépôt de cuiyre: pour 1 litre, CuS04 (24 mM) dans une solution aqueuse d'H2S04 (0.1 ~ 1 M).
c) Champ électrique : une différence de potentiel de 2V entre les deux électrodes est appliqué par le potentiostat 7 pendant une durée comprise entre 30s et 300 s
d) Lumière : un faisceau de lumière généré par une lampe halogène est amené à la surface d'électrolyte par une fibre optique, le diamètre de faisceau de lumière est de ~ 1 cm.
Commentaire :
Les photos de microscopie électronique à balayage (figures 7a et 7b) montrent clairement que des nanoparticules sont déposées sur la paroi du pore après la fonctionnalisatton. L'analyse par spectroscope à rayon X dispersive en énergie EDX confirme que ce sont des nanoparticules d'or.
Une application d'un tel dépôt métallique est la réalisation de vias par dépôt d'une couche métallique dans un canal vertical. Le canal vertical est gravé dans un substrat de silicium pour connecter électriquement la face supérieure et la face inférieure du substrat de silicium. Le dépôt métallique réalisant la connexion électrique dans le via peut être effectué à l'aide d'ions métalliques en solution ou à l'aide de particules métalliques capturées. Des exemples de la capture des particules dans un pore fonctionnalisé sont décrits ci-après (Exemples IV et VI).
EXEMPLE II : Effet de la lumière pendant le dépôt
Conditions expérimentales :
a) Micropore et montage: le même type de micropore et le même montage que pour l'Exemple I.
b) Composition de l'électrolvte : pour 1 litre, NaH2P04 50 mM, NaCI 50 mM, Glycérol 10% v/v, pyrrole 20 mM, pyrrole-sondeZip9 5μΜ. La pyrrole-sondeZip9 est :
pyrrole-5'(T)io-GAC CAT CGT GCG GGT AGG TAG ACC3' c) Champ électrique : le montage est mis dans une cage de Faraday, une différence de potentiel de 2V entre les deux électrodes 1 et 2 est appliquée par le potentiostat 7 pendant 100 ms.
d) Lumière : un faisceau de lumière généré par une lampe halogène est amené ou non à la surface d'électrolyte par une fibre optique pendant la fonctionnalisation. Le diamètre de faisceau de lumière est de ~ 1 cm.
Commentaire :
Après l'hybridation avec des cibles Biotine-cibleZip9 et couplage avec des streptavidine-phycoérythrine (SAPE), les micropores sont observés sous microscope à fluorescence. La présence de fluorescence (figure 8b) prouve la présence de copolymères déposés grâce à la fonctionnalisation. On voit clairement (figure 8a) qu'il n'y a pas de dépôt dans le pore s'il n'est pas éclairé pendant la fonctionnalisation, même si une différence de potentiel est appliquée.
(Biotine-cibleZip9 = Biotine-5 GGT CTA CCT ACC CGC ACG
ATG GTC 3 )
EXEMPLE III : Effet de l'intensité du champ électrique appliqué
Conditions expérimentales :
a) Micropore et montage : Le micropore et le montage sont le même que pour les Exemples I et II. Le copolymère est le même que pour l'exemple III.
b) Electrolyte: pour 1 litre, 20 mM de pyrrole et 5 μΜ de py- sondeZip6 en tampon d'électro polymérisation (6g/L Na2HP04, 2.9 g/L NaCI, 10 % en volume glycérol, 2% en volume acétonitrile), pour le dépôt de copolymère ppy/ppy-ODN.
c) Champ électrique : un courant de 2 μΑ (figure 9a), 5 μΑ (figure 9b), et 11 μΑ (figure 9c) entre les deux électrodes est appliqué respectivement sur trois micropores pendant 100ms par le potentiostat 7.
d) Lumière : un faisceau de lumière généré par une lampe halogène est amené à la surface de l'électrolyte, par une fibre optique. Le diamètre de faisceau de lumière est de ~ 1 cm. On applique des 'impulsions de 100 ms (A PRECISER : espacement des impulsions ; durée de leur application).
