Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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98 Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 courant 2 (μA/cm) 0 -5 -10 -15 détection du TNT : limite de détection < 10 μg/l pH 7,00 -20 -20 bruit de fond -25 DNT TNT -25 augmentation de -30 la concentration en TNT DNT+TNT -30 - 1,4 - 1,2 - 1,0 - 0,8 - 0,6 - 0,4 - 0,2 0,0 -35 - 0,2 - 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1 tension (V/Ag-AgCI) tension (V/Ag-AgCI) Figure 4. Réponse spécifique observée lors de la réduction du TNT grâce aux électrodes diamant (à gauche). Une discrimination directe est envisageable, même avec le DNT, par la position et le nombre des pics de réduction (à droite). nécessite préalablement de relever deux défis technologiques : d’abord, élever la réactivité du diamant au niveau de celle des électrodes usuelles du détecteur (notamment en platine) car la réactivité détermine la qualité de la réponse du détecteur ; ensuite, améliorer la stabilité des électrodes conditionnant la fiabilité des capteurs. Partant de la synthèse par CVD, des études ont été menées sur les couches de diamants nanocristallines (4) dopées au bore pour en améliorer les performances électrochimiques. Les électrodes réalisées dans le cadre de ces travaux ont été optimisées par voltamétrie cyclique et par spectroscopie d’impédance électrochimique. La stabilité du comportement électrochimique de ces électrodes a été calculée en procédant à la caractérisation systématique des évolutions temporelles de la réponse des électrodes, à la fois lors de sollicitations électrochimiques intensives, et au repos. Les résultats obtenus par le Laboratoire capteurs diamant démontrent que la stabilité des électrodes augmente pour une concentration optimale d’atomes de bore dans le diamant. L’affinement du protocole de caractérisation électrochimique a permis de mieux discriminer et quantifier l’évolution des électrodes attribuée à leur exposition à l’air, à la solution redox, aux sollicitations électrochimiques en fonction de la terminaison du matériau ou de la O2 glucose GOx gluconolactone H2O2 e - GOx H2O nafion IrOx B-NCD intensité (μA) 0 -5 -10 -15 concentration en dopant. Ainsi a-t-on pu obtenir des électrodes extrêmement stables (figure 3) où la réponse demeure inchangée après plus de 1 500 cycles de voltampérométrie (en présence du couple ferri/ferrocyanure). Ces électrodes s’utilisent avec succès, notamment pour la détection de traces de TNT par voltamétrie à ondes carrées, en milieu acétonitrile, aqueux et eau de mer. Les limites de détection sont inférieures à 15 g/l (figure 4). Ces électrodes s’avèrent également très utiles pour la détection de traces dans l’eau potable : par exemple, celles d’ions lourds ou de produits contaminants comme le plomb, le cadmium, l’arsenic, les cyanides ou les pesticides. Ce type de dispositif a encore favorisé l’étude électrochimique de hauts degrés d’oxydation de complexes inorganiques d’intérêt biologique. Aussi, par la préparation sur l’électrode de récepteurs catalytiques, il devient possible, par exemple, de faire une détection directe du peroxyde d’hydrogène (H 2 O 2). Ainsi, grâce aux possibilités de greffage covalent (5) de fonctions spécifiques, peut-on réaliser des capteurs dédiés à la détection du glucose via l’immobilisation sur la surface de l’électrode en (4) Diamètre nominal des grains proche de quelques centaines de nanomètres. (5) Il s’agit de la liaison chimique la plus forte, ici réalisable sur le carbone diamant. courant (μA) 8 7 sensibilité : 2 μA.(glucose)m -1 M.cm -2 6 Domaine linéaire : 5 [0 ; 3] (mM) mesures courbe de 4 meilleure approximation 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 glucose (mM) Figure 5. Exemple de détection électrochimique du glucose via l’immobilisation de la glucose oxydase et la détection du peroxyde d’hydrogène (H 2 O 2) sur l’électrode diamant. À gauche, le principe : l’oxyde d’iridium (IrOx) étant le médiateur, la glucose oxydase (GOx) et le diamant cristallin dopé au bore (B-NCD). À droite, la réponse et la zone de linéarité.
diamant de l’enzyme spécifique du glucose oxydase (figure 5). Le principe s’adapte à de nombreuses autres enzymes, par exemple pour la détection directe de neurotransmetteurs ou de composés spécifiques dans l’urine (lactate, urée...). Il s’agit d’une coopération conduite par le Laboratoire capteurs diamant avec l’Institut nanoscience et cryogénie (Inac) du centre CEA de Grenoble et de l’Institut Néel (CNRS Grenoble). Le Laboratoire capteurs diamant développe aussi des matrices d’électrodes en diamant, également nommées « réseaux de multiélectrodes » (Multi Electrode Arrays/MEA : figure 6). Ces derniers sont fabriqués par croissance sélective du diamant, suivant des motifs de matrices, sur différents types de substrat – un procédé similaire à celui de la fabrication des MEMS. Il s’agit d’une coopération menée avec l’ESIEE. Par exemple, des réseaux de microélectrodes ainsi préparés ont été développés pour provoquer une stimulation neuronale dans le cadre de projets visant la fabrication d’implants rétiniens (figure 7). Grâce à l’utilisation d’électrodes en 200 μ 1 mm Figure 6. Réseau de microélectrodes en diamant, fabriquées à partir de pistes de diamant déposées sélectivement sur du verre, pour l’enregistrement et la stimulation de cultures cellulaires en réseaux. Les trois images présentent différentes tailles de plots et de pistes, variables à souhait. Figure 7. Implants souples en diamant sur polyamide, développés en partenariat avec l’ESIEE pour la fabrication d’implants rétiniens dans le cadre du projet MEDINAS de l’Agence nationale pour la recherche (ANR). diamant, ces implants présentent un haut niveau de stabilité et de biocompatibilité. De telles interfaces sont actuellement en cours de développement avec l’Institut de la vision de Paris dans le cadre de plusieurs projets de fabrication d’implants rétiniens. Y parvenir suppose de résoudre une question majeure : resserrer l’espace inter-électrodes pour augmenter la résolution de l’image qui sera stimulée sur la rétine. La difficulté tient d’abord à la localisation physique de plots de diamant espacés de quelque 10 ; elle tient ensuite à la possibilité de réduire l’intensité du courant de stimulation de chaque électrode (pixel) – avec un risque à la clé : ne pas pouvoir localiser efficacement la stimulation. C’est alors ici que les propriétés électrochimiques du diamant peuvent démontrer toute leur efficacité. Les progrès réalisés en matière de synthèse du diamant synthétique ont donné naissance à de nouveaux prototypes de capteurs chimiques et biologiques. Les développements actuels se focalisent sur la détection, en phase liquide ou sur liquides biologiques, de composés toxiques, explosifs, de stupéfiants ou de substances biologiques, à application pour la détection en phase gaz, liquide, ou sur liquides biologiques. Le volet des implants pour la stimulation des tissus biologiques est aussi un sujet très prometteur. > Philippe Bergonzo et ses collaborateurs Institut List (Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies) Direction de la recherche technologique CEA Centre de Saclay ESIEE CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 99



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