Fabrication de nano-capteurs électroniques pour la détection de bactéries pathogènes

Manufacture of electronic nano sensors for the detection of pathogenic bacteria

• Auteur / Autrice : Yousra Benserhir
• Direction : Anne-Claire Salaün, Anne Gougeon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Girard, Florence Geneste, Laurent Pichon, Hamida Hallil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhamid Errachid El Salhi, Christelle Varenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lutte contre

Bactéries pathogènes

Nanofils

Biocapteurs

Mots clés libres

Biocapteur

Nanofils de silicium

Détection électrique

Détection bactérienne

E. coli, S. aureus

Fluorescence

Biosensor

Silicon nanowires

Electrical detection

Bacterial detection

E. coli, S. aureus

Fluorescence

Résumé

L'un des principaux défis de la santé publique est la prévention de la contamination bactérienne par des techniques de détection rapides, hautement sensibles et spécifiques. L'un des principaux défis de la santé publique est la prévention de la contamination bactérienne par des techniques de détection rapides, très sensibles et spécifiques. Le développement de de capteurs bactériens très sensibles pour la détection d'Escherichia coli basés sur des réseaux de nanofils a été réalisé dans ce travail. L'intérêt de ces nano-objets réside dans une grande surface de contact permettant des interactions potentiellement importantes avec les bactéries. L'intérêt de ces nano-objets réside dans une grande surface de contact permettant des interactions potentiellement importantes avec les bactéries. Leur présence induit une modification de l'interaction électrique à travers le réseau de nanofils de silicium et constitue la base du développement de systèmes de nanofils de silicium. pour le développement de résistances électriques basées sur des nanofils de silicium agissant comme des capteurs de bactéries. La haute spécificité de ces capteurs est assurée par la fonctionnalisation chimique des nanofils, qui permet la liaison de molécules spécifiques. Ceci permet la liaison d'anticorps spécifiques (anti-LPS) pour cibler E. coli.Le capteur développé dans ce travail est une résistance électrique dont les électrodes sont électriquement interconnectées par un réseau dense de nanofils de silicium. Ces nanofils sont synthétisés par le procédé Solid Liquid Vapour directement sur les électrodes de silicium polycristallin fortement dopées, en utilisant l'or comme catalyseur et le silane comme gaz précurseur. Leur fonctionnalisation est réalisée par le dépôt de deux couches chimiques APTES et glutaraldéhyde pour la détection spécifique des bactéries E. coli. . La détection de la bactérie est obtenue par la mesure du courant traversant le capteur. L'analyse des résultats est soutenue par une analyse de fluorescence. Dans ce travail, la faisabilité de la détection pour différentes concentrations d'E. coli est démontrée. Les mesures électriques ont permis une détection linéaire des concentrations bactériennes dans la gamme 102-108 CFU/mL avec une sensibilité élevée de 83 µA par décennie de CFU/mL et une détection spécifique. Les résultats rapportés dans cette étude montrent la preuve de concept d'un capteur à base de nanofils de silicium pour la détection directe et spécifique d'E. coli par des mesures électriques. Ce dispositif biocapteur a ainsi démontré son grand potentiel en tant qu'outil alternatif pour de futures applications, pour détection bactérienne en temps réel, miniaturisable et à faible coût, compatible avec la technologie conventionnelle du silicium

One of the main challenges in terms of public health is the prevention of bacterial contamination by rapid, highly sensitive and specific detection techniques. The development of highly sensitive bacterial sensors for the detection of Escherichia coli based on silicon nanowire arrays was carried out in this work. The interest of these nano-objects lies in a large contact surface allowing potentially important interactions with bacteria. Their presence induces a change in electrical interaction across the silicon nanowire array and forms the basis for the development of silicon nanowire-based electrical resistors acting as bacteria sensors. The high specificity of these sensors is ensured by the chemical functionalisation of the nanowires allowing the binding of specific antibodies (anti-LPS) to target E. coli. The sensor developed in this work is an electrical resistor whose electrodes are electrically interconnected by a dense network of silicon nanowires. These nanowires are synthesised by the Solid Liquid Vapour process directly on the highly doped polycrystalline silicon electrodes, using gold as catalyst and silane as precursor gas. Their functionalization is achieved by the deposition of two chemical layers APTES and glutaraldehyde for specific detection of E. coli bacteria. The detection of the bacteria is obtained by measuring the current through the sensor. The analysis of the results is supported by fluorescence analysis. In this work, the feasibility of detection for different concentrations of E. coli is demonstrated. The electrical measurements allowed linear detection of bacterial concentrations in the range 102-108 CFU/mL with a high sensitivity of 83 µA per CFU/mL decade and specific detection. The results reported in this study show the proof of concept of a silicon nanowire-based sensor for direct and specific detection of E. coli by electrical measurements. This biosensor device has thus demonstrated its great potential as an alternative tool for future applications, for miniaturisable and low-cost real-time bacterial detection, compatible with conventional silicon technology.