Commentaire :
Après l'hybridation et couplage, les micropores sont caractérisés en microscope par fluorescence. On observe très clairement que les morphologies des dépôts sont différentes pour des intensités de courant différentes. Il existe un seuil de courant appliqué (différence de potentiel à travers le pore), au dessus duquel le copolymère est déposé localement dans le pore. Mais quand le courant est plus grand (figure 9c), le copolymère déposé déborde sur la surface 61 de la membrane 6 supportant le micropore, en formant un anneau concentrique au micropore.
EXEMPLE IV : Capture de microbilles dans un micropore fonctionnalisé
Fonctionnalisation du micropore :
a) Micropore et montage: le micropore et le montage sont le même que pour les exemples I à III.
b) Composition de l'électrolyte : pour 1 litre, NaH2P04 50 mM, NaCI 50 mM, Glycérol 10% en volume, pyrrole 20 mM, pyrrole-sondeZip9 5μΜ. Pyrrole-sondeZip9 = pyrrole-5'(T)i0-GAC CAT CGT GCG GGT AGG TAG ACC3'
c) Conditions de fonctionnalisation : le montage est mis dans une cage de Faraday, et la surface de la puce est éclairé par une lampe halogène via une fibre optique. Un courant constant de 5 μΑ est appliqué par les deux électrodes situées de chaque coté du pore pendant 100 ms. La puce est ensuite rincée par H20 et séchée sous vide. On obtient un micropore fonctionnalisé par un copolymère polypyrrole/polypyrrole-sondeZip9 (ppy/ppy- zip9).
d) Composition des tampons (pour 1 litre)
Tampon PBS : tampon phosphate 10 mM, NaCI 137 mM, KCI 2.7 mM, pH = 7.4.
Tampon de rinçage : tampon phosphate 10 mM, NaCI 537 mM, KCI 2.7 mM, Tween20 0.15% en volume, pH = 7.4.
Tampon d'hybridation : tampon phosphate 10 mM, NaCI 1 M, KCI 2.7 mM, Polysorbate 20 (de marque Tween20) ; 0,15% en volume, de solution Denhart 50X commercialisée par INVITROGEN, 2% en volume d'ADN de sperme de Saumon 10 pg/ml, pH = 7.4.
e) Prétraitement des microbilles
0.1 mL d'une suspension de microbilles en polystyrène (PS) de diamètre 10 pm fonctionnalisées par des streptavidines (la suspension est fournie par Bangs Laboratories, Inc) est d'abord rincée trois fois avec le tampon PBS et re-suspendue dans 0,5 mL de tampon de rinçage. Puis 0,1 mL de biotine-cibleZip9 (100 nM) en tampon de rinçage est ajouté dans la suspension de microbilles. Le mélange est agité pendant 30 min. Ensuite les microbilles sont rincées trois fois avec le tampon de rinçage et re-suspendues dans 0.5 mL de tampon de rinçage.
Biotine-cibleZip9 = Biotine-5GGT CTA CCT ACC CGC ACG
ATG GTC 3'
f) Capture des microbilles dans un micropore fonctionnalisé
La puce qui contient le micropore fonctionnalisé par ppy/ppy- zip9 est suspendue par un support (figure 10a) dans le tampon d'hybridation. Le support 40 comporte un récipient 41 qui contient la solution 42 contenant les micro- ou nano-particules. Un substrat 43 présentant un ou plusieurs micro- ou nanopores 44 est posé sur un support 45 qui permet au substrat 43 de baigner dans la solution 42.
100 μΙ de la suspension de PS microbilles prétraitées est ajouté à la surface de la puce, et on la laisse incuber pendant 15 min. Ensuite, la puce est rincée par le tampon de rinçage et observée par un microscope optique.
