Biocapteurs hyperfréquences résonants pour l'analyse non-invasive de liquides biologiques

Microwave and microfluidic resonnat biosensor for non-destructive analysis of biological solutions

• Auteur / Autrice : Thomas Chretiennot
• Direction : David Dubuc, Katia Grenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, électromagnétisme et optoélectronique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glucose sanguin

Biocapteurs

Liquides biologiques -- Analyse

Mots clés libres

Biocapteur

Electromagnétisme

Hyperfréquence

Microfluidique

Microsystème

Glucose

Résumé

Nos travaux ont visé le développement de biocapteurs hyperfréquences microfluidiques pour l'analyse de fluides biologiques et notamment la mesure de glucose en solution aqueuse à des concentrations physiologiques. De nouveaux dispositifs résonants aux capacités améliorées en sensibilité et sélectivité et parallélisables ont été mis au point, fabriqués en centrale de microtechnologie et validés expérimentalement. Le premier chapitre positionne les motivations de nos travaux vis à vis des besoins en terme de caractérisation précise d'éléments biochimiques variés en milieu liquide, pour des applications en biochimie, pharmacologie, toxicologie et autres et notamment dans le cadre de la mesure de taux de glycémie. Le second chapitre présente la modélisation du fonctionnement des biocapteurs développés et de l'interaction fluide/champ électrique sous-jacente afin d'en comprendre les mécanismes et d'en optimiser les performances en sensibilité. Les travaux présentés dans le troisième chapitre se placent dans le contexte de la mesure de la glycémie humaine. Nous avons validé expérimentalement les capacités en sensibilité et fiabilité de nos biocapteurs hyperfréquences microfluidiques pour la mesure de glucose aux concentrations physiologiques. Nous avons de plus démontré que l'ajout de constituants comme du Chlorure de Sodium ne remettait pas en cause les capacités de mesures de fluides complexes (comme le sang) de nos biocapteurs. Enfin, le dernier chapitre du manuscrit ouvre vers les nouvelles perspectives qu'offrent les dispositifs hyperfréquences microfluidiques : la possibilité de mesurer sur un unique échantillon la concentration de plusieurs solutés (glucose et chlorure de sodium) pointant ainsi le pouvoir sélectif de la technique. Il est enfin démontrer la capacité de mesurer simultanément plusieurs échantillons de liquides permettant ainsi la parallélisation de nos biocapteurs. L'ensemble de nos travaux démontre ainsi les nouvelles perspectives qu'offre la technique hyperfréquence pour l'analyse de fluides biologiques et notamment la mesure de la glycémie humaine. Les caractères non invasif et non destructif des hyperfréquences combinés avec l'approche microfluidique permettent d'envisager leur exploitation au sein de nombreux systèmes d'analyse : des " laboratoires sur puce " jusqu'aux systèmes biomédicaux implantables sur des patients.

This work aimed at developing new microwave and microfluidic biosensors dedicated to the analysis of bio-liquids and especially to the measurement of glucose concentration in aqueous solutions at physiological levels. The general background of this work consists in the measurement of glycaemia in blood samples for the screening of diabetes. Chapter I first describes existing techniques for the measurement of glycaemia in blood samples. This first overview enables the definition of requirements for the design of microwave and microfluidic glucose sensors. A second part is thus dedicated to the review of microwave devices developed in order to perform characterizations on liquids. Those devoted for the analysis of glucose in aqueous solutions are highlighted in the last part of this chapter and has defined our motivations for the development of microwave miniature resonant-based microfluidic sensors. Chapter II addresses the theoretical background of this work. The modeling of the interaction between liquid sample and electromagnetic field with both the perturbation theory and 3D electromagnetic field simulations is then presented. Results enable the elaboration of a predictive modeling for the dielectric characterization of aqueous solutions. Chapter II ends with the optimization of the electromagnetic field/fluid coupling to enhance the biosensor sensitivity. Chapter III focuses on the performances of the three types of resonant based biosensors that have been developed and fabricated for the measurement of glucose concentration in aqueous solutions, first at high concentrations and then for concentrations at physiological levels. Chapter III finally shows that the glucose measurement principle remains valid in sodium chloride aqueous mixtures. Chapter IV eventually demonstrates the potentialities of microwave and microfluidic biosensors. First part shows that it is possible to simultaneously evaluate the concentrations of two species (glucose and sodium chloride), using the specific response of the sensor associated to given chemical species. Second part gathers benefits from microsystem integration and microwave measurement properties to develop devices with several resonators that enable simultaneous analysis of two or four liquid samples. This manuscript consequently addresses the different requirements for the development of microwave and microfluidic biosensors for the measurement of glucose concentration in blood samples. Sensitivity and reliability have been estimated with ethanol then glucose in aqueous solutions. The specificity of such devices has been dealt with glucose/sodium chloride mixtures and finally the non-destructivity of the measurement principle associated with the integrability of microwave devices led to the development of multi-sensor microsystems that are able to analyze several liquid samples based on a single measurement.