Brevet FR2764381A1 — publié le 19981211

DETECTEUR ELECTROCHIMIOLUMINESCENT La présente invention se rapporte aux systèmes électrochimioluminescents. Elle concerne plus particulièrement un détecteur et un procédé pour le dosage de substances biochimiques ou biologiques par l'induction et la détection de chimioluminescence electrogénérée (ECL) ou électrochimioluminescence. Elle concerne en particulier un détecteur électrochimioluminescent pour le dosage d'une substance biochimique ou biologique, comportant au moins une cellule de mesure pour l'induction et la détection de chimioluminescence électrogénérée, qui est pourvue d'au moins une électrode et d'un substrat sur lequel ladite électrode est déposée, des moyens d'alimentation de la cellule en énergie électrique, reliés à ladite électrode, un photodétecteur pour détecter la lumière générée par la cellule, et des moyens de mesure du signal délivré par le photodétecteur. La chimioluminescence est utilisée pour le dosage de substances biochimiques et biologiques. Elle permet notamment la mesure de traces de microorganismes, d'hormones, de virus, d'anticorps, d'amines ou de protéines. Le dosage par chimioluminescence consiste à marquer la substance recherchée au moyen d'un agent chimioluminescent dont la détection et le dosage sont réalisés par la mesure de la lumière émise lorsqu'après avoir été placé dans un état excité, il revient à son état de repos. L'état excité permettant l'émission de lumière est le produit d'une réaction chimique ou électrochimique entre deux substances particulières. La présente invention concerne, plus particulièrement, les systèmes utilisant une réaction électrochimique, appelés systèmes électrochimioluminescents, dans lesquels.l'un au moins des réactifs est produit électrochimiquement à partir d'une substance initialement présente dans la solution. Les systèmes électrochimioluminescents connus comportent une cellule de mesure pour l'induction et la détection de chimioluminescence électrogénérée, qui est pourvue d'au moins une électrode et d'un substrat sur lequel ladite électrode est déposée, des moyens d'alimentation de la cellule en énergie électrique, reliés à ladite électrode, un photodétecteur pour détecter la lumière générée par la cellule et des moyens de mesure du signal délivré par ledit détecteur. Ces systèmes travaillent avec une seule électrode ou deux électrodes, comme cela sera décrit plus loin. Dans les deux cas, afin de réaliser des mesures fiables, le détecteur de lumière doit être placé aussi près que possible de l'endroit où la réaction d'électrochimioluminescence se produit. II faut, de plus, que toute la lumière parasite soit prise en compte afin d'éliminer au mieux des erreurs systématiques. De telles conditions sont relativement difficiles à respecter lorsque les mesures sont effectuées à l'échelle industrielle, ce qui rend leur coût élevé. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en réalisant un dispositif de mesure simple et pratique à utiliser, et permettant de minimiser le coût des mesures de dosage. Ce but est atteint par un détecteur tel que défini précédemment et caractérisé en ce que le photodétecteur est une photodiode intégrée à la cellule de mesure. De façon avantageuse, la cellule comporte deux électrodes interdigitées, une anode et une cathode, qui sont intégrées dans une couche de passivation laissant leur face supérieure en contact avec l'extérieur. Une couche intermédiaire, réalisée en un matériau diélectrique, est interposée entre la couche de passivation et le substrat. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, le détecteur comporte deux cellules identiques qui sont déposées sur le même substrat et dont l'une seulement est reliée aux moyens d'alimentation. Les moyens de mesure des signaux délivrés par les photodétecteurs respectifs des deux cellules comportent alors des moyens pour déterminer la différence entre ces signaux. Le but de l'invention est également atteint par un procédé selon lequel la substance à doser est en solution aqueuse. Dans ce cas, la cathode est réalisée en carbone, tandis que l'anode est réalisée en un matériau choisi parmi le platine, I'or et le carbone, la distance entre cathode et anode étant inférieure à 1 micron. La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence à la description de différents modes de réalisation et aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 illustre de façon schématique une réaction d'électrochimioluminescence se produisant sur un dispositif à deux électrodes, - la figure 2 illustre une réaction d'électrochimioluminescence se produisant sur un dispositif à une électrode, - la figure 3 est une vue de dessus du dispositif selon la présente invention, et - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie du dispositif de la figure 3. En référence à ces figures, le dispositif de dosage 10 selon la présente invention comporte