Comme illustré à la figure 10b, la capture se fait par l'interaction spécifique entre la paroi du micropore et la surface des microbilles, à savoir l'hybridation entre le sondeZip9 et la cibleZip9.
La première photo (figure 10c) montre une microbille capturée dans un micropore fonctionnalisé par ppy/ppy-zip9, et l'autre photo (figure 10d) qui correspond à un micropore non-fonctionnalisé montre qu'il n'y a pas de microbille prétraitée capturée dans le micropore non fonctionnalisé.
La matière de la microparticule décrite ici est le polystyrène. On peut utiliser un autre type de polymère ou des particules métalliques, des particules d'oxyde inorganique, ou encore des objets biologiques, tels que des cellules, des bactéries, etc, ayant des diamètres micrométriques (par exemple entre 1 pm et 50 pm).
EXEMPLE V : Fonctionnalisation électrochimique du nanopore par dépôt d'un copolymère :
Conditions expérimentales :
Le nanopore: une puce qui comporte un nanopore de 200 nm avec une membrane en silicium. La puce a été nettoyée par un mélange de H2SO4 H2O2, 3/1 , en volume pendant 15 min, puis rincée par H2O et séchée sous vide. Avant la fonctionnalisation, la puce avec le micropore est traitée par plasma O2 pendant 1 min à 100 W. Montage : le même montage que pour les Exemples II à V précédents (figure 5c).
Electrolyte : une solution en acétonitrile contient : pour 1 litre, 0.1 M tétrabutylammonium tétrafluoroborate (BU4NBF4), 20 mM pyrrole et 5 mM pyrrole-NH2 (Pyrrole-(CH2)3-[O-(CH2)2]2-0-(CH2)3-NH2).
Champ électrique : une courant constant de 1 nA est appliqué entre les deux électrodes pendant 100 ms.
Lumière : un faisceau de lumière généré par une lampe halogène est amené à la surface de l'électrolyte par une fibre optique ; le diamètre du faisceau de lumière est de ~ 1 cm.
Le copolymère (polypyrrole/polypyrrole - NH2) est déposé sur les parois du nanopore après la fonctionnalisation.
EXEMPLE VI : Capture de nanoparticules dans un nanopore fonctionnalisé
Un nanopore fonctionnalisé par exemple comme décrit dans l'Exemple V par du polypyrrole/polypyrrole-Nhb est immergé dans une solution colloïdale d'or (20nm) pendant 18h, puis rincé par H2O et séché sous vide. Les nanoparticules peuvent être capturées grâce aux groupements -NH2. Cette capture peut s'effectuer en incubant le nanopore fonctionnalisé dans une suspension colloïdale d'or. On rince ensuite par H2O. Cette capture ne nécessite ni champ électrique dans le pore, ni excitation lumineuse du pore. Elle met simplement en oeuvre l'interaction spécifique entre les groupements -NH2 et la surface de l'or.
EXEMPLES VII à IX : Activation secondaire EXEMPLE VII
La péroxydase du raifort (HRP) est une molécule qui est capable de catalyser la réduction de l'eau oxygénée en H2O. HRP se réduit après la réduction de l'eau oxygénée.
Dans ce contexte, on peut fonctionnaliser (figure 12) le nanopore par l'HRP par la procédure de co-activation selon l'invention. La procédure décrite ci-dessus par l'Exemple V permet également de fonctionnaliser un nanopore par un copolymère polypyrrole/polypyrrole - HRP à partir de 5 mM de pyrrole HRP. On évapore l'électrolyte et on utilise une circulation d'eau oxygénée. Si on applique à la paroi interne du nanopore fonctionnalisé un potentiel en présence d'une activation photonique, (comme illustré dans la figure 12) la paroi du nanopore est capable de fournir des électrons au HRP, la réaction de réduction d'eau oxygénée peut être réalisée en continu. On ajoute de l'eau oxygénée dans un compartiment, et on récupère de l'eau dans l'autre compartiment. L'HRP sert à catalyser la réaction d'oxydation de l'eau oxygénée.
