isfet

Report
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Ministère de l’enseignement supérieur et de la
recherche scientifique
Université Constantine I
Faculté des sciences de l’ingénieur
Département d’électronique
Master II électronique médicale
Préparé par:
S.e. MESKALDJI
2013/2014
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BIOCAPTEUR
ISFET
Biocapteur
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 Définition:
Un biocapteur est un outil analytique composé d’un
élément biologique appelé bio récepteur lié à un
transducteur. Le bio récepteur reconnaît spécifiquement
une molécule du milieu et l’information biochimique qui
en résulte est convertie par le transducteur en un signal
analytiquement utile.
La construction d’un biocapteur est essentiellement
basée sur l’immobilisation du bio récepteur sur le
transducteur correspondant
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Classification des biocapteurs
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Selon le Type de transducteur associé:
 électrochimique: Ampérométrique, potentiométrique,
conductimétrique,…
 optique: Optrode, résonnance de plasmon de surface…
 enthalpimétrique: microcalorimétrie…
 massique: Quartz piézo-électriques
classification des biocapteur
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Principe des biocapteurs électrochimiques
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Principe fondamental des biocapteurs
électrochimiques : beaucoup de réactions chimiques
produisent ou consomment des ions ou des électrons
qui causent à leur tour un certain changement des
propriétés électriques de la solution qui peut être
employé en tant que paramètre de mesure.
Transistor MOSFET
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 Le transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) consiste en un substrat semiconducteur sur lequel repose une fine couche
d’oxyde isolant (SiO2), d’épaisseur tox . Une couche
conductrice (métal ou polysilicium fortement dopé)
appelée électrode de grille est aussi déposée sur
l’oxyde. Enfin, deux régions fortement dopées de
profondeurs Xj, appelées source et drain, sont
formées dans le substrat de part et d’autre de la grille
Structure MOSFET
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La tension appliquée sur l’électrode de grille fait varier la conductance
entre les deux régions source-drain ce qui fait varier le courant dans le
canal situé en dessous. La source et le substrat dans le circuit électronique
sont portés au même potentiel, en générale la masse.
Selon la valeur de la tension de grille VG on peut définir plusieurs zones de
fonctionnement :
 1) VG=0 le canal est saturé en porteurs majoritaires, les trous. Aucun
courant ne peut circuler entre la source et le drain
 2) 0 < VG<VT(VT = tension de seuil)
– les trous sont repoussés vers le substrat.
C’est le régime de déplétion. Aucun courant ne peut circuler dans le canal
entre la source et le drain.
 3) VG>VT -les trous du substrat dans le canal seront repoussés pour laisser
la place aux porteurs minoritaires, les électrons. Si maintenant le drain est
porté à un potentiel VD supérieur à la source, alors les électrons s’écoulent
de la source vers le drain en créant un courant de drain ID.
ISFET
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En 1970, Piet Bergveld développa un nouveau
procédé électronique permettant de mesurer
l’activité des ions dans un milieu chimique et
biochimique. Il utilisa le principe d’une électrode
de verre et d’un transistor à effet de champ. Il mit
en évidence la sensibilité aux ions
H+ d’un transistor MOS (Métal-OxydeSemiconducteur) sans grille métallique. Il
introduisit ainsi le premier capteur chimique
(ChemFET) à effet de champ, l’ISFET (Ion
Sensitive Field Effect Transistor) -diffusion de la
chaleur.
Définition de L’ISFET
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 l’ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) est,
en fait, un transistor MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) dont
l’électrode de grille est remplacée par une
combinaison d’une membrane ou une couche
sélective d’ions (pouvant être simplement la surface
de l'oxyde de grille) (ISE) dans une solution
analytique et d’une électrode de référence .L’ISE
peut être SiO2, Al2O3, Si3N4 ou Ta2O5 dans le cas
de détection des variations de pH.
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Dans la plupart des applications, la couche
sensible chimiquement est déposée directement sur
le silicium à l'emplacement de la grille et permet la
détection de charges.
Nous citerons parmi les différents ions qui font l'objet
d'études les ions potassium K+, sodium Na+, chlore
Cl-, calcium Ca2+, fluor F-… mais surtout l'ion
hydrogène H+
Vue schématique d’un capteur ISFET
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Principe de l’ISFET:
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Le principe de fonctionnement du capteur chimique
ISFET est basé sur le piégeage d’ions au niveau de la
couche sensible. Les charges piégées induisent une
variation du potentiel chimique ψ et donc de la
tension de seuil du transistor VT..
la grille métallique est remplacée par une électrode de
référence, l’électrolyte à analyser et une grille
isolante sensible à la concentration en ion recherché
(par exemple H+).
