Sensores são dispositivos capazes de captar um determinado sinal físico -químico do meio e converte-lo num sinal elétrico mensurável por meio de um transdutor. Biossensor é um sensor que tem como parte funcional um receptor biológico específico a determinado analito alvo. Os sinais físico-químicos experimentados por estes dispositivos são convertidos em sinais elétricos de magnitude proporcional à concentração de um ou mais compostos químicos. Neste trabalho, foi construído um sensor de pH utilizando filmes finos comerciais de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) como receptor a íons. O sensor foi feito ligando-se amostras de FTO ao terminal de porta de um transistor de efeito de campo do tipo MOS (Metal Oxide Semiconductor). Quando colocado em solução, os íons presentes interagem com a amostra sendo adsorvidos na superfície do filme de FTO. O potencial gerado pelos íons adsorvidos modulam a tensão na porta do transistor e, desta maneira, pode -se determinar a concentração dos íons presentes na solução de acordo com a magnitude da resposta do transistor. A este tipo de dispositivo dá -se o nome de EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). O EGFET construído apresentou responsividade de 55 mV/pH e resposta linear em soluções de pH 2 ao 12. Através de técnicas de imobilização enzimática foi possível ligar covalentemente proteínas urease sobre a superfície dos filmes de FTO, convertendo o sensor de pH em biossensor de ureia. Soluções tampão com diferentes pHs e concentrações foram testadas e determinou -se que as condições ideais para o uso deste biossensor de ureia são soluções tampão com pH = 6 e concentração de 10mM. Nessas condições, o biossensor apresentou uma responsividade de 114,5 mV/p(ureia) e linearidade no intervalo de concentrações de ureia entre 3,2.10 -4 e 3,2.10 -2 mol/L. / Sensors are devices capable of capturing a certain physical-chemical signal from environment and convert it into a measurable electrical signal by a transducer. Biosensor is a sensor which has a biological sensing element as receptor specific to a particular target analyte. The physical-chemical signals experienced by these devices are converted into electrical signals with magnitude proportional to the concentration of one or more chemical compounds. In this work, we built a pH-sensor using commercial thin films of tin oxide doped with fluorine (FTO) as ions receptor. The sensor was made by linking FTO samples to the gate of a field effect transistor MOS type. In solution, the ions interact with the sample being adsorbed on the surface of FTO film. The potential generated by the ions adsorbed on film\'s surface modulate the gate voltage of the transistor and, in this way, we can determine the concentration of ions present in solution correlated with the magnitude of the transistor response. This kind of device is given the name of EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). The EGFET built exhibits sensitivity of 55 mV/pH and linear response in the range of pH 2 to 12. Through enzyme immobilization techniques we could covalently bind urease proteins on the surface of FTO film, changing the pH-sensor in urea biosensor. Buffer solutions with differents pHs and concentrations were tested and was determined that optimal environment conditions for this urea biosensor is buffer solutions with pH = 6 and 10mM of concentration. Under these conditions, the biosensor showed sensitivity of 114.5 mV/p(urea) and linear response in the range of 3,2.10 -4 to 3,2.10 -2 mol/L

Sensores são dispositivos capazes de captar um determinado sinal físico -químico do meio e converte-lo num sinal elétrico mensurável por meio de um transdutor. Biossensor é um sensor que tem como parte funcional um receptor biológico específico a determinado analito alvo. Os sinais físico-químicos experimentados por estes dispositivos são convertidos em sinais elétricos de magnitude proporcional à concentração de um ou mais compostos químicos. Neste trabalho, foi construído um sensor de pH utilizando filmes finos comerciais de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) como receptor a íons. O sensor foi feito ligando-se amostras de FTO ao terminal de porta de um transistor de efeito de campo do tipo MOS (Metal Oxide Semiconductor). Quando colocado em solução, os íons presentes interagem com a amostra sendo adsorvidos na superfície do filme de FTO. O potencial gerado pelos íons adsorvidos modulam a tensão