Grâce à la co-activation, on peut démarrer ou arrêter la réaction en allumant ou en éteignant la lumière même s'il y a toujours un potentiel (ou un courant) appliqué à travers le nanopore. En l'absence de lumière, la fonction de donneur d'électrons remplie par la paroi du pore n'existe plus puisqu'il n'y a plus de génération d'excitons.
Ceci est seulement un exemple. Toutes autres réactions d'enzyme catalytique avec échange des électrons peuvent être réalisées dans des nanopores et contrôlées par la co-activation électrique et photonique. Une fois un dépôt réalisé par co-activation, l'application d'un potentiel (ou d'un courant) en présence d'une activation photonique permet de réaliser une réaction dans une solution ionique notamment aqueuse autre que l'électrolyte. Des molécules catalysées par l'enzyme immobilisé sur la paroi du pore sont alors transformées en d'autres molécules.
Si la solution contient un donneur d'électrons carboné ou un accepteur d'électrons si l'enzyme est une réductase (au lieu du pyrrole HRP), on peut alors se dispenser d'appliquer une activation photonique, mais on ne peut plus alors arrêter ou démarrer la réaction qu'en supprimant ou en rétablissant ledit potentiel appliqué à la paroi du nanopore.
EXEMPLES VIII et IX
Les exemples suivants VIII et IX sont illustrés par des schémas représentatifs des nano-valves fabriquées par co-activation à base de polymère conducteur (figure 13 - Exemple VIII) et des ADNs (figure 14 - Exemple IX).
Des polymères conducteurs (Exemple VIII) peuvent être déposés localement sur la paroi d'un nanopore par le procédé de co- activation selon l'invention qui est décrit notamment dans l'Exemple V. L'électrolyte est évacué une fois les polymères déposés.
Un polymère conducteur possède un état oxydé et un état réduit selon le potentiel d'oxydation appliqué sur le support (il s'agit de la paroi du pore). Ce potentiel est par exemple compris entre -0,5 V et +1 ,5 V. Pour oxyder ou réduire les polymères déposés, il faut remplir le pore avec une solution ionique (qui conduit le courant). Elle peut être aqueuse ou organique. On peut aussi utiliser un liquide ionique. En fonction de la tension (ou du courant) appliqué, l'état du polymère change, la conformation des chaînes change aussi, ce qui provoque un changement de volume global du polymère, qui permet de fermer au moins partiellement, ou d'ouvrir le pore.
Les polymères conducteurs peuvent être : polyacétylène (PA); polypyrrole (PPy), polythiophène (PTh); poly-p-phénylène (PPP); polyaniline (PANI); polycarbazole; polyazulène; poly(isothionaphthalène); poly(dithienothiophène); poly(dithiénylbenzène); poly(éthylènedioxythiophène) (PEDOT); poly(3-alkylthiophène); poly(phénylenevinylène)(PPV); poly(thiénylènevinylène); poly(bipyrrole), poly(bithiophène), etc.
Des nano-valves peuvent être aussi réalisées par fonctionnalisation de la paroi du nanopore par de l'ADN. (exemple IX) Les chaînes ADN ont des charges négatives. Si on applique un potentiel positif sur la paroi du nanopore, les chaînes ADN s'agrègent et collent sur la paroi (l'état ouvert); par contre, si on applique un potentiel négatif sur la paroi, les chaînes s'écartent de la paroi.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de fonctionnalisation électrochimique d'une paroi interne d'un pore baigné par un électrolyte, caractérisé que ladite paroi est en un matériau semi-conducteur intrinsèque et en ce qu'il met en œuvre une co- activation électrique et photonique, l'activation électrique étant obtenue par application d'une tension ou d'un courant entre des électrodes situées dans l'électrolyte de part et d'autre du pore, et l'activation photonique étant apte à générer des excitons dans la paroi du pore.
2) Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il met en œuvre au moins deux pores disposés en série entre lesdites électrodes.
