Quand un microtechnologue rencontre un bioelectrochimiste - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
Hdr Année : 2020

Quand un microtechnologue rencontre un bioelectrochimiste

Jérôme Launay

Résumé

We will highlight the scientific approaches chosen, from the development of potentiometric measurement structures with ChemFET (Chemical Field Effect Transistor) to the opening of a new technological brick associated with chemical microelectrodes. We will thus describe the evolution of our research work with regard to the study, development and characterization of bio-electrochemical microsensors, for liquid phase measurement for applications dedicated to health and the environment. In the first part, we will present a first research theme on the integration of electrochemical sensors. We will describe the concept of the ElecFET (Electrochemical Field Effect transistor) which consists of integrating around the sensitive area of ​​an ISFET a platinum microelectrode, from experimental manufacturing to the main results obtained for the electrolysis of water. and the detection of hydrogen peroxide H2O2. We will then describe the impedimetric detection mode chosen from two-electrode geometries and its application for the detection of heavy ions or the measurement of a cell's response to oxidative stress. The rest of the work on display will then focus on amperometric detection using three-electrode electrochemical cells. We will first develop the MICASSO project for monitoring oxidative stress on the surface of the skin via the use of microelectrodes, then the ANESIS project devoted to nutrient measurements in the marine! environment and finally the DOLFIN project related to the development of “'a laboratory on a chip” for the measurement of pollutants in water by monitoring physiological changes in microalgae-type biosensors. The main goal was the development of a generic multisensor platform coupling the principles of electrochemistry and fluorescence around a microfluidic structure allowing simple and fast measurements for environmental applications. The second part of the presentation will be devoted to the development of microsystems integrated into instrumentation platforms. The first industrial project put forward, in collaboration with the company Elitech, enabled the integration of pH-metrics techniques for bacterial analysis, thanks to continuous measurements of pH variations linked to the metabolism of a bacterial strain . Then, in the ANR SWEAT project, in collaboration with the companies Hemodia and Paul Boyé Technologies, we will describe the development of protective equipment incorporating biochemical sensors capable of analyzing and monitoring the concentration of certain biochemical markers such as sodium in bodily fluids such as sweat. Finally, more recently, within the framework of a FUI InnoperfBlé project led by the company Agronutrition, we will expose the development of an analysis microsystem based on ISFET technology for monitoring the nitrogen cycle in the crops! of durum wheat (pH measurement, detection of nitrate ions and ammonium ions). The third part of this talk will be devoted to research prospects. We will present the directions that we would like to favor, by continuing to develop liquid phase detection microsystems for health, agriculture and environment applications, with the implementation of complete measurement systems, autonomous and communicating. This work will clearly position itself on material, technology and system integration axes and will envisage collaborations with experts on the communication, energy management but also signal processing and mechanical system parts. We will describe the perspectives in the theme ‘ChemFET field effect transistors’ in response to calls for tenders, for example a potassium detection system in soil or the detection of nitrates in water for environmental applications. A microfluidic platform in a multi-measure "Lab-On-a-Disc" (LOD) format will be described, to allow multiple analysis of pollutants in real time on site, ! up to the finalization of a prototype, this as part of the ANR PRCE named BELUGA, started in January 2019. With a core business centered around materials, microtechnologies, technological integration, and thanks to skills in bioelectrochemical sensors, we then offer perspectives for the continuation of our research work in the development of multisensor systems . We will finally conclude on the framework to be given to these different axes.
