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WO2021140302A1 - Capteur pour détecter un analyte cible dans un milieu liquide avec un résonateur optique couplé à un résonateur mecanique - Google Patents

Capteur pour détecter un analyte cible dans un milieu liquide avec un résonateur optique couplé à un résonateur mecanique Download PDF

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Publication number
WO2021140302A1
WO2021140302A1 PCT/FR2021/050022 FR2021050022W WO2021140302A1 WO 2021140302 A1 WO2021140302 A1 WO 2021140302A1 FR 2021050022 W FR2021050022 W FR 2021050022W WO 2021140302 A1 WO2021140302 A1 WO 2021140302A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
resonator
sensor
concentration sensor
species
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2021/050022
Other languages
English (en)
Inventor
Sébastien Hentz
Thomas ALAVA
Ivan Favero
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Universite Paris Cite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite de Paris
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Universite de Paris, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to US17/791,182 priority Critical patent/US20230081434A1/en
Publication of WO2021140302A1 publication Critical patent/WO2021140302A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/16—Reagents, handling or storing thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0883—Serpentine channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for the concentration of species in a liquid medium, in particular of biological species.
  • the immuno-enzymatic method ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay
  • assay of immuno-absorption by linked enzyme that is to say immuno-enzymatic assay on a solid support
  • ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay
  • This method implements an immunoassay, in which the assay is coupled to an enzyme catalyzed reaction that releases a colored component followed by spectroscopy. This method is long and single use.
  • a concentration sensor of at least one species contained in a liquid comprising at least one optical resonator and at least one mechanical resonator coupled to one another, at least one waveguide. wave optically coupled with the optical resonator, at least the mechanical resonator being at least partly functionalized so as to be selective with respect to said at least one species.
  • the mechanical resonator vibrates in volume mode in the plane of the sensor and at high frequency.
  • the mechanical resonator has a small dimension in a direction normal to the plane of the sensor.
  • the mechanical energy losses due to immersion in a liquid are substantially reduced, which makes it possible to obtain a sensitive selective sensor.
  • the mechanical resonator vibrates in radial mode.
  • the optical resonator and the mechanical resonator are formed by the same object.
  • the single resonator is carried by a foot of small diameter compared to the largest dimension of the surface of the resonator, for example the ratio of foot diameter / largest dimension of the surface of the resonator ⁇ 1/10.
  • the functionalization layer is thin, for example with a thickness of less than 20 nm, and is homogeneous, reducing optical losses.
  • the use of a homogeneous layer simplifies the determination of the concentrations.
  • the resonator is made of silicon, which makes it easier to manufacture on a large scale.
  • the subject of the present invention is therefore a structure for a concentration sensor of at least one given species in a liquid medium comprising a support, at least one waveguide, at least one optical resonator suspended from the support, said optical resonator being optically coupled to the waveguide, at least one mechanical resonator suspended from the support, said mechanical resonator and said optical resonator being coupled, said resonator mechanical being configured to vibrate in volume mode and comprising at least one face extending in the plane of the sensor and configured to receive molecules of said given species, at least said face comprising a functionalization layer specific to said species, said resonator mechanical having a small dimension in a direction normal to the plane of the sensor with respect to the dimensions of said face.
  • the dimension of the mechanical resonator and / or of the optical resonator in the direction normal to the plane of the sensor is at least 10 times smaller than the dimensions of the mechanical resonator and / or of the optical resonator in the plane of the sensor.
  • the functionalization layer is advantageously homogeneous.
  • the functionalization layer may have a thickness less than or equal to 20 nm.
  • the mechanical resonator is configured to vibrate in a radial mode.
  • the mechanical resonator and / or the optical resonator is or are suspended by a foot connecting a face of the resonator or resonator facing the support and the support.
  • the foot may have a diameter at least 10 times smaller than the dimensions of the resonator (s) in the plane.
  • the optical resonator and the mechanical resonator are the same element suspended from the support, said element being an optomechanical resonator.
  • the optomechanical resonator advantageously has the shape of a disc, a ring or a racetrack.
  • the concentration sensor structure may include means for exciting the mechanical resonator so as to set it into vibration, preferably at its resonant frequency.
  • the concentration sensor structure may include multiple sets of coupled optical and mechanical resonators or multiple optomechanical resonators, coupled to a single waveguide.
  • the present invention also relates to a sensor for the concentration of at least one given species in a liquid medium comprising at least one sensor structure according to the invention, a light source connected to one end of the waveguide, and means of light wave processing connected to the other end of the waveguide.
  • the light source is for example configured to emit multiplexed light waves and the processing means are configured to process the multiplexed light waves.
  • the present invention also relates to a measurement assembly comprising at least two sensors according to the invention, one of the sensors, called the first sensor, being functionalized with a first biological molecule specifically recognizing the given species, the other sensor, said second sensor, being functionalized with a second biological molecule similar in nature to the first molecule and possessing a capacity for specific recognition of a species other than the given species, said assembly comprising means for subtracting the signal emitted by the second sensor to the signal emitted by the first sensor.
  • the present invention also relates to a microfluidic system comprising at least one channel or the circulation of the liquid whose concentration of at least one species is to be measured and at least one concentration sensor according to the invention or at least one assembly according to the present invention.
  • the optical resonator and the mechanical resonator or the optomechanical resonator being disposed in the channel.
  • the microfluidic system can comprise a channel with several sensors comprising functionalization layers specific to different species from one another.
  • the channel has, for example, a height of between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m and a width of between 10 ⁇ m and 700 ⁇ m.
  • FIG. 1A is a perspective view of an example of a concentration sensor according to the invention.
  • Figure IB is an enlarged view of the optomechanical resonator of Figure IA.
  • FIG. 2 is a top view shown schematically of an example of a concentration sensor comprising excitation means.
  • FIG. 3 is a top view shown schematically of a concentration sensor, the resonator of which has holes making it possible to increase its precision.
  • FIG. 4 is a perspective view of another example of a concentration sensor having a particular structure of a waveguide.
  • FIG. 5 is a side view of an exemplary embodiment of a resonator which can be implemented in the concentration sensor according to the invention.
  • FIG. 6 is a top view of an example of a sensor implementing the resonator of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a schematic representation of an example of a microfluidic system implementing at least one concentration sensor according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic representation of another example of a microfluidic system implementing at least one concentration sensor according to the invention.
  • FIG. 9 is a schematic representation of another example of a microfluidic system implementing at least one concentration sensor according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of an example of a sensor comprising an optical resonator and an optical resonator which are separate and coupled to one another.
  • FIGS. 11A, 11B, 11C and 11D are schematic representations of elements obtained during steps of an example of a method for manufacturing a sensor according to the invention.
  • FIG. 12 is a schematic representation of another example of an optomechanical resonator according to the present invention.
  • FIG. 1A one can see an example of a sensor C1 for the concentration of species in liquid medium according to the invention.
  • the term “species” is understood to mean biological species, such as bacteria or viruses, chemical molecules, atoms and / or nanoparticles.
  • the resonator is functionalized so as to exhibit an affinity with the species or species to be detected.
  • the functionalization layer can be sensitive to biological species, to individual atoms or to nanoparticles.
  • the specificity can be directed against markers present on the surface of these nanoparticles or against the atomic element constituting the nanoparticle. It is also possible to envisage a specificity with regard to the size of the nanoparticles.
  • the species to be detected have dimensions of between a few tens of nm to a few ⁇ m.
  • the species have maximum dimensions less than or equal to the dimensions of the resonator in the plane, which will be described below.
  • the liquid can be blood, plasma, humors, and more generally any bodily fluid, water from watercourses, such as rivers, streams, water from the oceans, water from water networks. city water supply ... and any other liquid that you want to analyze.
  • the sensor C1 comprises a support or substrate 2, at least one waveguide 4 supported by the substrate and an optomechanical resonator 6 suspended from the substrate 2, a light source S and means T for processing the light wave exiting the guide wave.
  • the support 2, the waveguide, the optomechanical resonator forms a sensor structure.
  • the waveguide 4 comprises an input end 4.1 of a light wave connected to a light source via a coupling network
  • the resonator 6 is arranged near a flank of the waveguide 4 so as to be optically coupled thereto.
  • the waveguide is in the evanescent field of the resonator, so that the light wave coming from the source is injected into the optical resonator and the light wave having circulated in the resonator is collected by the waveguide.
  • the width of the space between the side of the waveguide and the lateral edge of the resonator is for example between 10 nm and 50 nm.
  • the optomechanical resonator 6 has the form of a disc suspended from a foot 8 fixed to a face of the disc facing the substrate.
  • the disc extends in a plane of the sensor.
  • the resonator has two end faces
  • the term “plane of the sensor” is understood to mean a plane parallel to the substrate.
  • the root has a small diameter compared to the dimensions of the disc in the plane of the sensor, more particularly a small diameter compared to the diameter of the disc, preferably the root has a diameter 10 times smaller than the diameter of the disc.
  • the diameter of the foot is ten times smaller than the smallest dimension of the resonator in the plane of the sensor, so the foot does little or no interference with the vibration and radiation of the resonator.
  • the resonator is suspended by springs in the plane or by nanoscale beams extending radially and compressed and strained by the vibration of the disc. The springs or the beams are then dimensioned to have an axial stiffness lower than that of the resonator.
  • Any other form of resonator may be suitable, for example when viewed from above the resonator may have the shape of a ring, an ellipse or a racetrack (“racetrack” in English terminology).
