Étude et conception d’une plateforme microfluidique pour la détection de séquence ADN par spectroscopie d’impédance

Study and design of a microfluidic platform for DNA sequence detection by impedance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Ayoub Bourjilat
• Direction : Djilali Kourtiche, Frédéric Sarry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 17/11/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Romain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berquez, Claude Delpha, Mustapha Nadi, Frédérique Gadot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berquez, Claude Delpha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Spectroscopie d'impédance

ADN

Biocapteurs

Mots clés libres

Spectroscopie d’impédance

Biocapteurs ADN

Modèle de circuit équivalent

Modélisation double couche électrique

Impedance spectroscopy

DNA biosensors

Equivalent circuit model

Electrical double layer

Résumé

L’objectif de cette thèse est la conception de biocapteurs capables de détecter la présence de séquences d’ADN sans utilisation de marqueurs chimiques ou de traitement préalable de l’échantillon. Le principe de mesure utilise la spectroscopie d’impédance pour la détection du changement provoqué par la présence de la séquence ADN sur le biocapteur. Notre étude s’appuie sur des simulations analytiques et numériques pour définir les dimensions des capteurs adaptés aux mesures en basse fréquence ainsi que le développement d’un modèle de circuit équivalent qui prend en considération les effets d'interfaces. La fabrication du capteur a été réalisée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, la conception et la fabrication en salles blanches ont été optimisées pour des structures interdigitées avec différentes géométries et différents types de substrat (Verre, Si, SiO2). Après la validation du modèle, par des mesures sur des solutions de conductivité étalon et sur plusieurs concentrations d’ADN, l’analyse des résultats nous a conduits à proposer une nouvelle structure à électrodes concentriques mieux adaptée aux mesures d’impédance en basses fréquences pour des milieux liquides. Deux prototypes de taille micrométriques, l’un à électrode interdigitée et l’autre à électrode concentrique ont été développés pour une étude comparative

The objective of this thesis is the conception of a biosensor able to detect the presence of DNA sequences without any use of chemical markers or a prior treatment of the samples. The measurements are performed using impedance spectroscopy technique to detect the changes caused by the presence of DNA sequences on the biosensor. Our study is based on analytic and numeric simulations, which allows us to define the dimensions of the sensors adapted to low frequency measurements and to propose an equivalent circuit model taking into account the effects of the electrical double layer. The sensor was manufactured in several steps. Initially, clean room design and manufacturing were optimized for interdigitated structures with different geometries and substrate types (Glass, Si, SiO2). The data analysis of the measurement on standard conductivity and on several DNA concentrations using interdigitated electrode biosensor, allows us to propose a new design with concentric electrodes which is more adapted to low frequency impedance measurement according to a comparative study between interdigitated and concentric electrodes