Développement et modélisation de l'impédance entre deux microélectrodes planes insérées dans un polymère diélectrique : vers l'application capteur et biocapteur en mode non contact pour puces microfluidiques

par Mohammed Kechadi

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et Technologies Avancées

Sous la direction de Lila Chaal et de Bernard Tribollet.

Soutenue le 04-02-2014

à Paris 6 en cotutelle avec l'Université Abderrahmane Mira - Bejaïa (Bejaïa, Algérie) , dans le cadre de Ecole doctorale Génie des procédés et technologies avancées (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....) (laboratoire) .

Le jury était composé de Christophe Cambier, Kamel-Eddine Bouhidel, Christian Amatore, Jean Gamby.

Les rapporteurs étaient Nadine Pébère, Farida Aissani-Benissad.

mots clés

• Photoablation
• Pet
• Impédance
• Puce microfluidique
• Non contact
• Bsa
• Diélectriques
• Polyéthylène térephtalate

Résumé

Ce travail est une étude expérimentale et de modélisation d’une configuration de puce microfluidique réalisée par photoablation laser d’un polymère diélectrique, le polyéthylène téréphtalate (PET) pour des applications en bioanalyse. C’est une configuration dite « non-contact » dans laquelle deux microélectrodes sont galvaniquement isolées dans le PET sans contact avec l’électrolyte du microcanal. La caractérisation par spectroscopie d’impédance de la réponse diélectrique du PET seul a permis de conclure que le film de PET peut être considéré comme un élément à phase constante (CPE). Cela a permis la compréhension des impédances mesurées sur puce microfluidique suivant une perturbation alternative de 100 mV dans la gamme de fréquence comprise entre 1MHz à 1Hz est effectuée pour : un microcanal vide, et un microcanal rempli avec des solutions de différentes conductivités ioniques. Les résultats obtenus ont montré une grande sensibilité des mesures d’impédances par rapport aux variations de la conductivité électrique de la solution électrolytique. Un des résultats surprenant concernant les impédances identifiées a été le comportement CPE observé avec un exposant de 0,5 que nous avons relié à l’impédance de surface rugueuse due la microstructuration en surface du PET photoablaté. Tous ces résultats expérimentaux ont été confortés par la modélisation en utilisant les circuits électriques équivalents puis par les éléments finis. Ce qui a permis de modéliser à la fois les phénomènes physiques dans le microcanal et à l’interface PET/µ-canal photoablaté. Enfin, deux applications capteur puis biocapteur ont été mises en œuvre en suivant le module de l’impédance à fréquence fixe et en fonction du temps. Comme exemple ; l’étude de la cinétique d’adsorption de la BSA sur le PET et l’étude de la cinétique d’association/ dissociation entre la BSA et l’anti-BSA.

mots clés

• Photoablation
• Impedance
• PET

Titre traduit

Development and modeling of the impedance between two planar microelectrodes inserted into a dielectric polymer : application to the biosensor and sensor in non-contact mode for microfluidic chips.

Résumé

This work is an experimental study and modeling of a microfluidic chip configuration produced by laser photoablation process on a dielectric polymer, polyethylene terephthalate (PET) for new bioanalytical development. This configuration is named "non- contact" wherein two microelectrodes are galvanically isolated in the PET without contact with the streaming electrolyte. Characterization by impedance spectroscopy of the dielectric response of PET alone has concluded that the PET film can be regarded as a constant phase element (CPE). This has permitted a best understanding of the measured impedances in a microfluidic chip under a 100 mV AC excitation in the frequency range between 1 Hz to 1 MHz, which are performed for: an empty microchannel, and a filled microchannel with electrolytes at various ionic conductivities. The results obtained showed a high sensitivity of the impedance measurements in correlation with the electrical conductivity change of the electrolyte. One of the surprising results relating to the identified impedances was a CPE behavior observed with an exponent of 0.5. This latter has been connected to the impedance due to the PET surface roughness. All these experimental results were supported by modeling using the equivalent circuits and by the finite elements. This was used to model both the physical phenomena in the microchannel and at PET interface/? - channel photoablated. Finally, both sensor and biosensor applications have been implemented in the microchip by recording the impedance module at fixed frequency with time. As examples, the investigating of the kinetics of BSA adsorption on the PET and the kinetics of association / dissociation between BSA and anti?BSA have been demonstrated.