  • the resonator can be made of any material capable of confining an electromagnetic wave, such as GaAS, Ge or Si.
  • the latter is particularly advantageous for manufacture according to microelectronic techniques offering a high level of integration on a substrate.
  • the resonator is intended to capture the species or species to be detected, the surface area of the resonator is therefore preferably as large as possible to maximize the quantity of species that can be captured.
  • an attempt is made to minimize the lateral surface 6.3 of the resonator in order to limit the viscous losses by interaction with the solvent and to promote shearing.
  • the shape of the disc is therefore particularly advantageous in terms of surface ratio.
  • a resonator is preferably chosen having a high aspect ratio, a dimension ratio in the plane of the sensor / thickness of the resonator high.
  • the diameter of the disc / thickness ratio is preferably between 10 and 100.
  • the maximum diameter of the resonator is preferably a few hundred ⁇ m.
  • the resonator has tapered edges advantageously improving the optical performance of the resonator.
  • the resonator is also such that it vibrates in a volume mode in the plane, making it possible to achieve a high vibration frequency, for example at least equal to 100 MHz.
  • the resonator vibrates in a radial or RBM (Radial Breathing Mode) mode, such a mode makes it possible to achieve very good coupling between the optical mode and the mechanical mode.
  • RBM Random Breathing Mode
  • the radial vibration of the disc has a significant impact on the optical properties of the disc, in particular on the length of the optical path within the resonator and therefore on the light power recovered by the waveguide 2.
  • the resonator can vibrate in a tangential mode or a wine glass mode. However, it has reduced efficiency compared to the resonator in a radial mode.
  • the resonator is further functionalized so as to be specific to one or more species to be detected. Functionalization is obtained by forming a layer 10 (FIG. IB) specific to the species or to the species to be detected on all the surfaces of the resonator 6.1, 6.2, 6.3 or part of the surfaces of the resonator.
  • the functionalization layer comprises at least one macromolecule capable of specific recognition of a target, i.e. the given species to be detected.
  • the functionalization of the resonator with several species is obtained for example by functionalizing different parts of the resonator, each specific to a species, or by producing a functionalization layer which mixes different bioreceptors each specific to a species.
  • the functionalization layer comprises antibodies specific to a protein or to a small molecule, for example a toxin, aptamers specifically recognizing a protein or a small molecule, strands of DNA or RNA which s 'will hybridize with a DNA or RNA strand complementary to that grafted onto the surface of the resonator, molecularly imprinted polymers (Molecular Imprinting polymer MIP).
  • the functionalization of the surface of the resonator consists in modifying the molecules present on the surface of the sensor and / or in grafting onto the surface of the sensor the new molecules allowing the specific recognition of the desired target.
  • the modification of the molecules present on the surface of the sensor can for example consist, without limitation, in the oxidation of a function, in the dehydration of an alcohol function, in the nucleophilic substitution of one group by another or in an esterification. All these transformations are well known to those skilled in the art who will know how to go from a chemical function to that of interest.
  • Functionalization by grafting may generally require an intermediate layer supporting the layer of new molecules providing the desired functionalization.
  • a first method consists in grafting a layer of PEG (polyethylene glycol polymer chain) on the silicon surface. One end of the PEG chain bonds covalently to the silicon surface and the other end remains free thus allowing the molecule of interest to be grafted for specific recognition of the sensor. This method is described in document [1].
  • Another method consists in using carbon chains, one end of which has a silane function and the other end is chosen so as to subsequently graft the molecule allowing specific recognition of the sensor.
  • the other end can be an epoxy function, subsequently making it possible to graft DNA, or an amine function allowing the grafting of a protein, for example an immunoglobulin.
  • This method is described in documents [2] and [3].
  • another method consists in grafting onto the silicon surface an alkynene having an alkene function at one end and an alkyne function protected by a trimethylgermanyl group at the other end. After grafting onto the silicon surface, the alkyne function is used to couple the molecule of interest by click chemistry (“click chemsitry” in English terminology). This method is illustrated in document [4].
  • the functionalization layer 8 has a small thickness, or even comprises a single layer of functionalization molecules.
  • the thickness of the functionalization layer is less than 20 nm, and preferably less than 10 nm.
  • the layer has a constant thickness over the entire surface.
  • the term “constant thickness” is understood to mean a layer whose thickness varies at most 25% of its thickness over its entire surface.
  • the functionalization layer is very advantageously homogeneous on the surface of the resonator, i.e. it comprises a number of molecules per unit of relatively uniform surface.
  • the homogeneity of the layer corresponds to the quantity of target recognition sites to be detected per unit area, which is a multiple of the number of bioreceptor molecules immobilized per unit area on the surface of the resonator.
  • a unit area is defined as being at least 1/100 th of the area of the sensor.
  • a layer is said to be homogeneous, when the number of grafting / recognition sites available in each unit of surface area varies by less than 5/100 th around an average value. The number of recognition sites per unit area depends on the functionalization protocol chosen and on the size of the bio-receptor molecule.
  • the implementation of a homogeneous functionalization layer improves the sensitivity of the sensor and makes it possible to put a functionalization layer without degrading the measurements of the sensor.
  • the functionalization layer covers the lateral edge of the resonator and possibly the flanks of the waveguide, and therefore intervenes in the optical coupling between the waveguide and the resonator, the production of a layer fine and homogeneous reduces optical losses.
  • the use of a thin layer limits the risks of filling the space between the waveguide and the resonator.
  • the width of the optical coupling space is between 20 nm and 500 nm. It is therefore possible to choose a sufficiently thin layer thickness, so that, when it covers both the side of the waveguide and the lateral edge of the resonator, the space is not filled.
  • the functionalization layer can be localized, advantageously it can be deposited only on the end faces of the resonator, or even on only one of the end faces. In this case, the functionalization layer then does not intervene in the optical coupling between the waveguide and the resonator.
  • the wavelength of the light wave to be injected into the resonator close to the optical resonance of the resonator, i.e. on the side of the optical resonance peak.
  • the light resonating inside the optical resonator is then very sensitive to the mechanical deformation of the mechanical resonator, in particular when the optical and mechanical resonator are combined)
  • the light wave at the chosen wavelength is injected into the waveguide by a light source, by optical coupling the light wave is injected into the optomechanical resonator 6.
  • L denotes the light wave circulating in the resonator.
  • the frequency of modulation of the power of the light wave is chosen so as to set the resonator in vibration in a volume mode, advantageously in a radial mode.
  • the sensor is immersed in a liquid whose concentration in a given species is to be measured and for which the sensor has a suitable functionalization layer.
  • the molecules of the given species are then captured by the functionalization layer and attach themselves to the resonator, which modifies the mass of the resonator and therefore the frequency of vibration of the resonator.
  • the measurement of the variation in the vibration frequency makes it possible to determine the quantity of given species deposited on the resonator and to determine the concentration.
  • the measurement of the variation in the vibration frequency can be combined with a measurement of the variations in the optical properties of the resonator making it possible to acquire additional information.
  • a biological buffer solution having a viscosity similar to that of the sample containing the target circulates around the sensor which allows the sensor to reach a stable resonant frequency. .
  • the first sensor is functionalized with a first biological molecule specifically recognizing the target.
  • the second sensor is functionalized with a second biological molecule of a nature similar to the first molecule, but having a capacity for specific recognition of a species other than the desired target.
  • the signal emitted by the first sensor contains the information on the specific grip of the target and the information on the non-specific grip, other elements than that sought, which is spurious information.
  • the signal emitted by the second sensor only contains information on the non-specific grip.
  • a biological buffer solution is sent to the sensor by means of the fluid supply system.
  • This solution causes the detachment of a part of targets immobilized on the sensor. Some targets can remain on the surface of the sensor, immobilized on their corresponding bioreceptors. These remaining elements cause a decrease in the quantity of sites available for subsequent analyzes with the same sensors.
  • the catcher according to the invention has a high sensitivity and is therefore particularly suitable for detecting that a very low number of molecules targets.
  • the detection can often be done with the recognition of a number of target elements representing only a portion of the targets which can be grafted entirely to the surface of the sensor.
  • the sensors can, in particular in the application for detecting a small number of target molecules, carry out several successive analyzes, because the analyzed samples do not contain enough target elements to saturate the surface of the sensor.
  • the temperature of the sensor can be increased to 80 ° C for a period of a few minutes, for example by means of an attached heating device, which causes the dehybridizes any DNA-DNA complex and releases the targeted elements from the surface of the disc.
  • a rinsing solution of the biological buffer type can circulate simultaneously to collect the elements released.
  • weakly concentrated solutions of sodium hydroxide NaOH or guanadinium hydrochloride can be used which can cause the dissociation of the antigen bond- antibody and completely regenerate the sensor before further measurements. Regeneration can nevertheless degrade the receptor proteins, limiting the number of possible regenerations, for example depending on the functionalized surface, the number of regenerations can be between 10 and 40.
  • the resonator is set into vibration by the measurement light wave.
  • the resonator is not set in vibration by the light wave.
  • the thermal agitation causes the resonator to vibrate at its resonant frequency.
  • the light wave serves only to detect the variation in vibration frequency.
  • the sensor shown in FIG. 2 comprises specific excitation means 14 for vibrating the resonator, at its resonant frequency, which allows great sensitivity in the reading of changes in mechanical frequency, and of preferably at a large amplitude to maximize the signal to noise ratio. Vibrating the resonator improves resolution.
