Spectroscopie d'impédance électrique par biocapteur à micro-électrodes : application à la cytométrie de flux de cellules sanguines

Electric impedance spectroscopy by bio-sensor using micro-electrodes : Application to blood cells flow cytometry

• Auteur / Autrice : Julien Claudel
• Direction : Mustapha Nadi, Omar Elmazria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 09/12/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intrumentation électronique (Nancy ; ....-2012)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Benech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Djilali Kourtiche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Garda, Sylvie Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cytométrie de flux

Biocapteurs

Spectroscopie d'impédance

Mots clés libres

Spectroscopie d'impédance

Bio-capteurs

Cellules unitaires

Microfluidique

Impedance spectroscopy

Bio-sensors

Single cells

Microfluidic

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la validation d'un capteur pour la mesure d'impédance en cytométrie de flux associée à un dispositif microfluidique pour des cellules sanguines dans la gamme de fréquences (100 kHz-10 MHz). Un premier chapitre introduit les propriétés électriques et diélectriques des tissus vivants. Les effets de chaque élément des cellules sur l'impédance globale mesurée sont décrits, ainsi que les modèles associés. Un état de l'art, sur les mesures de l'échelle macroscopique à la mesure unitaire de cellules, est exposé dans le second chapitre. Les mesures en cytométrie de flux et l'utilisation possible des actionneurs à ondes acoustiques de surface (SAW) y sont aussi étudiées. Le troisième chapitre concerne la modélisation analytique et la simulation par la méthode des éléments finis de cellules unitaires par des microélectrodes de différentes géométries. Les résultats de cette section ont permis de déterminer les meilleures géométries, leurs sensibilités, et leurs réponses. La fabrication du capteur est étudiée dans le quatrième chapitre. Les contraintes liées à la faisabilité par les techniques de micro-fabrication et la biocompatibilité des matériaux y sont développées. Des premiers tests de validation sur les écoulements y sont effectués. Le cinquième et dernier chapitre est centré sur la mesure de cellules et particules. Des tests de calibration ont été réalisés pour déterminer le facteur de forme des électrodes et les impédances parasites. Les mesures suivantes sur des cellules et particules ont permis de valider les résultats obtenus en simulation, ainsi que la discrimination des particules testées en fonction de leurs dimensions

This thesis focuses on the implementation and validation of a microfluidic bioimpedance sensor for cytometric measures in the frequency range ( 100kHz - 10MHz ) of biological cells ( blood cells) combined with a microfluidic device. The first chapter introduces the electrical and dielectric properties of living tissues and summarizes the state of the art. The effects of each element of the cells on the overall measured impedance are described, as well as the associated models. A state of the art, on the bioimpedance macroscopic measurements unit cell is outlined in the second chapter. Measurements by flow cytometry and the possible use of surface acoustic wave (SAW) devices as actuators are also studied. The third chapter deals with analytical modeling and simulation by the finite element method of unit cells by microelectrodes of different geometries. 3D simulations were done showing the best configuration for the electrodes design. The results of this section were used to determine the best geometry, their sensibilities, and their answers. The sensor design is described in the fourth chapter. Technological constraints related to its micro- fabrication techniques feasibility and biocompatibility of materials are developed. Flows validation tests were done and are described. The fifth and final chapter focuses on the measurement of cells and particles. In a first step, calibration tests were carried out to determine the form factor of the electrodes and the parasitic impedances. Measurements on cells and particles were used to validate the results obtained in simulation, as well as discrimination based particles tested their dimensions