Graphene-based liquid-gated transistors for biosensing

Avec l'augmentation du nombre de cancers et des maladies infectieuses et cardiovasculaires, la détection précoce et/ou en temps réel des biomarqueurs associés est particulièrement cruciale afin de permettre un diagnostic et un traitement efficace. Compte tenu du vieillissement de la population mondiale, et de la nécessité de perfectionnement des services médicaux dans les pays émergents comme l'Inde ou la Chine, la demande de dispositifs de diagnostic médical représente un domaine d'application majeur pour les capteurs biologiques.Les transistors à grille liquide à base de graphène (SGFET) représentent une génération de biocapteurs très prometteuse, dans la lignée des biocapteurs à haute sensibilité s'appuyant sur les propriétés exceptionnelles des nanofils et nanotubes de carbone. Transformer un dispositif SGFET en biocapteur nécessite d'immobiliser des biorécepteurs à la surface du graphène. Les techniques de fonctionnalisation non covalente sont les plus efficaces, car elles permettent de préserver à la fois l'intégrité structurelle et les propriétés électriques du graphène. Dans cette perspective, le PBASE est largement utilisé, puisque cette molécule peut s'adsorber sur le graphène par des interactions de type pi-pi, tout en exposant un groupement chimique réactif servant d'ancrage pour le greffage de récepteurs biologiques. Cependant, il n'est pas systématiquement démontré que les biorécepteurs restent fonctionnels lorsqu'ils sont greffés au PBASE, car cette molécule est incapable d'empêcher les biorécepteurs de s'adsorber sur le graphène et d'être par conséquent dénaturés. Le "tripod" est une molécule se liant de manière multivalente au graphène grâce à trois pieds en pyrène, projetant efficacement toute fonctionnalité active loin de la surface, et formant une couche de reconnaissance biologique prévisible et robuste sur le graphène.Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont visé à développer un SGFET à base de graphène fonctionnalisé avec le tripod pour des applications de détection biologique très robustes, fiables et sensibles. Différentes méthodes ont été explorées afin d'établir un procédé de fabrication stable et reproductible. Ce procédé a notamment été caractérisé par un ensemble de mesures AFM, XPS et Raman. La performance des dispositifs fabriqués a été évaluée avant la fonctionnalisation non covalente par des mesures électriques sous air et en milieu liquide, et une première preuve du concept de détection de la streptavidine a été présentée.With the rise of cancers, infectious and cardiovascular diseases, the early and/or real-time robust detection of the associated biomarkers is particularly crucial for establishing a diagnosis and an efficient treatment. Considering a worldwide ageing population and the growing need for an improved healthcare in emerging countries such as India or China, the demand for point-of-care diagnostics represents a major field of applications for biosensors.Graphene-based solution-gated field-effect-transistors (SGFET) represent a highly promising generation of biosensors, in line with the superior sensitivity of biosensors benefiting from the exceptional properties of nanowires and carbon nanotubes. Transforming a SGFET device into a biosensor requires to immobilize bioreceptors at the graphene surface. The non-covalent functionalization is the most efficient technique, since it can preserve both graphene structural integrity and electrical properties. In this perspective, PBASE is widely used, since this molecule can adsorb onto graphene by pi-pi interactions, while exposing a reactive moiety serving as an anchor for grafting biological receptors. However, it is not systematically demonstrated that bioreceptors remains functional when grafted to PBASE, since this molecule lacks the ability to prevent bioreceptors from stacking onto graphene and consequently being denaturated. The "tripod" is a molecule binding multivalently to graphene thanks to three pyrene feet, effectively projecting any active functionality away from the surface, and forming a predictable and robust biorecognition layer on graphene.In this context, this thesis work aimed at developing a tripod functionalized graphene-based SGFET for highly robust, reliable and sensitive biosensing applications. Different methods were explored in order to establish a stable and reproducible fabrication process. In particular, this process was characterized through a set of AFM, XPS and Raman measurements. The performance of the as-fabricated devices was assessed before non-covalent functionalization, through electrical measurements in air and in liquid environments, and a first proof of concept of streptavidin detection was presented