  • the grafting of biological targets increases the mass of the mechanical resonator, which modifies its resonant frequency, which is transduced by the optical resonator forming a transducer
  • optical means of optical resonance of the optical resonator can therefore coexist optical means of optical resonance of the optical resonator and means of mechanical resonance of the mechanical resonator.
  • the optical resonator forms a transducer, which then transduces the mechanical resonance into light and then electrical information.
  • the optical resonator which is the means for transducing the mechanical resonance can also be the means for bringing into mechanical resonance, for example by modulating the light power injected into the optical circuit by a modulator.
  • the excitation means 14 are of the electrostatic type, they comprise a first electrode 14.1 formed on the lateral edge of the resonator 4 for example by doping the silicon and a second electrode 14.2 formed on the support facing the first electrode.
  • the excitation means are of the optical type by radiation pressure, for example using a so-called "pump-probe” mode using a light signal of different wavelength from the light signal used for the measurement, and of which the amplitude is modulated at the resonant frequency of the disc.
  • a single light signal is used which ensures both the measurement and the excitation; this is modulated by means of an electro-optical modulator.
  • phase lock loop is integrated (“Phase Lock Loop” in English terminology) which makes it possible to control the phase of the vibration to the resonance.
  • a resonator of reduced mass is produced in order to increase the sensitivity of the sensor.
  • Holes 12 offer the additional advantage of increasing the specific surface area covered by functionalization layer.
  • the holes are for example in the direction normal to the plane of the resonator.
  • these holes can advantageously serve to facilitate the release of the resonator, when it is released by etching the sacrificial layer in a microelectronic process.
  • the foot When the foot is made from the material of the sacrificial layer, for example from SiO 2, its diameter before release is chosen so that at the end of the etching the “remaining” diameter is sufficient to support the resonator.
  • the material of the sacrificial layer for example from SiO 2
  • FIG. 4 one can see an exemplary embodiment of an advantageous sensor when the waveguide is supported by portions of the sacrificial layer.
  • the width of the waveguides is determined in order to obtain particular optical properties (for example, to be optically single-mode).
  • this width is small compared to the distances to be etched under the resonator, wider waveguide portions 16 are advantageously provided at a distance from the coupling zones with the resonator and / or near the connections between the waveguide. and coupling networks 5.1, 5.2.
  • the sacrificial layer under the portions 16 are not entirely etched and serve as a support for the waveguide.
  • the width of the portions 16 is chosen so as to be at least equal to the maximum distance to be etched in the plane + a width sufficient to support the waveguide.
  • the portions 16 are distributed regularly along the waveguide, but this is not limiting.
  • the foot 8 'of the resonator 6' and / or the supports of the waveguide 4 ' are produced by vias 18 , 20 of a material insensitive to etching upon release.
  • the vias are made of polysilicon or metal.
  • the waveguide is coupled to the light source and to the analysis device, for example by optical fibers positioned at an optimum angle using piezoelectric positioners above the coupling networks.
  • optical fibers positioned at an optimum angle using piezoelectric positioners above the coupling networks.
  • FIG. 7 one can see an example of a microfluidic system integrating the sensor.
  • the SF1 system comprises a microchannel 20, for example formed in a cover 22 which is attached to the substrate.
  • the liquid to be analyzed is injected into the channel 20.
  • the dimensions of the channel are such that the liquid is forced to circulate at the level of the resonator only.
  • the probability of capture of the species to be detected is maximized and the analysis time is reduced.
  • the volume of liquid required can be reduced.
  • a typical microchannel can measure from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m in height and 10 ⁇ m to 700 ⁇ m in width.
  • the system has a single sensor and the waveguide is transverse to the channel.
  • the system comprises several sensors arranged one after the other and functionalized differently and each coupled to its own waveguide.
  • the system comprises several sensors arranged one after the other and functionalized differently and each coupled to its own waveguide.
  • the waveguide is aligned with at least part of the channel and several resonators are coupled to it and by multiplexing it is possible to carry out the detection of several species, or even to carry out positive controls, for example by using two sensors, a first sensor functionalized with a molecule bio-receptor and having specificity towards the desired molecule and a second sensor functionalized with a bio-receptor molecule of the same type as the first sensor, but not having specificity towards the desired molecule.
  • FIG. 8 one can see another example of an SF2 microfluidic circuit comprising a channel 24 in the form of a coil comprising straight portions 26 connected by curved portions 28 and a resonator RI, R2, R3 located in a straight portion 26 and waveguides G1, G2, G3 coupled to each resonator, and transverse to the straight portions.
  • a channel 24 in the form of a coil comprising straight portions 26 connected by curved portions 28 and a resonator RI, R2, R3 located in a straight portion 26 and waveguides G1, G2, G3 coupled to each resonator, and transverse to the straight portions.
  • the resonators are coupled to the same waveguide and the detection is carried out by multiplexing.
  • FIG. 9 one can see yet another example of an SF3 microfluidic system which differs from the system of FIG. 8 in that the straight portions 26 are not connected by curved portions and form independent microchannels which can be fed by different liquids.
  • the functionalization can be carried out by circulating the functionalization liquid in the channel during manufacture.
  • each resonator has its own functionalization and then the curved portions are produced so as to form a single system with resonators. having different functionalizations.
  • FIG. 10 one can see an example of a sensor in which the optical resonator and the mechanical resonator are distinct.
  • the sensor C2 comprises a sensor structure comprising a substrate 102, a waveguide 104, an optical resonator 106.1 optically coupled to the waveguide 104 and a mechanical resonator 106.2 disposed in the evanescent field of the optical resonator 106.1 and capable of makes its mass modification by particle capture, to modify the optical properties of the optical resonator.
  • the sensor C2 also comprises a light source S connected to one end of the waveguide 104 and processing means T connected to the other end of the waveguide 104.
  • the mechanical resonator 106.2 vibrates in volume mode, preferably in radial mode.
  • the mechanical resonator may have a discontinuous or irregular shape, for example a square shape since it is not intended to guide the light wave.
  • the foot of the optical resonator and the foot of the mechanical resonator have a small diameter compared to the dimensions of the resonator in the plane of the sensor.
  • the foot has a small diameter compared to the diameter of the disc, preferably the foot has a diameter 10 times smaller than the diameter of the disc.
  • the diameter of the foot is ten times smaller than the smallest dimension of the resonator in the plane of the sensor, so the foot does little or no interference with the vibration and radiation of the resonator.
  • Optical and mechanical resonators are preferably chosen having a high aspect ratio, a dimension ratio in the plane of the sensor / thickness of the high resonator.
  • the diameter of the disc / thickness ratio is preferably between 10 and 100.
  • the maximum diameter of the resonators is preferably a few hundred ⁇ m.
  • the mechanical resonator can be excited by external electrical means or by thermal agitation, in the latter case the signal-to-noise ratio is less good.
  • FIG. 12 one can see another example of a sensor according to the present invention in which the functionalization layer 10 ′ is advantageously located on the peripheral edge of the resonator, which makes it possible to maximize the signal.
  • the functionalization layer has the shape of a ring and is located on the zone of greatest amplitude of displacement of the sensitive zone of the resonator. By promoting the attachment of the particles of interest in this zone, the signal is maximized.
  • the width of the functionalization ring is at most equal to 1/3 of the radius of the disc of the resonator.
  • the functionalization layer can be produced according to the methods described above.
  • a bond layer CA is formed on the sensitive surface, for example made of gold in the form of a ring, on which is formed a grafting layer CG comprising for example a thiol function, and on which the functionalization layer is produced.
  • bioreceptors specific to the target particles for example the bioreceptors are aptamers, antibodies, lectins, strands of DNA or RNA, enzymes ...
  • the senor comprises a passivation layer CP blocking the absorption of the particles of interest, this layer is formed on the zones of the sensor where it is not desired that the target particles do not bind, ie on the particles. zones other than those where the functionalization layer is formed.
  • the passivation layer CP is formed on the substrate and in the example shown on the central part of the sensitive surface inside the ring-shaped functionalization layer 10 '.
  • the passivation layer is formed only on the substrate.
  • the passivation layer contains, for example, silanes of formula X 3 Si- (CH 2 ) nCH 3 .
  • the X 3 S1- part allows the attachment to the silicon and the saturated aliphatic chain - (CH2) nCH3 prevents the grafting of the molecules of interest.
  • the passivation layer is a PLL-g-PEG (poly (L-lysine) -graft-poly (ethylene glycol) polymer.
  • the Lysine part allows grafting onto the substrate while the ethylene glycol chain prevents the molecules to graft onto the substrate:
  • an SOI (Silicon on Insulate) substrate comprising a polysilicon substrate 200, a layer of S1O2202, for example 0.5 ⁇ m thick, and a layer of monocrystalline silicon 204, for example 0.22 ⁇ m. thick, shown in Figure 11A.
  • lithography and then etching are used to define the structure of the sensor, i.e. the waveguide, the resonator (s).
  • the etching is a deep etching by reactive ions or DRIE (Deep Reactive-lon Etching) with stopping on the layer 202.
  • doping is carried out by localized implantation in order to produce conductive tracks.
  • the stack of layers thus formed is for example Ti / TiN / Au.
  • the layer is formed for example by deposition then the contacts 206 are defined by lithography then etching.
  • the structure i.e. the resonator and the waveguide are released by at least partially etching the layer 202.