Principe physico-chimique de la
technique:
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 le principe physico-chimique de détection de l’ISFET est basé sur
le cas où aucune charge ne pourrait traverser l’interface
électrode-électrolyte, il apparaît à cette interface une région très
dense en ions, épaisse de quelques angströms, qui est le siège de
réactions électriques et chimiques. L’accumulation de ces
charges modifie le comportement de cette interface qui devient
alors analogue à un condensateur. Plusieurs modèles ont été
développés pour rendre compte et expliquer les phénomènes
électrostatiques qui ont lieu à l’interface Electrolyte/Isolant/
Solide. Pour expliquer le fonctionnement de cette structure, la
théorie du « Site Binding » semble être à l’heure actuelle la seule
théorie utilisée.
Le potentiel chimique
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Nous venons de parler de la structure de
l’ISFET mais il reste toujours une question à
résoudre ‘comment mesurer la
concentration de protons ou pH dans une
solution en utilisant un ISFET?’ Il y a, en
fait, plusieurs théories permettant
d’expliquer ce phénomène: celle de Nicolski
et Eiseman et celle de Siu et Cobbold.
Sites binding theory
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Sui et Cobbold ont expliqué le mécanisme de
réponse de l’ISFET en utilisant le modèle de liaison
par sites (‘sites binding theory’). Selon eux, la
réponse de l’ISFET aux variation de pH n’est pas
causée par la diffusion des ions hydrogène dans la
couche isolante car cette diffusion nécessiterait
beaucoup trop de temps (ordre de grandeur par
secondes comme ce que étaient observées dans les
électrodes conventionnelles) par rapport aux temps
de réponse observés (millisecondes).
 A partir de cette observation, ils ont supposé que les
réactions des protons et de la membrane
inonosensible n’ont lieu qu’à l’interface oxyde –
électrolyte.

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L’équation qui régit la tension de seuil d’un MOSFET
est:
Dans le cas de l’ISFET, le même procédé de fabrication
est utilisé. Cependant des contributions
supplémentaires se manifestent ; en effet l’électrode
métallique de grille du MOSFET étant remplacée par
une électrode de référence, l’électrolyte et la couche
chimiquement sensible, l’équation précédente
devient
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 Eref : représente le potentiel de l’électrode de
référence.
 ψ est le potentiel chimique fonction du pH et
 χsol est un paramètre constant représentant le
potentiel de surface du solvant.
Détection des ions sodium et potassium
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 Le potentiel d'action, encore parfois appelé influx
nerveux, correspond à une dépolarisation transitoire,
locale, brève et stéréotypée de la membrane
plasmique des neurones, selon une loi du tout ou
rien.
 La membrane plasmique présente une perméabilité
sélective, modulable par différents facteurs comme
son degré de polarisation ou par des
neurotransmetteurs, à l'égard de différents ions (en
particulier, sodium, potassium, chlore et calcium).
Les canaux ioniques
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Pour comprendre comment créer ce potentiel d’action, il faut
comprendre le principe des canaux ioniques. Ceux-ci sont des
protéines membranaires qui permettent le passage d'un ou
plusieurs ions à travers la membrane cellulaire. Il existe de
nombreux types de canaux ioniques. Ils peuvent être sélectivement
perméables à un ion tel que le sodium, le calcium, le potassium
(figure )ou le chlorure, ou bien à plusieurs ions à la fois. Les canaux
sont impliqués dans de nombreux phénomènes cellulaires. Ils sont
responsables d'une propriété universelle aux membranes cellulaires
: l'existence d'un potentiel transmembranaire. Ils participent aussi
au phénomène d'excitabilité cellulaire. Les dépolarisations et
mouvements ioniques qu'ils provoquent assurent des phénomènes
tels que l'initiation et la propagation du potentiel d'action.
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Détection des ions sodium et
potassium
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le potentiel d’action, que nous cherchons à
mesurer de façon électrique, est lié à une
variation transmembranaire des concentrations
en ions sodium (Na+) et potassium (K+). En
évaluant les performances des ISFET
 Une simple modification de la composition de la
grille des capteurs pourrait entrainer une
sensibilité des ISFETs aux ions Na+ et K+. Des
publications [BACC 95 ; SHIN 02] ont montré
que l’aluminosilicate est sensible à ces ions.