essentiellement deux cellules de mesure identiques 11, 12 dont les mêmes éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence, des moyens 13 d'alimentation électrique de la cellule Il, un détecteur photoélectrique 14 associé à chaque cellule et des moyens de mesure 15 du courant provenant des détecteurs. La cellule Il est la cellule active, tandis que la cellule 12 est la cellule de référence destinée à la mesure du bruit de fond, raison pour laquelle elle n'est pas alimentée en énergie électrique. Comme cela apparaît sur la figure 4, chaque cellule comporte deux électrodes interdigitées, une anode 16 et une cathode 17, qui sont intégrées dans une couche de passivation 18 laissant leur face supérieure en contact avec l'extérieur. Le tout est déposé sur une couche intermédiaire 19, elle-même réalisée sur un substrat de silicium 20. La couche de passivation 18, la couche intermédiaire 19 et le substrat 20 sont communs aux deux cellules. Deux photodiodes 14, formées d'une zone diffusée de type N dans le substrat 29 sous les électrodes interdigitées 16 et 17, constituent des détecteurs de la lumière générée respectivement par les deux cellules Il et 12. La couche intermédiaire 19 est formée d'une matière diélectrique et assure une isolation galvanique entre les électrodes 16 - 17 et les photodiodes 14. Cette couche sert également à assurer une protection des cellules contre une attaque chimique par le produit à doser. Ceci permet de minimiser les risques de détérioration des cellules. Une autre fonction de la couche intermédiaire 19 est de réduire la réflexion lumineuse à l'interface avec le substrat 20. Ceci se fait en ajustant l'épaisseur et l'indice de réfraction de la couche en fonction de la longueur d'onde de la lumière émise, qui dépend du produit utilisé comme marqueur. Dans une utilisation concrète du détecteur selon l'invention, le marqueur est du ruthénium (II) tris (2,2' - bipyridyl). D'autres produits, tels que du luminol, peuvent également être employés. Lorsque le marqueur est du ruthénium, la couche intermédiaire 19 est réalisée en nitrure de silicium Si3N4 et a une épaisseur d'environ 0,4 micron et une longueur d'onde d'émission maximale de 610nm. Cette couche est avantageusement déposée par un procédé de dépôt connu sous le nom de "Plasma entranced chemical vapor deposition" et sous l'abréviation PECVD. Selon un premier mode de réalisation, les électrodes 1617 sont réalisées en platine ou en or. Dans ce cas, elles peuvent être utilisées pour mesurer des substances contenues dans des solutions organiques. Elles peuvent également être utilisées dans des dispositifs à une seule électrode, c'est-àdire dans lesquels l'anode et la cathode sont électriquement connectées entre elles. Selon un autre mode de réalisation, la cathode 17 peut être réalisée en carbone, I'anode 16 pouvant indifféremment être formée de platine, d'or ou de carbone. Dans ce cas, lorsque les deux électrodes sont suffisamment proches, à savoir à une distance inférieure ou égale à 0,8 micron, il est possible de réaliser un dosage de composants en solution exclusivement aqueuse ou également en solution organique. La couche de passivation supérieure 18 permet d'isoler les cellules du milieu ambiant, afin de minimiser les risques de détérioration dus aux attaques chimiques de ce milieu. Cette couche 18 peut être réalisée en une matière telle que du nitrure de silicium Si3N4. Son épaisseur est d'environ 0,4 micron et peut également être déposée par le procédé "PECVD" mentionné cidessus. Les moyens d'alimentation 13 de la cellule active 11 comportent une source d'énergie électrique 21 et des pistes conductrices 22. Ces pistes sont réalisées sur un support, tel qu'une carte de circuit imprimé, à l'extrémité duquel sont disposées les deux cellules Ces pistes conductrices 22 connectent les électrodes 16-17 de la cellule active il à la source 21. A titre d'exemple, la source délivre un courant alternatif ayant une fréquence de 100 mHz et variant de 1,65 V à 1,45 V à la cathode, et un courant continu ayant une tension de 1,65 V à l'anode. Les moyens de mesure 15 comportent essentiellement deux pistes conductrices 23 réalisées sur le support des deux cellules et connectent les deux photodiodes 14 à deux amplificateurs 24. Ces amplificateurs reçoivent le photocourant généré par les photodiodes et délivrent un signal amplifié à un appareil de mesure 25. Celui-ci détermine ensuite un signal représentatif de la différence entre le signal fourni par le photodétecteur de la cellule active Il et celui fourni par le photodétecteur de la cellule de référence 12. Selon une forme de réalisation avantageuse, les liaisons électriques 22 entre les électrodes 1617 de la cellule active 11 et la source d'alimentation 21, et les liaisons électriques 23 entre les deux photodiodes 14 et les amplificateurs 24 se font par l'intermédiaire de zones de liaison 26 réalisées à une extrémité des cellules. Le