  • the etching is carried out for example by wet etching or in the vapor phase with hydrofluoric acid. This is an engraving at the time.
  • the sensor is then functionalized. It may be a functionalization of the entire structure, the functionalization layer being formed both on the resonator and on the waveguide, or else a localized functionalization, ie for example only on the end faces. of the resonator.
  • the functionalization layer can be produced according to one of the techniques described above.
  • the method further comprises manufacturing a cover provided with at least one channel and a sealed assembly of the cover and the sensor.
  • the functionalization can then take place by circulation of a fluid ensuring the functionalization of the resonator.
  • the sensor is advantageously made of silicon, which makes it particularly suitable for a high level of integration on a substrate.

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Abstract

Capteur de concentration d'au moins une espèce biologique dans le sang comportant un support (2), au moins un guide d'onde (4), un résonateur optomécanique (6) suspendu au support (2), ledit résonateur optomécanique (6) étant couplé optiquement au guide d'onde (4), ledit résonateur optomécanique étant configuré pour vibrer en mode de volume et comportant au moins une face s'étendant dans le plan du capteur et configurée pour recevoir des molécules de ladite espèce donnée, au moins ladite face comportant une couche de fonctionnalisation spécifique à ladite espèce, ledit résonateur optomécanique présentant une dimensions faible dans une direction normale au plan du capteur par rapport aux dimensions de ladite face.

Description

CAPTEUR POUR DÉTECTER UN ANALYTE CIBLE DANS UN MILIEU LICUIDE AVEC UN RÉSONATEUR OPTICUE COUPLÉ À UN RÉSONATEUR MECANICUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un capteur de concentration d'espèces en milieu liquide, en particulier d'espèces biologiques
Il existe différentes techniques pour détecter et quantifier des espèces biologiques dans un liquide. Par exemple, La méthode immuno-enzymatique ELISA (« Enzyme-linked immunosorbent assay » en terminologie anglo-saxonne) pour « dosage d'immuno-absorption par enzyme liée », c'est-à-dire dosage immuno-enzymatique sur support solide, est un examen de laboratoire, qui permet de détecter la présence d'un anticorps ou d'un antigène dans un échantillon.
Cette méthode met en œuvre un test immunologique, dans lequel le dosage est couplé à une réaction catalysée par une enzyme qui libère un composant coloré suivi par une spectroscopie. Cette méthode est longue et d'usage unique.
Il existe également une méthode basée sur des résonateurs à plasmon de surface. La fixation d'une molécule sur la surface est suivie par résonance plasmonique de surface, qui détecte les changements d'indice optique au niveau de la surface, et permet d'en déduire la concentration en molécules. Cette méthode est facile d'utilisation et rapide, mais elle est peu sensible.
Il existe également des dispositifs de type résonateur mécanique qui comportent des canaux dans lesquels circule un liquide contenant les espèces à détecter. Les résonateurs fonctionnent sous vide et présentent un facteur de qualité important, cependant ils sont volumineux et présentent une faible résolution. En outre, la fonctionnalisation des canaux est complexe du fait de la tortuosité et des dimensions des canaux. Il est donc difficile de réaliser des capteurs spécifiques. EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un capteur de concentration d'espèces en milieu liquide offrant une bonne résolution et de fonctionnement relativement simple et rapide.
Le but énoncé ci-dessus est atteint par un capteur de concentration d'au moins une espèce contenue dans un liquide comportant au moins un résonateur optique et au moins un résonateur mécanique couplés l'un à l'autre, au moins un guide d'onde couplé optiquement avec le résonateur optique, au moins le résonateur mécanique étant au moins en partie fonctionnalisé de sorte à être sélectif par rapport à ladite au moins une espèce. Le résonateur mécanique vibre en mode de volume dans le plan du capteur et à fréquence élevée. En outre le résonateur mécanique présente une dimension faible dans une direction normale au plan du capteur.
Grâce à l'invention, les pertes d'énergie mécaniques dues à l'immersion dans un liquide sont sensiblement réduites ce qui permet d'obtenir un capteur sélectif sensible.
De manière préférée, le résonateur mécanique vibre en mode radial.
Dans un exemple de réalisation préféré, le résonateur optique et le résonateur mécanique sont formés par le même objet.
De manière avantageuse, le résonateur unique est porté par un pied de diamètre faible par rapport à la plus grande dimension de la surface du résonateur, par exemple le rapport diamètre pied/plus grande dimension de la surface du résonateur < 1/10.
Préférentiellement la couche de fonctionnalisation est fine, par exemple d'épaisseur inférieure à 20 nm, et est homogène, réduisant les pertes optiques. En outre, la mise en œuvre d'une couche homogène simplifie la détermination des concentrations.
De préférence, le résonateur est en silicium ce qui permet une fabrication à grande échelle facilitée.
La présente invention a alors pour objet une structure de capteur de concentration d'au moins une espèce donnée en milieu liquide comportant un support, au moins un guide d'onde, au moins un résonateur optique suspendu au support, ledit résonateur optique étant couplé optiquement au guide d'onde, au moins un résonateur mécanique suspendu au support, ledit résonateur mécanique et ledit résonateur optique étant couplés, ledit résonateur mécanique étant configuré pour vibrer en mode de volume et comportant au moins une face s'étendant dans le plan du capteur et configurée pour recevoir des molécules de ladite espèce donnée, au moins ladite face comportant une couche de fonctionnalisation spécifique à ladite espèce, ledit résonateur mécanique présentant une dimension faible dans une direction normale au plan du capteur par rapport aux dimensions de ladite face.
De préférence, la dimension du résonateur mécanique et/ou du résonateur optique dans la direction normale au plan du capteur est au moins 10 fois inférieure aux dimensions du résonateur mécanique et/ou du résonateur optique dans le plan du capteur
La couche de fonctionnalisation est avantageusement homogène. La couche de fonctionnalisation peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 20 nm.
De préférence, le résonateur mécanique est configuré pour vibrer dans un mode radial.
Dans un exemple avantageux, le résonateur mécanique et/ou le résonateur optique est ou sont suspendu(s) par un pied reliant une face du ou des résonateur en regard du support et le support. Le pied peut présenter un diamètre au moins 10 fois plus petit que les dimensions du ou des résonateur dans le plan.
Dans un exemple de réalisation, le résonateur optique et le résonateur mécanique sont un même élément suspendu au support, ledit élément étant un résonateur optomécanique. Le résonateur optomécanique a avantageusement la forme d'un disque, d'un anneau ou d'un hippodrome.
La structure de capteur de concentration peut comporter des moyens d'excitation du résonateur mécanique de sorte à le mettre en vibration, de préférence à sa fréquence de résonance. La structure de capteur de concentration peut comporter plusieurs ensembles de résonateurs optiques et mécaniques couplés ou plusieurs résonateurs optomécaniques, couplés à un unique guide d'onde.
La présente invention a également pour objet un capteur de concentration d'au moins une espèce donnée en milieu liquide comportant au moins une structure de capteur selon l'invention, une source lumineuse connectée à une extrémité du guide d'onde, et des moyens de traitement de l'onde lumineuse connectés à l'autre extrémité du guide d'onde.
La source lumineuse est par exemple configurée pour émettre des ondes lumineuses multiplexées et les moyens de traitement sont configurés pour traiter les ondes lumineuses multiplexées.
La présente invention a également pour objet un ensemble de mesure comportant au moins deux capteurs selon l'invention, l'un des capteurs, dit premier capteur, étant fonctionnalisé avec une première molécule biologique reconnaissant spécifiquement l'espèce donnée, l'autre capteur, dit deuxième capteur, étant fonctionnalisé avec une deuxième molécule biologique de nature similaire à la première molécule et possédant une capacité de reconnaissance spécifique d'une autre espèce que l'espèce donnée, ledit ensemble comportant des moyens pour soustraire le signal émis par le deuxième capteur au signal émis par le premier capteur.
La présente invention a également pour objet un système microfluidique comportant au moins un canal ou la circulation du liquide dont la concentration d'au moins une espèce est à mesurer et au moins un capteur de concentration selon l'invention ou au moins un ensemble selon l'invention, le résonateur optique et le résonateur mécanique ou le résonateur optomécanique étant disposé dans le canal.
Le système microfluidique peut comporter un canal avec plusieurs capteurs comportant des couches de fonctionnalisation spécifiques à des espèces différentes les unes des autres.
Le canal présente par exemple une hauteur comprise entre 5 pm et 500 pm et une largeur comprise entre 10 pm et 700 pm. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
La figure IA est une vue en perspective d'un exemple de capteur de concentration selon l'invention.
La figure IB est une vue agrandie du résonateur optomécanique de la figure IA.
La figure 2 est une vue de dessus représentée schématiquement d'un exemple de capteur de concentration comportant des moyens d'excitation.
La figure 3 est une vue de dessus représentée schématiquement d'un capteur de concentration dont le résonateur comportant des trous permettant d'augmenter sa précision.
La figure 4 est une vue en perspective d'un autre exemple de capteur de concentration présentant une structure particulière de guide d'onde.
La figure 5 est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un résonateur pouvant être mis en œuvre dans le capteur de concentration selon l'invention.
La figure 6 est une vue de dessus d'un exemple de capteur mettant en œuvre le résonateur de la figure 5.
La figure 7 est une représentation schématique d'un exemple d'un système microfluidique mettant en œuvre au moins un capteur de concentration selon l'invention.
