Microspectromètrie d'impédance basses fréquences : application à la mesure de milieux biologiques

Low frequency impedance microspectrometry : application for the measurement of biological media

• Auteur / Autrice : Cédric Margo
• Direction : Mustapha Nadi, Amar Rouane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance le 08/07/2009
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : IAEM - Ecole Doctorale Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIEN
• Jury : Président / Présidente : Marcel Gindre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Nadi, Amar Rouane, Marcel Gindre, Bernard Rigaud, Tayeb Mohamed Brahim, Martine Lumbreras
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Rigaud, Tayeb Mohamed Brahim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocapteurs

Électronique -- Instruments

Génie biomédical

Microélectrodes

Spectroscopie d'impédance

Mots clés libres

Microspectromètrie d'impédance basses fréquences

Résumé

Ce travail de thèse traite de la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'échantillons biologiques de faibles dimensions. Après un état de l'art des moyens de détermination des paramètres caractéristiques de cellules ou agrégats de cellules isolées, nous décrivons une instrumentation destinée à la mesure d'impédance d'une cellule biologique en basses fréquences. Une chaine de mesure permettant la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'un ovocyte de Xénope isolée dans la gamme 50 Hz - 5 MHz est présentée. Celle-ci est basée sur l'utilisation d'un impédancemètre et d'un dispositif de mesure utilisant deux électrodes en or coplanaires. La caractérisation du dispositif de mesure est complétée par une modélisation électrique par la méthode des éléments finis de la zone sensible de mesure. Une deuxième approche est ensuite proposée pour la caractérisation de faibles volumes de fluides biologiques. Celle-ci repose sur l'utilisation d'une matrice d'électrodes composée de 4 microbandes de platine coplanaires et d'un système électronique de conditionnement opérant entre 1 kHz et 100 kHz développé à cet effet. La configuration à 4 électrodes utilisée permet de s'affranchir des problèmes de polarisation aux interfaces métal-milieu. La zone de mesure est également modélisée par voie numérique (méthode des éléments finis) en vue d'établir notamment le facteur de cellule. Après validation de la chaine de mesure, des résultats de caractérisation expérimentale d'échantillons de 50 µl de sang humain sont présentés et discutés.

We present a low frequency approach to characterize small biological samples by using bioimpedance spectroscopy. The state of the art of existing approaches and technologies for the determination of electrical parameters of single cell or aggregate of cells is developed in the two first chapters. An electronic instrumentation allowing to characterize an isolated Xenopus ovocyte cell in the frequency range 50 Hz - 5MHz is presented in the third chapter. This consists of an impedancemeter and a biosensor based on two coplanar gold measurement electrodes. The theoretical validation of the chip uses an electrical modeling of the sensing area by finite elements method. A second approach is then proposed in the fourth chapter for the characterization of small biological fluidic samples. It uses a set of 4 coplanar platinium microband electrodes combined with an electronic conditioning circuit designed to operate in the 1 KHz - 100 kHz frequency range. As it is well known, the use of a tetrapolar configuration for the electrodes system prevents the influence of the polarization impedance at the metal-medium interfaces. The sensing area is also numerically modeled by finite elements method allowing to calculate the cell factor. This parameter was compared with its values deduced experimentally. The microspectrometer designed was thus experimentally validated. Both calibrations and results for the characterization of 50 µl human blood samples are presented and discussed.