na porta do transistor e, desta maneira, pode -se determinar a concentração dos íons presentes na solução de acordo com a magnitude da resposta do transistor. A este tipo de dispositivo dá -se o nome de EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). O EGFET construído apresentou responsividade de 55 mV/pH e resposta linear em soluções de pH 2 ao 12. Através de técnicas de imobilização enzimática foi possível ligar covalentemente proteínas urease sobre a superfície dos filmes de FTO, convertendo o sensor de pH em biossensor de ureia. Soluções tampão com diferentes pHs e concentrações foram testadas e determinou -se que as condições ideais para o uso deste biossensor de ureia são soluções tampão com pH = 6 e concentração de 10mM. Nessas condições, o biossensor apresentou uma responsividade de 114,5 mV/p(ureia) e linearidade no intervalo de concentrações de ureia entre 3,2.10 -4 e 3,2.10 -2 mol/L. / Sensors are devices capable of capturing a certain physical-chemical signal from environment and convert it into a measurable electrical signal by a transducer. Biosensor is a sensor which has a biological sensing element as receptor specific to a particular target analyte. The physical-chemical signals experienced by these devices are converted into electrical signals with magnitude proportional to the concentration of one or more chemical compounds. In this work, we built a pH-sensor using commercial thin films of tin oxide doped with fluorine (FTO) as ions receptor. The sensor was made by linking FTO samples to the gate of a field effect transistor MOS type. In solution, the ions interact with the sample being adsorbed on the surface of FTO film. The potential generated by the ions adsorbed on film\'s surface modulate the gate voltage of the transistor and, in this way, we can determine the concentration of ions present in solution correlated with the magnitude of the transistor response. This kind of device is given the name of EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor). The EGFET built exhibits sensitivity of 55 mV/pH and linear response in the range of pH 2 to 12. Through enzyme immobilization techniques we could covalently bind urease proteins on the surface of FTO film, changing the pH-sensor in urea biosensor. Buffer solutions with differents pHs and concentrations were tested and was determined that optimal environment conditions for this urea biosensor is buffer solutions with pH = 6 and 10mM of concentration. Under these conditions, the biosensor showed sensitivity of 114.5 mV/p(urea) and linear response in the range of 3,2.10 -4 to 3,2.10 -2 mol/L

Les récents développements dans l'analyse chimique et biochimique, grâce à la technologie des ChemFETs, ont permis de proposer un large champ d'application. Ces composants ont besoin néanmoins d'être développés pour des applications médicales et agroalimentaires comme la transduction, l'intégration de couches sensibles et l'intégration de l'électrode de référence. Au cours de cette thèse, une étude sur l'intégration d'une microélectrode de référence a été réalisée pour permettre de concevoir une puce ChemFET tout intégrée, avec les techniques de la microélectronique. Cette microélectrode doit imposer un potentiel stable au milieu d'analyse, ayant une faible dérive temporelle, et une longue durée de vie. Ainsi, nos travaux ont conduit au développement d'un nouveau procédé de fabrication de puce pH-ChemFET. Ces nouvelles structures ont été réalisées au sein de la centrale du LAAS- CNRS et validées par leurs caractérisations. La compréhension des phénomènes interagissants, la prévision du fonctionnement, l'influence de l'environnement passent par la modélisation et la simulation. Les modèles existant des pH-ChemFET sont nombreux et robustes. Cependant, concernant les détecteurs enzymatiques EnFETs, il n'existe pas de modèle intégrant tous les phénomènes physico-chimiques. Ainsi, nous avons développé un modèle intégrant la diffusion, la cinétique enzymatique, les équations acido-basiques, le flux, la réponse potentiometrique. Ce modèle a permis la compréhension des mécanismes physiques et d'étudier l'impact des différentes grandeurs influentes. A partir de ce modèle adaptable aux différents capteurs enzymatiques, des EnFETs ont été ainsi réalisées. Les caractérisations de ces détecteurs ont permis par la concordance des résultats expérimentaux et des résultats de simulation, de montrer la validité et la robustesse du modèle.