La figure 8 est une représentation schématique d'un autre exemple d'un système microfluidique mettant en œuvre au moins un capteur de concentration selon l'invention.
La figure 9 est une représentation schématique d'un autre exemple d'un système microfluidique mettant en œuvre au moins un capteur de concentration selon l'invention. La figure 10 est une représentation schématique d'un exemple de capteur comportant un résonateur optique et un résonateur optique distincts et couplés l'un à l'autre.
Les figures 11A, 11B, 11C et 11D sont des représentations schématiques d'éléments obtenus au cours d'étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un capteur selon l'invention.
La figure 12 est une représentation schématique d'un autre exemple de résonateur optomécanique selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la figure IA, on peut voir un exemple de capteur Cl de concentration d'espèces en milieu liquide selon l'invention.
Dans la présente demande, on entend par « espèces », des espèces biologiques, tels que des bactéries ou des virus, des molécules chimiques, des atomes et/ou des nanoparticules.
Comme cela sera décrit ci-dessous le résonateur est fonctionnalisé de sorte à présenter une affinité avec la ou les espèces à détecter. La couche de fonctionnalisation peut être sensible à des espèces biologiques, à des atomes individuels ou à des nanoparticules. Dans le cas des nanoparticules, la spécificité peut être dirigée contre des marqueurs présents en surface de ces nanoparticules ou contre l'élément atomique constitutif de la nanoparticule. Il peut également être envisagé une spécificité envers la taille des nanoparticules.
Les espèces à détecter ont des dimensions comprises entre quelques dizaines de nm à quelques pm. Les espèces ont des dimensions maximales inférieures ou égales aux dimensions du résonateur dans le plan, qui sera décrit ci-dessous.
Le liquide peut être le sang, le plasma, les humeurs, et plus généralement tout liquide corporel, l'eau des cours d'eau, tels que les rivières, les fleuves, l'eau des océans, l'eau des réseaux d'alimentation en eau des villes... et tout autre liquide que l'on souhaite analyser. Le capteur Cl comporte un support ou substrat 2, au moins un guide d'onde 4 supporté par le substrat et un résonateur optomécanique 6 suspendu au substrat 2, une source lumineuse S et des moyens de traitement T de l'onde lumineuse sortant du guide d'onde. Le support 2, le guide d'onde, le résonateur optomécanique forme une structure de capteur.
Le guide d'onde 4 comporte une extrémité d'entrée 4.1 d'une onde lumineuse connectée à une source lumineuse par l'intermédiaire d'un réseau de couplage
5.1, et une extrémité de sortie 4.2 connectée à des moyens de traitement de l'onde lumineuse sortant du guide d'onde par l'intermédiaire d'un réseau de couplage 5.2.
Le résonateur 6 est disposé à proximité d'un flanc du guide d'onde 4 de sorte à être coupler optiquement à celui-ci. Le guide d'onde est dans le champ évanescent du résonateur, de sorte que l'onde lumineuse provenant de la source soit injectée dans le résonateur optique et que l'onde lumineuse ayant circulé dans le résonateur soit collectée par le guide d'onde.
La largeur de l'espace entre le flanc du guide d'onde et le bord latéral du résonateur est par exemple comprise entre 10 nm et 50 nm.
Dans l'exemple représenté le résonateur optomécanique 6 a la forme d'un disque suspendu à un pied 8 fixé à une face du disque en regard du substrat. Le disque s'étend dans un plan du capteur. Le résonateur comporte deux faces d'extrémité
6.1, 6.2 sensiblement parallèles au plan du capteur et une face latérale 6.3 (figure IB).
Dans la présente demande, on entend par « plan du capteur » un plan parallèle au substrat.
De préférence le pied présente un diamètre faible par rapport aux dimensions du disque dans le plan du capteur, plus particulièrement un diamètre faible par rapport au diamètre du disque, de préférence le pied présente un diamètre 10 fois plus petit que le diamètre du disque.
Plus généralement, le diamètre du pied est dix fois plus petit que la plus petite dimension du résonateur dans le plan du capteur, ainsi le pied gêne peu ou pas la vibration radiation du résonateur. En variante, le résonateur est suspendu par des ressorts dans le plan ou par des poutres de taille nanométriques s'étendant radialement et comprimées et tendues par la vibration du disque. Les ressorts ou les poutres sont alors dimensionnés pour présenter une raideur axiale plus faible que celle du résonateur. Toute autre forme de résonateur peut convenir, par exemple vue de dessus le résonateur peut avoir une forme d'anneau, d'ellipse ou hippodrome (« racetrack » en terminologie anglo-saxonne).
Le résonateur peut être réalisé en tout matériau capable de confiner une onde électromagnétique, tel que le GaAS, le Ge ou le Si. Ce dernier est particulièrement intéressant pour une fabrication selon les techniques microélectroniques offrant un niveau élevé d'intégration sur un substrat.
Le résonateur est destiné à capturer la ou les espèces à détecter, la surface du résonateur est donc de préférence la plus grande possible pour maximiser la quantité d'espèces capturables. Cependant on cherche à minimiser la surface latérale 6.3 du résonateur pour limiter les pertes visqueuses par interaction avec le solvant et favoriser le cisaillement. On cherche donc à maximiser les surfaces d'extrémité 6.1, 6.2 du résonateur et à réduire la surface latérale 6.3. On cherche également à diminuer la masse du résonateur optomécanique pour avoir une bonne sensibilité en masse. La forme du disque est donc particulièrement avantageuse en termes de rapport de surface. On choisit de préférence un résonateur présentant un rapport d'aspect important, un rapport dimension dans le plan du capteur / épaisseur du résonateur important.
Dans le cas d'un disque, le rapport Diamètre du disque/épaisseur est de préférence compris entre 10 et 100. Le diamètre maximal du résonateur est de préférence quelques centaines de pm.
Dans un exemple de réalisation, le résonateur comporte des bords effilés améliorant avantageusement les performances optiques du résonateur. Le résonateur est en outre tel qu'il vibre dans un mode de volume dans le plan, permettant d'atteindre une fréquence de vibration élevée par exemple au moins égale à 100 MHz.
De préférence, le résonateur vibre dans un mode radial ou RBM (Radial Breathing Mode en terminologie anglo-saxonne), un tel mode permet d'atteindre un très bon couplage entre le mode optique et le mode mécanique. En effet, la vibration radiale du disque a un impact important sur les propriétés optiques du disque, notamment sur la longueur du trajet optique au sein du résonateur et donc sur la puissance lumineuse récupérée par le guide d'onde 2.
En variante, le résonateur peut vibrer dans un mode tangentiel ou un mode wine glass. Néanmoins il présente une efficacité réduite par rapport au résonateur dans un mode radial.
Le résonateur est en outre fonctionnalisé de sorte à être spécifique à une ou plusieurs espèces à détecter. La fonctionnalisation est obtenue en formant une couche 10 (figure IB) spécifique à l'espèce ou aux espèces à détecter sur toutes les surfaces du résonateur 6.1, 6.2, 6.3 ou une partie des surfaces du résonateur.
Par exemple, la couche de fonctionnalisation comporte au moins une macromolécule capable de reconnaissance spécifique d'une cible, i.e. l'espèce donnée à détecter.
La fonctionnalisation du résonateur à plusieurs espèces est obtenue par exemple en fonctionnalisant différentes parties du résonateur, chacune spécifique à une espèce, ou en réalisant une couche de fonctionnalisation qui mélange différents biorécepteurs spécifiques chacun à une espèce.
A titre d'exemple, la couche de fonctionnalisation comporte des anticorps spécifiques à une protéine ou à une petite molécule, par exemple une toxine, des aptamères reconnaissant spécifiquement une protéine ou une petite molécule, des brins d'ADN ou d'ARN qui s'hybrideront avec un brin d'ADN ou d'ARN complémentaire à celui greffé sur la surface du résonateur, des polymères à empreinte moléculaire (Molecular Imprinting polymer MIP en terminologie anglo-saxonne). La fonctionnalisation de la surface du résonateur consiste à modifier les molécules présentes à la surface du capteur et/ou à greffer sur la surface du capteur les nouvelles molécules permettant la reconnaissance spécifique de la cible recherchée
La modification des molécules présentes à la surface du capteur peut par exemple consister, de manière non limitative, en l'oxydation d'une fonction, en la déshydratation d'une fonction alcool, en la substitution nucléophile d'un groupement par un autre ou en une estérification. Toutes ces transformations sont bien connues de l'homme du métier qui saura comment faire pour passer d'une fonction chimique à celle d'intérêt.
Une fonctionnalisation par greffage peut requérir en général une couche intermédiaire supportant la couche de nouvelles molécules apportant la fonctionnalisation voulue. Il existe plusieurs méthodes pour fonctionnaliser une surface en silicium. Une première méthode consiste à greffer une couche de PEG (chaîne polymère de polyéthylène glycol) sur la surface silicium. Une extrémité de la chaîne du PEG se lie de façon covalente à la surface silicium et l'autre extrémité reste libre permettant ainsi de greffer la molécule d'intérêt pour une reconnaissance spécifique du capteur. Cette méthode est décrite dans le document [1]. Une autre méthode consiste à utiliser des chaînes carbonées dont l'une des extrémités possède une fonction silane et l'autre extrémité est choisie de façon à greffer par la suite la molécule permettant la reconnaissance spécifique du capteur. L'autre extrémité peut être une fonction époxy, permettant par la suite de greffer de l'ADN, ou une fonction amine permettant le greffage d'une protéine, par exemple une l'immunoglobuline. Cette méthode est décrite dans les documents [2] et [3]. Enfin, une autre méthode consiste à greffer sur la surface silicium un alkynène possédant une fonction alcène à une extrémité et une fonction alcyne protégée par un groupement triméthylgermanyle à l'autre extrémité. Après greffage sur la surface silicium, la fonction alcyne est utilisée pour coupler la molécule d'intérêt par chimie-clic (« click chemsitry » en terminologie anglo-saxonne). Cette méthode est illustrée dans le document [4].