Nous mettrons en évidence les démarches scientifiques choisies, du développement de structures à mesure potentiométrique avec les ChemFET (Chemical Field Effect Transistor) vers l’ouverture d’une nouvelle brique technologique associée aux microélectrodes chimiques. Nous décrirons ainsi l’évolution de nos travaux de recherche en ce qui concerne l’étude, le développement et la caractérisation de microcapteurs bio-électrochimiques, pour de la mesure en phase liquide pour des applications dédiées à la santé et l’environnement. Dans la première partie, nous présenterons une première thématique de recherche sur l’intégration de capteurs électrochimiques. Nous décrirons le concept de l’ElecFET (Electrochemical Field Effect transistor) qui consiste à intégrer autour de la zone sensible d’un ISFET une microélectrode de platine, de la fabrication expérimentale jusqu’aux principaux résultats obtenus pour l’électrolyse de l’eau et la détection de peroxyde d’hydrogène H2O2. Nous décrirons ensuite le mode de détection impédimétrique choisi à partir de géométries à deux électrodes et son application pour la détection d’ions lourds ou la mesure de la réponse d’une cellule à un stress oxydant. La suite des travaux exposés se portera ensuite sur la détection ampérométrique grâce à des cellules électrochimiques à trois électrodes. Nous développerons tout d’abord le projet MICASSO pour le suivi du stress oxydant à la surfa! ce de la peau via l’utilisation de microélectrodes, puis le projet ANESIS consacré aux mesures de nutriment dans le milieu marin et enfin le projet DOLFIN lié au développement d’un laboratoire sur puce pour la mesure de polluants dans l’eau grâce au suivi de changements physiologiques de biocapteurs type microalgues. Le but principal était la mise au point d’une plateforme multicapteur générique couplant les principes de l’électrochimie et de la fluorescence autour d’une structure microfluidique permettant des mesures simples et rapides pour des applications environnementales. La deuxième partie de la présentation sera consacrée au développement de microsystèmes intégrés dans des plateformes d’instrumentation. Le premier projet industriel mise en avant, en collaboration avec la société Elitech, a permis l’intégration des techniques de pH-métrie pour l'analyse bactérienne, grâce à des mesures en continu des variations du pH liées au métabolisme d’une souche bactérienne. Ensuite, dans le projet ANR SWEAT, en collaboration avec les sociétés Hemodia et Paul Boyé Technologies, nous décrirons le développement d’équipements de protection intégrant des capteurs biochimiques capables d'analyser et de surveiller la concentration de certains marqueurs biochimiques comme le sodium dans les fluides corporels tels que la sueur. Enfin, plus récemment, dans le cadre d’un projet FUI InnoperfBlé porté par l’entreprise Agronutrition, nous exposerins le développement d'un microsystème d'analys! e basé sur la technologie ISFET pour la surveillance du cycle de l'azote dans les cultures de blé dur (mesure du pH, détection des ions nitrate et des ions ammonium). La troisième partie de cet exposé sera consacrée aux prospectives de recherche. Nous présenterons les orientations que nous aimerions privilégier, en continuant à développer des microsystèmes de détection en phase liquide pour des applications santé, agriculture et environnement, avec la mise en place de systèmes complets de mesures, autonomes et communicants. Ces travaux se positionneront clairement sur des axes matériaux, technologie et intégration système et envisageront des collaborations avec des experts sur les parties communication, gestion d'énergie mais aussi traitement du signal et système mécanique. Nous décrirons les perspectives dans la thématique ‘Transistors à effet de champ ChemFET’ en réponse à des appels d’offre, par exemple un système de détection du potassium dans le sol ou bien la détection de nitrates dans l’eau pour des applications environnementales. Une plateforme microfluidique dans ! un format "Lab-On-a-Disc" (LOD) multi-mesures sera décrite, pour permettre l’analyse multiple de polluants en temps réel sur site, en allant jusqu’à la finalisation d’un prototype, ceci dans le cadre de l’ANR PRCE nommée BELUGA, débutée janvier 2019. Avec un cœur de métier centré autour des matériaux, des microtechnologies, de l’intégration technologique, et grâce à des compétences sur les capteurs bioélectrochimiques, nous proposons par la suite des perspectives pour la suite de nos travaux de recherche dans le développement de systèmes multicapteurs. Nous conclurons enfin sur le cadre à donner à ces différents axes.
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  • HAL Id : tel-04878976 , version 1

Citer

Jérôme Launay. Quand un microtechnologue rencontre un bioelectrochimiste. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université toulouse 3 Paul Sabatier, 2020. ⟨tel-04878976⟩
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