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source lumineuse activant photoniquement un des pores disposés en série.
4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins une source lumineuse est déplaçable pour permettre d'activer photoniquement l'un ou l'autre des pores disposés en série.
5) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en œuvre au moins deux pores disposés en parallèle.
6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une première électrode est disposée d'un côté des pores et est commune à l'ensemble des pores et en ce que de l'autre côté au moins une deuxième électrode est disposée en vis-à-vis d'un des pores disposés en parallèle pour le fonctionnaliser sélectivement.
7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une deuxième électrode est déplaçable de manière à être disposée en vis-à-vis de l'un ou l'autre des pores disposés en parallèle.
8) Procédé selon une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source lumineuse activant optiquement un des pores disposés en parallèle.
9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins une dite source lumineuse est déplaçable pour permettre d'activer photoniquement l'un ou l'autre des pores disposés en parallèle. 10) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pore est en un semi-conducteur intrinsèque pourvu d'une couche de passivation.
11 ) Procédé selon une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le pore est en un semi-conducteur intrinsèque à très haute résistivité tel que le diamant polycristallin.
12) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant traversant le pore a une densité comprise par exemple entre 0,2 A/cm2 et 10 A/cm2.
13) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en œuvre une fonctionnalisation électrochimique à l'aide d'une solution comprenant une entité électro-activable.
14) Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'entité électro-activable est choisie parmi :
i) des monomères électropolymérisables, tels que les pyrroles, les thiophènes, les indoles, les anilines, les azines, les phénylènevinylènes, les phénylènes, les pyrènes, les furanes, les sélénophènes, les pyrridazines, les carbozoles, les acrylates, les méthacrylates et leur dérivés ;
ii) les ions des métaux, tels que Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, etc. et leurs complexes ou leur oxydes ;
iii) des dérivés porteurs de fonctions électrogreffables telles que les groupements diazonium ou -NH2 ;
iv) les peintures électrophorétiques.
15) Procédé selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un dépôt de métal sur la paroi d'au moins un pore, à l'aide d'un électrolyte comportant un acide et un composé comprenant ledit métal.
16) Procédé selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il met en œuvre la capture sur la paroi du pore de microbilles à partir d'une suspension dans un tampon d'hybridation de microbilles fonctionnalisées par des molécules cibles, la paroi du pore ayant été fonctionnalisée par co-activation électrique et photonique par des molécules sondes homologues des molécules cibles.
17) Procédé selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il met en œuvre une étape de dépôt par ladite co-activation dans un électrolyte d'un enzyme catalytique assurant une catalyse par échange d'électrons.
18) Procédé selon la revendication 17, caractérisé et en ce qu'il met en oeuvre l'application à ladite paroi du pore d'un potentiel pour générer une réaction catalytique dans une solution ionique traversant le pore, cette solution ionique contenant un type de molécule qui, catalysé par l'enzyme catalytique greffé par co-activation, peut être transformé en un autre type de molécule, une fonction de donneur ou d'accepteur d'électrons étant assurée soit par activation photonique, soit par la présence en solution d'un donneur ou d'un accepteur d'électrons carboné.
19) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une étape de dépôt par ladite co-activation d'une molécule apte à catalyser la réduction de l'eau oxygénée en H20 et une étape d'application à la paroi interne du nanopore dudit potentiel pour réduire en H20 de l'eau oxygénée qui circule à travers le pore.
20) Procédé selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il met en œuvre une étape de dépôt par ladite co-activation d'une espèce sensible soit à un effet redox provoquant un gonflement, soit à un effet électrostatique de répulsion, par exemple un dépôt d'un polymère conducteur ou d'un ADN, et une étape d'application à ladite paroi du pore d'une tension pour obtenir un changement de volume du polymère ou de l'ADN.
PCT/IB2012/052676 2011-06-01 2012-05-29 Procede de fonctionnalisation de la paroi d'un pore Ceased WO2012164485A1 (fr)

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