La couche de fonctionnalisation 8 présente une faible épaisseur, voire comporte une seule couche de molécules de fonctionnalisation. Avantageusement l'épaisseur de la couche de fonctionnalisation est inférieure à 20 nm, et de préférence inférieure à 10 nm. En outre la couche a une épaisseur constante sur toute la surface.
Dans la présente demande, on entend par « épaisseur constante » une couche dont l'épaisseur varie au plus de 25% de son épaisseur sur toute sa surface.
En outre la couche de fonctionnalisation est très avantageusement homogène sur la surface du résonateur, i.e. elle comporte un nombre de molécules par unité de surface relativement uniforme.
L'homogénéité de la couche correspond à la quantité de sites de reconnaissances de la cible à détecter par unité de surface, qui est un multiple du nombre de molécules bio-réceptrices immobilisés par unité de surface à la surface du résonateur. On définit une unité de surface comme étant au moins l/100ieme de la surface du capteur. Une couche est dite homogène, lorsque le nombre de sites de greffage/reconnaissance disponibles dans chaque unité de surface varie de moins de 5/100ieme autour d'une valeur moyenne. Le nombre de sites de reconnaissance par unité de surface dépend du protocole de fonctionnalisation choisi et de la taille de la molécule bio-réceptrice.
La mise en œuvre d'une couche de fonctionnalisation fine et avantageusement homogène permet de conserver les propriétés de couplage optique et de couplage optomécanique du résonateur après fonctionnalisation.
En outre la mise en œuvre d'une couche homogène permet de remonter relativement facilement à la concentration de l'espèce.
De plus la mise en œuvre d'une couche de fonctionnalisation homogène améliore la sensibilité du capteur et permet de mettre une couche de fonctionnalisation sans dégrader les mesures du capteur.
De plus, dans le cas où la couche de fonctionnalisation recouvre le bord latéral du résonateur et éventuellement les flancs du guide d'onde, et donc intervient dans le couplage optique entre le guide d'onde et le résonateur, la réalisation d'un couche fine et homogène permet de réduire les pertes optiques.
La mise en œuvre d'une couche fine limite les risques de combler l'espace entre le guide d'onde et le résonateur. Par exemple, pour une longueur d'onde de 1,55 pm, la largeur de l'espace de couplage optique est comprise entre 20 nm et 500 nm. On peut donc choisir une épaisseur de la couche suffisamment fine, de sorte que, lorsqu'elle recouvre à la fois le flanc du guide d'onde et le bord latéral du résonateur, l'espace ne soit pas comblé.
La couche de fonctionnalisation peut être localisée, avantageusement elle peut être déposée uniquement sur les faces d'extrémité du résonateur, voire sur une seule des faces d'extrémité. Dans ce cas, la couche de fonctionnalisation n'intervient alors pas dans le couplage optique entre le guide d'onde et le résonateur.
Le fonctionnement du capteur va maintenant être décrit.
On choisit la longueur d'onde de l'onde lumineuse à injecter dans le résonateur proche de la résonance optique du résonateur, i.e. à flanc du pic de résonance optique. La lumière résonant à l'intérieur du résonateur optique est alors très sensible à la déformation mécanique du résonateur mécanique, en particulier lorsque le résonateur optique et mécanique sont confondus)
L'onde lumineuse à la longueur d'onde choisie est injectée dans le guide d'onde par une source lumineuse, par couplage optique l'onde lumineuse est injectée dans le résonateur optomécanique 6. L désigne l'onde lumineuse circulant dans le résonateur. La fréquence de modulation de la puissance de l'onde lumineuse est choisie de sorte à mettre en vibration le résonateur dans un mode de volume, avantageusement dans un mode radial.
Le capteur est immergé dans un liquide dont on souhaite mesurer la concentration en une espèce donnée et pour laquelle le capteur présente une couche de fonctionnalisation adaptée. Les molécules de l'espèce donnée sont alors capturées par la couche de fonctionnalisation et se fixent sur le résonateur, ce qui modifie la masse du résonateur et donc la fréquence de vibration du résonateur. La mesure de la variation de la fréquence de vibration, permet de déterminer la quantité d'espèce donnée déposée sur le résonateur et de déterminer la concentration.
En variante, la mesure de variation de la fréquence de vibration peut être combinée à une mesure des variations des propriétés optiques du résonateur permettant d'acquérir des informations complémentaires. De préférence, avant la circulation de l'échantillon contenant la cible à détecter, une solution tampon biologique présentant une viscosité similaire à celle de l'échantillon contenant la cible circule autour du capteur ce qui permet au capteur d'atteindre une fréquence de résonance stable. Ensuite, l'échantillon contenant la cible est injecté et le capteur perçoit le changement de fréquence de résonance provenant du greffage de la cible sur le résonateur Cette réponse du capteur au greffage biologique a une dynamique en N*e x/t ( k=Ae(Ea/RT)) et dure de l'ordre de 5 min a 40 min en pratique.
Dans un exemple avantageux, on utilise plusieurs capteurs.
Dans une configuration à deux capteurs, le premier capteur est fonctionnalisé avec une première molécule biologique reconnaissant spécifiquement la cible. Le deuxième capteur est fonctionnalisé avec une deuxième molécule biologique de nature similaire à la première molécule, mais possédant une capacité de reconnaissance spécifique d'une autre espèce que la cible recherchée.
Le signal émis par le premier capteur contient l'information sur l'accroche spécifique de la cible et l'information sur l'accroche non-spécifique, d'autres éléments que celui recherché, qui est une information parasite. Le signal émis par le deuxième capteur contient seulement l'information sur l'accroche non spécifique. En soustrayant au signal du premier capteur, le signal du deuxième capteur, on obtient l'information sur le greffage spécifique, qui permet de détecter la présence de la cible recherchée.
Après une mesure réalisée par le capteur, on peut effectuer un nettoyage de celui-ci.
Selon un exemple de rinçage, une solution de tampon biologique est envoyée sur le capteur par le biais du système d'amené du fluide. Cette solution provoque le détachement d'une partie de cibles immobilisées sur le capteur. Certaines cibles peuvent rester à la surface du capteur, immobilisées sur leurs biorécepteurs correspondants. Ces éléments restants provoquent une diminution de la quantité de sites disponibles pour des analyses ultérieures avec les mêmes capteurs.
Néanmoins, le chateur selon l'invention présente une grande sensibilité et est donc particulièrement adapté pour détecter qu'un très faible nombre de molécules cibles. La détection peut souvent être faite avec la reconnaissance d'un nombre d'élément cibles ne représentant qu'une portion des cibles greffables en totalité à la surface du capteur. Ainsi, les capteurs peuvent, notamment dans l'application pour détecter un faible nombre de molécules cibles, mener plusieurs analyses successives, car les échantillons analysés ne contiennent pas suffisamment d'éléments cibles pour saturer la surface du capteur.
Lorsque l'on souhaite forcer la séparation des éléments cibles restants afin de libérer tous les biorécepteurs. Plusieurs techniques peuvent être utilisées à adaptés en fonction des molécules cibles.
Dans le cas de brins d'ADN hybridés (cible et bio récepteur), on peut augmenter la température du capteur à 80°C pendant une durée de quelques minutes, par exemple au moyen d'un dispositif de chauffe rapporté, ce qui provoque la déhybridation de tout complexe ADN-ADN et relargue les éléments visés de la surface du disque. Une solution de rinçage type tampon biologique peut circuler simultanément pour collecter les éléments relargués.
Pour des reconnaissances protéines- protéines ou protéines - autre élément biologique à détecter, tels que des toxines, des bactéries, des cellules, des solutions faiblement concentrées de soude NaOH ou de guanadinium hydrochloride peuvent être utilisées qui peuvent provoquer la dissociation de la liaison antigène- anticorps et régénérer complètement le capteur avant de nouvelles mesures. La régénération peut néanmoins dégrader les protéines réceptrices, limitant le nombre de régénérations possibles, per exemple suivant la surface fonctionnalisée, le nombre de régénérations peut être compris entre 10 et 40.
Dans l'exemple de fonctionnement décrit ci-dessus le résonateur est mis en vibration par l'onde lumineuse de mesure.
En variante, le résonateur n'est pas mis en vibration par l'onde lumineuse. On mesure uniquement la variation de fréquence de résonance grâce au bruit brownien du résonateur, en effet l'agitation thermique fait vibrer le résonateur à sa fréquence de résonance. Dans cette variante, l'onde lumineuse sert uniquement à détecter la variation de fréquence de vibration. Dans une variante avantageuse, le capteur représenté sur la figure 2 comporte des moyens d'excitation 14 spécifiques pour mettre en vibration le résonateur, à sa fréquence de résonance, ce qui permet une grande sensibilité dans la lecture des changements de fréquence mécanique, et de préférence à une amplitude importante pour maximiser le rapport signal sur bruit. La mise en vibration du résonateur permet d'améliorer la résolution.
