Diamond bio-MEMS for odor detection

La lutte contre le terrorisme et le trafic de narcotiques sont devenus des enjeux sociétaux majeurs. Par exemple, l’identification rapide des colis piégés est aujourd’hui indispensable dans les lieux publics, motivant le développement de systèmes de détection de types nez électroniques. Ce travail de recherche, porte sur l’étude des transducteurs MEMS de type microleviers et SAW (surface acoustic wave), choisis parmi les différentes familles de biocapteurs existants pour leurs nombreux avantages tels que leur grande sensibilité à détecter tous types de molécules. Cette thèse est axée sur l’étude de ces deux types de MEMS en diamant combinés à des biorécepteurs olfactifs spécifiquement impliqués dans la perception et la reconnaissance des odeurs. Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du diamant déposé sur leur surface ont permis le développement de détecteurs à la fois miniaturisés, robustes et sensibles. La chimie unique du diamant a permis en particulier d’immobiliser sur la surface de ces transducteurs différents types de biorécepteurs de type OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) et OR (récepteurs olfactifs) comme couche sensible. L’immobilisation de ces LBP sur les MEMS en diamant a été caractérisée par diverses techniques telles que la spectroscopie électrochimique d’impédance (EIS), la spectroscopie de fluorescence ou encore la spectroscopie XPS. Les performances des capteurs ont été suivies par vibrométrie laser dans le cas des microleviers et à l’aide d’un système d’acquisition commercial dans le cas des SAW, en mesurant les déplacements de fréquence de résonance lors d’exposition aux composés cibles. Une comparaison entre les différents types de LBP provenant de différentes espèces (mammifères, insectes) a été effectuée en termes de sensibilité lors d’exposition à des drogues et des composés explosifs. Les limites de détections (LOD) obtenues dans nos conditions de mesures se situent dans la gamme d’1µg jusqu’à 35 ng par exemple pour l’héroïne, en fonction des espèces cibles testées. La LOD du TNT est d’environ 100 ng.Over the last decade, the need for resources devoted to counter terrorism as well as narcotic trafficking has grown. Thus the effective fight against those scourges requires the development of advanced physical and chemical detection systems and sensor systems such as electronic noses able to detect drugs and explosives compounds. In this context, ligand binding proteins (LBP) combined to diamond MEMS such as resonant microcantilevers and surface acoustic wave (SAW) sensors are foreseen as highly promising transducers for the design of label free biosensors in particular for the detection of small organic molecules. LBP are small proteins involved in the perception and recognition of odorant molecules. In this study, OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) and OR (olfactory receptor) were used to bind selected analytes. The carbon nature of diamond offers wide opportunities for stable grafting of such bioreceptors. The performances of these transducers present a real improvement in terms of speed, miniaturization and sensitivity. Immobilization of LBP on diamond transducers was investigated using fluorescence methods, electrical impedance spectroscopy (EIS) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS). The sensing performances of the resulting biosensors were assessed by monitoring the frequency shift in real time upon exposure to the target molecules. We compared different kind of LBP, coming from vertebrates, insects, mutant or wild type in terms of sensitivity, selectivity and for their capability to bind odors, explosive and drug compounds. Within our experimental conditions, the detection of a wide variety of drugs and explosives was possible in the concentration range typically from 1 µg to e.g. 35 ng in the case of heroin, depending on the test substances. The limit of detection of TNT compound is about 100 ng