Wafer scale integration of coulomb blockade-based nanobiosensors with microfluidic channels for label-free detection of cancer biomarkers

摘要

Dans cette thèse, nous proposons et démontrons un nouveau type de nanobiocapteur pour la détection de biomolécules à haute sensibilité et leur intégration à grande échelle (plaquette de 4 pouces). Le principe du nouveau nanobiocapteur électrique est basé sur la variation de conductivité électrique à travers des nano-îlots grâce au phénomène quantique appelé « blocage de coulomb ». Les nano-îlots de nickel (5nm de diamètre) sont placés entre les nano-électrodes interdigitées (IND) (~45nm de largeur). La conductivité de ces dispositifs à jonctions tunnel multiples (MTJ) est modifiée par l’adsorption de biomarqueurs impliqués dans la tumorogènese. Les oncologues ont récemment isolé et caractérisé un nouveau fragment d’anticorps à chaine simple (scFv) qui reconnaît sélectivement la forme active de RhoA. Ce biomarqueur potentiel a été trouvé surexprimé dans diverses tumeurs. Les fragments d’anticorps ont été adsorbés, par des liaisons de coordination, sur les nano-îlots de nickel. Ces fragments sont capables de reconnaître spécifiquement la forme active de RhoA. Nous avons étudié ce biomarqueur et validé la chimie de surface à base d’îlots de nickel pour la détection sans marquage, en utilisant une microbalance à quartz (QCM). Puis, nous avons mis au point et adapté à notre dispositif une méthodologie innovatrice pour réaliser, à l’échelle d’une plaquette, des microcanaux basés sur du photoPDMS. La caractérisation électrique finale des dispositifs intégrés a été testée en temps réel et à flux biologique continu. La forme active de RhoA a été détectée en discriminant la forme inactive. En annexe, je présente mon opinion épistémologique et éthique sur la nanotechnologie ___ In this thesis we propose and implement the fabrication on 4 inch wafer of a novel type of nanobiosensor capable of high sensitivity detection. The principle of the nanobiosensor is based on the variation of electrical tunnelling conductivity through metal nanoislands due to the quantum phenomenon called coulomb blockade. Nickel nanoislands(~5nm diameter), are placed between interdigitated nanoelectrodes devices (IND) (width~45nm). Hence, the conductivity of these Multiple-Tunnel-Junction (MTJ) devices is modified by the absorption of biomarkers involved in tumourigenesis. Oncologists have recently isolated and characterised a new conformational single chain variable fragment (scFv) which selectively recognises the active form of RhoA. This potential biomarker has been found overexpressed in various tumours. Antibodies fragments (scFv) are absorbed through coordinative bonds onto nickel nanoislands. Hence the scFv are capable of recognising specifically the active RhoA conformation. We have investigated this biomarker and validated the nickel nanoilands based chemical construction for label-free biodetection using quartz crystal microbalance (QCM) before implementing the methodology to our devices. An innovative methodology to realise photoPDMS-based microchannels was also developed. Encapsulation with an etched PDMS-nanocomposite finalised the integration of the devices. The final electrical characterisation of the integrated device was tested in real time and continuous biological flow. The active form of RhoA was discriminated against its inactive conformation. In annexe, I present my epistemological and ethical opinions in nanotechnology