Le greffage des cibles biologiques, augmente la masse du résonateur mécanique, ce qui modifie sa fréquence de résonnance, ce qui est transduit par le résonateur optique formant transducteur
Il peut donc coexister des moyens optiques de mise en résonnance optique du résonateur optique et des moyens de mise en résonnance mécanique du résonateur mécanique. Le résonateur optique forme un transducteur, qui transduit alors la résonance mécanique en une information lumineuse puis électrique.
Dans un mode avantageux, le résonateur optique qui est le moyen de transduction de la résonance mécanique peut aussi être le moyen de mise en résonance mécanique, par exemple en modulant la puissance lumineuse injecté dans le circuit optique par un modulateur.
Dans cet exemple les moyens d'excitation 14 sont de type électrostatique, ils comportent une première électrode 14.1 formée sur le bord latéral du résonateur 4 par exemple en dopant le silicium et une deuxième électrode 14.2 formée sur le support en regard de la première électrode.
En variante, les moyens d'excitation sont de type optique par pression de radiation, par exemple utilisant un mode dit « pump-probe » utilisant un signal lumineux de longueur d'onde différente du signal lumineux servant à la mesure, et dont l'amplitude est modulée à la fréquence de résonance du disque. En variante un seul signal lumineux est utilisé qui assurer à la fois la mesure et l'excitation ; celui-ci est modulé au moyen d'un modulateur électrooptique.
Dans une variante avantageuse, on intègre une boucle de verrouillage de phase (« Phase Lock Loop » en terminologie anglo-saxonne) ce qui permet d'asservir la phase de la vibration à la résonance. De manière avantageuse, on réalise un résonateur de masse réduite afin d'augmenter la sensibilité du capteur.
Ceci peut être obtenu en réalisant des trous 12 traversant dans le résonateur 6”, comme cela est représenté à la figure 3. Les trous 12 offrent l'avantage supplémentaire d'augmenter la surface spécifique couverte par couche de fonctionnalisation. Les trous sont par exemple dans la direction normale au plan du résonateur. En outre ces trous peuvent avantageusement servir pour faciliter la libération du résonateur, lorsqu'il est libéré par gravure de la couche sacrificielle dans un procédé microélectronique.
Lorsque le pied est réalisé dans le matériau de la couche sacrificielle, par exemple en Si02, son diamètre avant libération est choisi de sorte qu'à la fin de la gravure le diamètre « restant » soit suffisant pour supporter le résonateur.
Sur la figure 4, on peut voir un exemple de réalisation d'un capteur avantageux lorsque le guide d'onde est supporté par des portions de la couche sacrificielle.
Lors de la libération du résonateur, on ne souhaite pas libérer entièrement le guide d'onde 2, ni les réseaux de couplage.
Par ailleurs la largeur des guides d'ondes est déterminée pour obtenir des propriétés optiques particulières (par exemple, pour être monomode optiquement). Lorsque cette largeur est petite par rapport aux distances à graver sous le résonateur, on prévoit avantageusement des portions de guide d'onde 16 plus larges à distance des zones de couplage avec le résonateur et/ou à proximité des connexions entre le guide d'onde et les réseaux de couplage 5.1, 5.2.
Ainsi la couche sacrificielle sous les portions 16 ne sont pas entièrement gravées et servent de support au guide d'onde. La largeur des portions 16 est choisie de sorte à être au moins égale à la distance maximale à graver dans le plan + une largeur suffisant pour supporter le guide d'onde.
Dans l'exemple représenté les portions 16 sont réparties régulièrement le long du guide d'onde mais ceci n'est pas limitatif. Dans un autre exemple de réalisation avantageux représenté sur les figures 5 et 6, permettant de s'affranchir des problèmes de gravure le pied 8' du résonateur 6' et /ou les supports du guide d'onde 4' sont réalisés par des vias 18, 20 en un matériau insensible à la gravure lors de la libération. Par exemple, lorsque la libération est obtenue par gravure d'oxyde de silicium par du HF, les vias sont réalisés en polysilicium en ou en métal.
Le guide d'onde, est couplé à la source de lumière et au dispositif d'analyse par exemple par des fibres optiques positionnées à un angle optimal grâce à des positionneurs piézoélectriques au-dessus des réseaux de couplage. Avantageusement, on peut utiliser une technique de fibrage consistant à « coller » des fibres directement sur puce.
Sur la figure 7, on peut voir un exemple de système microfluidique intégrant le capteur.
Le système SF1 comporte un microcanal 20 par exemple formé dans un capot 22 qui est rapporté sur le substrat. Le liquide à analyser est injecté dans le canal 20. Les dimensions du canal sont telles que le liquide est contraint de circuler au niveau du résonateur uniquement. Ainsi on maximise la probabilité de capture des espèces à détecter et on diminue le temps d'analyse. En outre on peut réduire le volume de liquide requis. Un microcanal typique peut mesurer de 5 pm à 500 pm en hauteur et de 10 pm à 700 pm en largeur.
Dans l'exemple représenté, le système comporte un seul capteur et le guide d'onde est transversal au canal.
En variante, le système comporte plusieurs capteurs disposés les uns à la suite des autres et fonctionnalisés différemment et chacun couplé à son propre guide d'onde. Ainsi avec un seul système il est possible de déterminer les concentrations de plusieurs espèces dans le même échantillon de liquide et quasi-simultanément.
En variante, le guide d'onde est aligné avec au moins une partie du canal et plusieurs résonateurs sont couplés à celui-ci et par multiplexage il est possible de réaliser la détection de plusieurs espèces, voire effectuer des contrôles positifs, par exemple en utilisant deux capteurs, un premier capteur fonctionnalisé avec une molécule bio réceptrice et possédant une spécificité envers la molécule recherchée et un deuxième capteur fonctionnalisé avec une molécule bio réceptrice de même type que le premier capteur, mais ne possédant pas de spécificité envers la molécule recherchée.
Sur la figure 8, on peut voir un autre exemple de circuit microfluidique SF2 comportant un canal 24 en forme de serpentin comprenant des portions droites 26 raccordée par des portions courbes 28 et un résonateur RI, R2, R3 situé dans une portion droite 26 et des guides d'ondes Gl, G2, G3 couplés à chaque résonateur, et transversaux aux portions droites.
En variante, les résonateurs sont couplés au même guide d'onde et la détection est réalisée par multiplexage.
Sur la figure 9, on peut voir encore un autre exemple de système microfluidique SF3 qui diffère du système de la figure 8 par le fait que les portions droites 26 ne sont pas raccordées par des portions courbes et forment des microcanaux indépendants pouvant être alimentés par des liquides différents.
De manière avantageuse, la fonctionnalisation peut être réalisée en faisant circuler le liquide de fonctionnalisation dans le canal lors de la fabrication.
Dans le cas du système SF2, on peut avantageusement réaliser préalablement uniquement les portions droites que l'on fonctionnalise avec des liquides différents, ainsi chaque résonateur a sa propre fonctionnalisation et ensuite les portions courbes sont réalisées de sorte à former un système unique avec des résonateurs ayant des fonctionnalisations différentes.
Sur la figure 10 on peut voir un exemple de capteur dans lequel le résonateur optique et le résonateur mécanique sont distincts.
Le capteur C2 comporte une structure de capteur comprenant un substrat 102, un guide d'onde 104, un résonateur optique 106.1 couplé optiquement au guide d'onde 104 et un résonateur mécanique 106.2 disposé dans le champ évanescent du résonateur optique 106.1 et apte, du fait de sa modification de masse par capture des particules, à modifier les propriétés optiques du résonateur optique. Le capteur C2 comporte également une source de lumière S connectée à une extrémité du guide d'onde 104 et des moyens de traitement T connectés à l'autre extrémité du guide d'onde 104. Le résonateur mécanique 106.2 vibre en mode de volume de préférence en mode radial.
Dans cet exemple, le résonateur mécanique peut présenter un forme discontinués ou irrégulière, par exemple une forme carrée puisqu'il n'est pas destiné à guider l'onde lumineuse.
De préférence le pied du résonateur optique et le pied du résonateur mécanique présentent un diamètre faible par rapport aux dimensions du résonateur dans le plan du capteur. Dans le cas de résonateurs en forme de disque, le pied présente un diamètre faible par rapport au diamètre du disque, de préférence le pied présente un diamètre 10 fois plus petit que le diamètre du disque.
Plus généralement, le diamètre du pied est dix fois plus petit que la plus petite dimension du résonateur dans le plan du capteur, ainsi le pied gêne peu ou pas la vibration radiation du résonateur.
On choisit de préférence des résonateurs optique et mécanique présentant un rapport d'aspect important, un rapport dimension dans le plan du capteur / épaisseur du résonateur important.
Dans le cas d'un disque, le rapport Diamètre du disque/épaisseur est de préférence compris entre 10 et 100. Le diamètre maximal des résonateurs est de préférence quelques centaines de pm
Le résonateur mécanique peut être excité par des moyens électriques extérieurs ou par l'agitation thermique, dans ce dernier cas le rapport signal sur bruit est moins bon.