La detection de l’urée
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
La détection de l'urée est d'un intérêt majeur pour
la dialyse rénale et pour le suivi de la réanimation
des patients. La réaction enzymatique qui permettra
la détection de l'urée est la suivante :
 L'uréase (découverte en 1876 par Musculus):
est une enzyme qui catalyse la réaction de transformation de
l'urée en dioxyde de carbone et ammoniac :
(NH2)2CO + H2O → CO2 + 2 NH3.
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Le principe de détection est basé sur la réalisation
d’une couche enzymatique générant une réaction
chimique au niveau de grille de l’ISFET. Cette
réaction chimique induit une variation de pH que
l’ISFET peut mesurer.
Le polymère que nous utilisons pour piéger les
enzymes (uréase et créatinine deiminase) est le
Polyvinyl alcool (PVA), ce polymère est
photosensible, hydrophile est surtout très bon
marché.
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Mesure de PH par le capteur ISFET
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Capteur ISFET(PH) et principe de
mesure.
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 Le capteur pH-ChemFET avec la grille SiO2 possède
une sensibilité faible et sub- Nernstienne de 30
mV/pH. L’amélioration des propriétés des microcapteurs pH-ChemFETs passe par l’investigation et
l’optimisation des matériaux de détection et de leur
dépôt sur la grille SiO2. De nombreuses membranes
sensibles aux ions hydrogène (généralement ce sont
des matériaux non-organiques) ont été élaborées afin
d’améliorer la sensibilité, la sélectivité, la stabilité et
la durée de vie.
Conclusion:
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 Les propriétés des capteurs pH-ISFETs ont été
étudiées, mettant en évidence une sensibilité quasinerstienne aux ions hydrogènes (autour de
55mV/pH) et des sensibilités moindres aux
principaux ions interférents sodium (17mV/pNa) et
potassium (11mV/pK). Cette technologie de capteurs
ont ensuite été utilisés pour la détection d’une
bactérie (Lactobacillus Acidophilus) via les
variations du pH de la solution support grâce au
relargage ou non d’acide lactique suivant leur degré
d’affinité le sucre présent en solution.
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 Par ailleurs, des capteurs pK-ISFETs ont été réalisés
avec des couches ionosensibles en PSX*. La
sensibilité des capteurs pK-ISFETs suit une loi non
linéaire en fonction du pK et est autour de 43mV/pK
pour des concentrations de pK = [1 à 3] et la
sensibilité aux ions interférents hydrogène est
inférieure à 4mV/pH pour des pH compris entre
pH = 4 à 10.
Réference
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[32] A.P.Soldatkin, A.V.El’Skaya, A.Ashulga, L.I.Netchiporouk, A.M.Nyamsi Hendji,
N.Jaffrezic-Renault, C.Martelet : Glucose sensitive field effect transistor with additional Nafion
membrane : reduction of influence of buffer capacity on the sensor response and extension of
its dynamic range, Anal.Chem.Acta 283 (1993), 695-701
[33] J.Eijkel : Potentiometric detection and caracterization of absorbed protein using stimulus
response measurement techniques, PhD Thesis, University of twente, Enschelde (1995)
[34] L.K.Meixner, S.Koch : Simulation of the ISFET operation based on the site binding model,
Sensors & Actuators, B6 (1992), 315-318
[35] R.B.M.Schasfoort : A new approach to immunofet operation , PhD Thesis, University of
twente, Enschelde (1995)
[36] A.S.Poghossian : Method of fabrication of ISFET-based biosensor on an Si-SiO2-Si
stucture, Sensors & Actuators, B44 (1997), 361-364
[37] Y.Tsujimara, M.Yokohama, K.Kimura : Comparison between silicone-rubber membranes
and plasticized poly(vinyl chloride) membranes containing calixarene ionophores for sodium
ionsensitive field-effect transistors in applicability to sodium assay in human body fluids,
Sensors & Actuators, B22 (1994), 195-199
[38] S.D.Moss, J.Janata, C.C.Johnson : An ISFET glucose sensor with a silicone rubber
membrane for undiluted serum monitoring, Anal.Chem.47 (1975), 2238-2243
Merci
Pour Votre
Attention
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