Les techniques d'analyses médicales nécessitent le développement, à faible coût, de capteurs chimiques fiables. Dans ce contexte, les transistors chimiques à effet de champ CHEMFETs offrent des solutions innovantes à condition d'optimiser l'interface entre microtechnologies et biotechnologies. Au cours de cette thèse, nous nous sommes attachés à développer des techniques permettant de coupler espèces biologiques et silicium. Deux approches ont été étudiées, toutes les deux basées sur l'utilisation des polymères. La première approche a été centrée sur le développement des techniques d'encapsulation et de création de micro-volumes. Pour cela, des micro-cuves d'analyse ont été réalisées d'abord en plexiglas® puis en PDMS. Après l'optimisation des caractéristiques géométriques, le suivi de lactivité bactérienne a été effectué grâce au suivi du pH de la solution à l'aide de pH-ISFETs. Nous avons ainsi démontré la possibilité de détecter l'activité bactérienne dans le cas de Lactobacillus Acidophilus et commencé à déterminer la « signature » biologique de cette bactérie. La deuxième approche a été consacrée à l'adaptation des CHEMFETs à la détection enzymatique. Pour cela, nous avons envisagé d'utiliser un polymère en tant que matrice de support d'un élément biologique. L'utilisation des techniques de photolithographie a ainsi permis la fabrication collective de couches enzymatiques en PVA en vue d'une détection biochimique. Après avoir appliqué le protocole de dépôt mis au point à l'uréase, nous avons caractérisé l'évolution de l'activité enzymatique des membranes ainsi réalisées. Ensuite, nous avons validé ce procédé par la fabrication de microcapteurs chimiques de type ENFET et nous avons détecté des taux d'urée par le suivi des variations du pH au sein de solutions de différentes concentrations.

L'acide glutamique et plus particulièrement son ion associé le glutamate sont des additifs largement utilisés dans l'agro-alimentaire car caractéristiques du gout "umami". Cependant, leur consommation en excès peut être responsable de troubles cérébraux entraînant sueurs, maux de tête, perte d'équilibre, évanouissement et/ou douleurs. Il devient ainsi important de développer des techniques d'analyse en phase liquide des ions glutamates. Les travaux visent ainsi le développement de capteurs enzymatiques basés sur les transistors à effet de champ sensibles au pH (pH-ChemFET), pour la détection du glutamate. Ils visent à la réalisation technologique des microcapteurs Glutamate-EnFET (enzymatic field effect transistor), à leur modélisation et à leur caractérisation en milieux aqueux puis dans la salive, et enfin à leur intégration au sein d'un masticateur électronique développé par le laboratoire FLAVIC-INRA. En parallèle à la réalisation des pH-ChemFET, un nouveau concept de microcapteur, nommé ElecFET, a été mis en place. Ce nouveau concept combine les potentialités de détection des techniques ampérométrique et potentiométrique à la microéchelle. Les différentes étapes technologiques ont été effectuées et les puces ElecFETs ont été fabriquées au sein de la centrale technologique du LAAS-CNRS. Nous avons validé le fonctionnement de l'ElecFET en étudiant d'abord l'électrolyse de l'eau. Ensuite, l'étude des paramètres pouvant influencer la réponse du capteur a été abordée. Enfin, nous avons appliqué ce nouveau concept à la détection du péroxyde d'hydrogène, du glucose et finalement du glutamate.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement des microtechnologies pour l'amélioration des techniques d'analyse médicale et propose d'améliorer le confort du patient hémodialysé par un suivi en continu de l'efficacité de l'épuration. Il vise la mise au point de microcapteurs chimiques jetables de type ChemFETs pour la détection des ions H+, de l'urée et de la créatinine. Le principe de détection est basé sur la réalisation d'une couche enzymatique générant une catalyse au niveau de grille du ChemFET. Cette réaction chimique induit une variation de pH que le microcapteur mesure. La première partie des travaux de recherche a consisté à élaborer un procédé de fabrication technologique, fiable, peu complexe et utilisant une technologie standard pour la réalisation des microcapteurs chimiques SiO2/Si3N4 pH-ChemFETs. Le procédé de fabrication a été validé à l'aide du logiciel de simulation technologique ATHENA" et du logiciel de simulation électrique ATLAS". Les composants ont ensuite été réalisés dans la centrale technologique du LAAS-CNRS, puis assemblés sur un circuit imprimé; un silicone biocompatible assurant l'étanchéité du système. Les microcapteurs ont ensuite été caractérisés électriquement pour la mesure du pH. L'obtention d'une bonne reproductibilité de mesure et de sensibilités quasi-nernstiennes (55 mV/pH) a validé le procédé technologique de fabrication. Ils ont donc été adaptés à la détection biochimique, et plus précisément de l'urée et de la créatinine. Les membranes enzymatiques ont tout d'abord été déposées manuellement à la microgoutte, puis, afin de considérer le développement industriel des microcapteurs enzymatiques, fabriquées collectivement en utilisant les techniques de photolithographie. La faisabilité de la détection de l'urée et de la créatinine a finalement été démontrée et les propriétés de détection enzymatiques ont été optimisées dans des solutions de dialysat.