De la détection à l’imagerie de nanoparticules magnétiques

From the detection to the magnetic nanoparticles imaging

• Auteur / Autrice : Kamel Fodil
• Direction : Christophe Dolabdjian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Senez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Dolabdjian, Vincent Senez, Pierre-Yves Joubert, Paulo Jorge Peixeiro de Freitas, Matthieu Denoual
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Yves Joubert, Paulo Jorge Peixeiro de Freitas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconstruction d'image

Biocapteurs

Nanoparticules

Fluides magnétiques

Mesures magnétiques

Résumé

Il existe un certain nombre d’applications faisant appel aux nanoparticules magnétiques (NPMs). Elles sont généralement utilisées comme marqueurs, agents de ciblage ou agents de contraste. Les travaux de cette thèse se concentrent sur les performances de méthodes magnétiques permettant leur détection. Les potentialités de détection des systèmes développés en termes de localisation et d’évaluation de concentrations dans le cadre de mesure à une ou deux dimensions (1D, 2D) sont les points clefs. Deux systèmes ont été développés, ils portent sur la détection de NPMs dans des µcanaux pour des applications biomédicales (1D) et l’imagerie magnétique de nanoparticules magnétiques (IMNP) (2D) à l’aide de magnétoimpédance géante. Pour chacune de ces méthodes, une modélisation de l’induction magnétique générée par les nanoparticules magnétiques a été entreprise. Le rapport signal à bruit (RSB) des systèmes de détection est également décrit. Il tient compte des propriétés des NPMs, du bruit intrinsèque du capteur magnétique, du système électronique d’excitation et de l’ensemble de la chaine de mesure. Cette modélisation permet d’une part, d’évaluer les seuils théoriques de détection au regard du volume et de la concentration des NPMs en fonction des paramètres du dispositif expérimental et d’autre part, de décrire la résolution spatiale ultime qu’il est possible d’obtenir, après reconstruction, en fonction de paramètres clés tels que le lift-off, la taille du pixel observé et du bruit magnétique équivalent apparaissant lors de la mesure. Afin de valider ces analyses, les modèles théoriques ont été confrontés à des mesures expérimentales en 1D et 2D. La détection dans un µcanal d’un volume de NPMs de 20 nl et de concentration de 230 mmol/l, ainsi que la reconstruction d’image 2D avec une résolution spatiale inférieure au mm ont pu être démontrées. L’ensemble des résultats obtenus est en total adéquation avec les modèles théoriques.

There exist several applications of magnetic nanoparticles (MNPs). They are commonly used as a label, targeting or contrast agents. This thesis is focused on the performance of magnetic methods for their detection. The sensing capability of the developed detection systems in terms of location and evaluation of concentrations as part of 1D and 2D measurements are the key points. Two detection systems were performed, involving sensing into a microfluidic microchannel for biomedical application (1D) and magnetic imaging using MNPs (MNPI) (2D) by using giant magnetoimpedance. Regarding both 1D and 2D cases, an analytical model of the magnetic induction generated by MNPs is performed. The signal to noise ratio (SNR) of the detection systems is also described, according to the MNPs properties, intrinsic noise of the magnetic sensor, the excitation device and all the measurement chain. This model allows on the one hand, to evalute the theoretical detection threshold for a given volume and concentration of MNPs, according to the system parameters, and on the other hand, to express the ultimate spatial resolution that can be achieved according to the key parameters such as the lift-off, the pixel size and the equivalent magnetic noise. In order to validate this analysis, the theoretical models were confronted to the 1D and 2D experimental measurements. Sensing of a volume of 20 nl of MNPs concentrated at 230 mmol/l and 2D image reconstruction with spatial resolution below 1 mm were successfully demonstrated. The overall results are in total adequacy with the theoretical models.