Sur la figure 12, on peut voir un autre exemple d'un capteur selon la présente invention dans lequel la couche de fonctionnalisation 10' est avantageusement localisée sur le bord périphérique du résonateur ce qui permet de maximiser le signal. La couche de fonctionnalisation a une forme d'anneau et est localisée sur la zone de plus forte amplitude de déplacement de la zone sensible du résonateur. En favorisant l'accroche des particules d'intérêt dans cette zone, le signal est maximisé. Par exemple, la largeur de l'anneau de fonctionnalisation est au plus égal à 1/3 du rayon du disque du résonateur. La couche de fonctionnalisation peut être réalisée selon les méthodes décrites ci-dessus. Par exemple, on forme sur la surface sensible une couche d'accroche CA par exemple en or en forme d'anneau, sur laquelle est formée une couche de greffage CG comportant par exemple une fonction thiol, et sur laquelle on réalise la couche de fonctionnalisation formée par exemple par des biorécepteurs spécifiques aux particules cibles, par exemple les biorécepteurs sont des aptamères, des anticorps, des lectines, des brins d'ADN ou d'ARN, des enzymes...
De manière encore plus avantageuse, le capteur comporte une couche de passivation CP bloquant l'absorption des particules d'intérêts, cette couche est formée sur les zones du capteur où l'on ne souhaite pas que les particules cibles ne fixent, i.e. sur les zones autres que celles où est formée la couche de fonctionnalisation. La couche de passivation CP est formée sur le substrat et dans l'exemple représenté sur la partie centrale de la surface sensible à l'intérieur de la couche de fonctionnalisation 10' en forme d'anneau. Ainsi l'accroche des cibles recherchées en dehors de la zone sensible du capteur est limitée. La détection effective de plus faibles concentrations d'espèces au sein du milieu liquide est alors rendue améliorée.
Dans le cas où la couche de fonctionnalisation recouvre toute la surface sensible du capteur, la couche de passivation est formée uniquement sur le substrat.
La couche de passivation contient par exemple des silanes de formule X3Si-(CH2)nCH3. La partie X3S1- permet l'accroche sur le silicium et la chaîne aliphatique saturée -(CH2)nCH3 empêche le greffage des molécules d'intérêt.
Par exemple, X peut être un halogène (Cl, Br...) ou un groupe R3O- (R=
CH3-, CH3CH2-...).
Dans un autre exemple, la couche de passivation est un polymère PLL-g- PEG (poly(L-lysine)-graft-poly(étylène glycol). La partie Lysine permet le greffage sur le substrat tandis que la chaîne éthylène glycol, empêche les molécules de se greffer sur le substrat:
Un exemple de procédé de réalisation du capteur Cl va maintenant être décrit sur la base des figures 11A à 11D. Par exemple, on utilise un substrat SOI (Silicon on Insulate) comportant un substrat en polysilicium 200, une couche de S1O2202, par exemple de 0,5 pm d'épaisseur, et une couche de silicium monocristallin 204 par exemple de 0,22 pm d'épaisseur, représenté sur la figure 11A.
Lors d'une première étape on définit par lithographie, puis gravure, la structure du capteur, i.e. le guide d'onde, le ou les résonateurs. Par exemple la gravure est une gravure profonde par ions réactifs ou DRIE (Deep Reactive-lon Etching) avec arrêt sur la couche 202.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 11B.
Dans le cas d'un capteur à actionnement électrostatique, lors d'une étape suivante, on réalise un dopage par implantation localisée afin réaliser des pistes conductrices.
Ensuite on forme une succession de dépôts de couches de différents métaux pour former les contacts électriques. L'empilement de couches ainsi formée est par exemple Ti/TiN/Au. La couche est formée par exemple par dépôt puis les contacts 206 sont définis par lithographie puis gravure.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 11C.
Lors d'une étape suivante, on libère la structure, i.e. le résonateur et le guide d'onde en gravant au moins partiellement la couche 202. La gravure est réalisée par exemple par gravure humide ou en phase vapeur à l'acide fluorhydrique. Il s'agit d'une gravure au temps.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 11D.
Dans le cas du capteur de la figure 5, des étapes supplémentaires pour former les tiges de suspension métalliques sont requises, par exemples des étapes de réalisation de vias en métal bien connues de l'homme du métier sont réalisées.
On réalise ensuite une fonctionnalisation du capteur. Il peut s'agir d'une fonctionnalisation de toute la structure, la couche de fonctionnalisation étant formée à la fois sur le résonateur et sur le guide d'onde, ou alors une fonctionnalisation localisée, i.e. par exemple uniquement sur les faces d'extrémité du résonateur. La couche de fonctionnalisation peut être réalisée suivant l'une des techniques décrites ci-dessus. Dans le cas d'une fabrication d'un système microfluidique, le procédé comporte en outre la fabrication d'un capot muni d'au moins un canal et d'assemblage étanche du capot et du capteur.
La fonctionnalisation peut avoir lieu ensuite par circulation d'un fluide assurant la fonctionnalisation du résonateur.
Le capteur est avantageusement réalisé en silicium, ce qui le rend particulièrement adapté à un niveau élevé d'intégration sur un substrat.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de capteur de concentration d'au moins une espèce donnée en milieu liquide comportant un support (2), au moins un guide d'onde (4), au moins un résonateur optique suspendu au support, ledit résonateur optique étant couplé optiquement au guide d'onde, au moins un résonateur mécanique suspendu au support (2), ledit résonateur mécanique et ledit résonateur optique étant couplés, ledit résonateur mécanique étant configuré pour vibrer en mode de volume et comportant au moins une face s'étendant dans le plan du capteur et configurée pour recevoir des molécules de ladite espèce donnée, au moins ladite face comportant une couche de fonctionnalisation (10) spécifique à ladite espèce, ledit résonateur mécanique présentant une dimension faible dans une direction normale au plan du capteur par rapport aux dimensions de ladite face, dans laquelle la couche de fonctionnalisation (10) est homogène et a une épaisseur inférieure ou égale à 20 nm.
2. Structure de capteur de concentration selon la revendication 1, dans laquelle la dimension du résonateur mécanique et/ou du résonateur optique dans la direction normale au plan du capteur est au moins 10 fois inférieure aux dimensions du résonateur mécanique et/ou du résonateur optique dans le plan du capteur
3. Structure de capteur de concentration selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le résonateur mécanique est configuré pour vibrer dans un mode radial.
4. Structure de capteur de concentration selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le résonateur mécanique et/ou le résonateur optique est ou sont suspendu(s) par un pied reliant une face du ou des résonateur en regard du support et le support.
5. Structure de capteur de concentration selon la revendication précédente, dans laquelle le pied (8, 8') présente un diamètre au moins 10 fois plus petit que les dimensions du ou des résonateur dans le plan.
6. Structure de capteur de concentration selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le résonateur optique et le résonateur mécanique sont un même élément suspendu au support, ledit élément étant un résonateur optomécanique (6).
7. Structure de capteur de concentration selon la revendication précédente, dans laquelle le résonateur optomécanique (6) a la forme d'un disque, d'un anneau ou d'un hippodrome.
8. Structure de capteur de concentration selon la revendication précédente, dans laquelle la couche de fonctionnalisation a une forme d'anneau et borde la face du résonateur.
9. Structure de capteur de concentration selon l'une des revendications précédentes, comportant une couche de passivation au moins sur le support.
10. Structure de capteur de concentration selon les revendications 8 et 9, comportant une couche de passivation sur la face du résonateur à l'intérieur de l'anneau.
11. Structure de capteur de concentration selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens d'excitation du résonateur mécanique de sorte à le mettre en vibration, de préférence à sa fréquence de résonance.
12. Structure de capteur de concentration selon l'une des revendications précédentes, comportant plusieurs ensembles de résonateurs optiques et mécaniques couplés ou plusieurs résonateurs optomécaniques, couplés à un unique guide d'onde.
13. Capteur de concentration d'au moins une espèce donnée en milieu liquide comportant au moins une structure de capteur selon l'une des revendications précédentes, une source lumineuse connectée à une extrémité du guide d'onde, et des moyens de traitement de l'onde lumineuse connectés à l'autre extrémité du guide d'onde.
14. Capteur de concentration selon la revendication précédente en combinaison avec la revendication 13, dans lequel la source lumineuse est configurée pour émettre des ondes lumineuses multiplexées et les moyens de traitement sont configurés pour traiter les ondes lumineuses multiplexées.
15. Ensemble de mesure comportant au moins deux capteurs selon la revendication 13 ou 14, l'un des capteurs, dit premier capteur, étant fonctionnalisé avec une première molécule biologique reconnaissant spécifiquement l'espèce donnée, l'autre capteur, dit deuxième capteur, étant fonctionnalisé avec une deuxième molécule biologique de nature similaire à la première molécule et possédant une capacité de reconnaissance spécifique d'une autre espèce que l'espèce donnée, ledit ensemble comportant des moyens pour soustraire le signal émis par le deuxième capteur au signal émis par le premier capteur.
16. Système microfluidique comportant au moins un canal ou la circulation du liquide dont la concentration d'au moins une espèce est à mesurer et au moins un capteur de concentration selon la revendication 13 ou 14 ou au moins un ensemble selon la revendication 15, le résonateur optique et le résonateur mécanique ou le résonateur optomécanique étant disposé dans le canal.
17. Système microfluidique selon la revendication précédente, comportant un canal avec plusieurs capteurs comportant des couches de fonctionnalisation spécifiques à des espèces différentes les unes des autres.
18. Système microfluidique selon les revendications 16 ou 17, dans lequel le canal présente une hauteur comprise entre 5 pm et 500 pm et une largeur comprise entre 10 pm et 700 pm.
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