Détection d'acides nucléiques avec des réseaux de transistors à effet de champs à base de graphène

Nucleic acid testing with graphene transistor arrays

• Auteur / Autrice : Kokoura Mensah
• Direction : Ulrich Bockelmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin (Paris ; 2002-....) - Institut Cochin / IC UM3 (UMR 8104 / U1016)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Annick Loiseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ulrich Bockelmann, Annick Loiseau, Vincent Bouchiat, Carlotta Guiducci, Bernard Plaçais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Bouchiat

Mots clés

Mots clés libres

Graphène

Adn

Détection

Transistors

Polylysine

Hybridation

Graphene

Dna

Detection

Transistors

Polylysine

Hybridization

Résumé

L’objectif de cette thèse est la détection électronique de l’hybridation de l’ADN par un réseau de transistors à effet de champ à base de graphène.Dans une première partie, nous avons utilisé la technique de détection par fluorescence pour étudier l’influence de certains facteurs comme la température, la force ionique du milieu réactionnel, la concentration des sondes et des cibles et la durée de l’hybridation. Cette étude nous a permis de trouver des conditions optimales pour la réaction d’hybridation des oligonucléotides étudiés. La deuxième partie est consacrée à la fabrication des puces. Des techniques originales de transfert du graphène Cu-CVD et de photolithographie ont été développées pour fabriquer des puces assez homogènes à faible niveau de dopage du graphène. Des études comparatives des matériaux pour les électrodes de contact ont permis de faire des recuits si besoin, afin de réduire le dopage et améliorer la mobilité des transistors sans dégrader les contacts. Nous avons étudié différents types et épaisseurs de couches de passivation pour trouver un compromis entre la stabilisation des caractéristiques et leur sensibilité aux biomolécules. La troisième partie est dédiée aux applications de détection. Les molécules sondes (ssDNA) sont immobilisées sur la puce par l’intermédiaire de la polylysine (PLL), un polymère chargé positivement. L’adsorption de ce polymère induit un décalage du point de Dirac vers le sens positif des tensions de grille alors que la fixation des sondes produit des effets contraires. Nous avons pu détecter la réaction d’hybridation entre les sondes et leurs cibles complémentaires (cDNA) par des mesures différentielles et des mesures en temps réel in situ.

This work focuses on using graphene field effect transistors (GFETs) arrays for electronic DNA hybridization detection.In the first part, we use fluorescence based detection to study some factors affecting DNA hybridization such as temperature, buffer ionic strength, probes and targets concentration and hybridization duration. Optimum conditions for DNA hybridization have been found by using this technic. The second part of this work is devoted to the chip fabrication. Original methods for Cu-CVD grown graphene transfer and photolithography process are developed on Si/SiO2 substrate. Device’s performance is highly improved after annealing in vacuum at 280°C for 24 hours if needed. Passivation layers are used for time stability and sensitivity. In the third section we perform electronic detection. Single stranded DNA (ssDNA) are immobilized on a chip thanks to polylysine (PLL) adsorption. This positively charged polymer adsorption induces a right shift of the Dirac point whereas probes fixation trigger a left shift. Complementary targets (cDNA) hybridization is accomplished by differential measurements and real time in situ measurement.