fonctionnement du détecteur de la présente invention va être maintenant décrit dans le cas, pris à titre d'exemple, où l'on cherche à doser un composé biochimique, tel qu'un virus. Du ruthénium est alors utilisé comme marqueur. Son dosage donne le dosage du composé biochimique. Dans ce cas, on utilise une cellule à deux électrodes. Plus précisément, on introduit dans un récipient contenant le virus à doser du ruthénium (II) tris (2, 2'-bipyridyl), Ru (bpy) 3 2+ portant le numéro de référence 30 sur la figure 1, en solution aqueuse. Les deux cellules 11 et 12 sont alors placées dans le récipient. Dans la cellule active 11, le Ru (bpy)3 2+ se décompose en Ru (bpy)3+ et en Ru (bpy)3 3+. Une réaction de réduction se produit au niveau de l'anode 16 et une réaction d'oxydation se produit sur la cathode 17 de façon à annihiler le Ru (bpy)3 + et le Ru(bpy)3 3+ : Cette réaction d'annihilation libère un photon 31 qui est détecté par la photodiode 14 de la cellule active 11. Cette réaction est illustrée en particulier par la figure 1. Le photocourant généré par la libération des photons est amplifié par l'amplificateur 24 puis envoyé à l'appareil de mesure 25. Simultanément, un photocourant parasite est généré au niveau des deux photodiodes 14. Il est dû à la lumière provenant de l'environnement mais aussi au bruit de fond des cellules elles-mêmes. Cet effet varie en fonction de la température, ce qui implique qu'il est difficile d'en tenir compte par calcul. Le courant parasite affectant la mesure de la cellule active 11 est déterminé seul au moyen de la photodiode 14 de la cellule de référence 12 qui n'est pas alimentée. Bien entendu, ceci est valable pour autant que les deux cellules soient soumises aux mêmes conditions et qu'elles aient été réalisées de la même façon. Ainsi, en déterminant, dans l'appareil de mesure 25, une différence entre les signaux de chacune des deux cellules, on obtient une valeur correspondant au courant généré uniquement par électrochimioluminescence. Cette valeur est indépendante de la lumière parasite et des variations de température. II est donc possible de réaliser des mesures en lumière ambiante, ainsi que dans des conditions dans lesquelles la température varie. Une mesure similaire peut être réalisée au moyen de cellules à une seule électrode. Concrètement, ces cellules sont sensiblement les mêmes que les cellules à deux électrodes, avec la seule différence que les deux électrodes sont simplement connectées entre elles, soit à l'intérieur des cellules soit à l'extérieur, par exemple au niveau des pistes conductrices. Les cellules à une électrode sont utilisées, par exemple, pour doser une amine 35 en utilisant une réaction d'oxydo-réduction et une libération du photon 31 lors d'une combinaison avec du ruthénium 30. Pour mesurer la quantité d'amine dans la substance, on induit une réaction d'oxydation de l'amine et du ruthénium en alimentant l'anode. La réduction de l'amine et du ruthénium libère un photon qui est détecté par la photodiode 14. Cette réaction est illustrée en particulier par la figure 2. La mesure du courant délivré par cette photodiode donne une mesure du nombre de photons émis et, par conséquent, une mesure de la quantité d'amines dans la substance à doser. Le détecteur selon l'invention, qui vient d'être décrit, permet ainsi de réaliser, de façon simple, des mesures avec des cellules à une ou à deux électrodes, selon la réaction qui doit être induite, c'est-à-dire de la substance à doser. Un avantage particulièrement important de ce détecteur réside dans le fait qu il intègre, dans une même cellule, les électrodes 16-17 et la photodiode 14. Ceci rend ce dispositif particulièrement fiable et facile à utiliser. La présence d'une cellule subsidiaire permet d'éliminer facilement l'influence de la lumière parasite et de la variation de température, ce qui permet de simplifier les conditions de mesure et d'améliorer de façon importante la fiabilité des mesures. La proximité de l'anode et de la cathode et l'utilisation d'une cathode en carbone permettent de réaliser des mesures en solution aqueuse exclusivement, ce qui n'est pas possible avec les dispositifs connus actuellement. Enfin, il est à noter que lorsque la photodiode 14 est polarisée dans le sens bloqué, on mesure la quantité de lumière, alors que si elle est polarisée dans le sens passant, on mesure la température, ce qui peut se révéler intéressant dans certaines applications. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits. En particulier, les matériaux utilisés pour les différentes couches et, tout particulièrement la couche intermédiaire 19 et la couche de passivation 18, doivent être adaptés aux substances à analyser. De même, I'épaisseur de la couche intermédiaire 19 doit être adaptée à la substance à analyser. Le dispositif selon la présente invention peut être utilisé pour réaliser des mesures ponctuelles dans un récipient, ou pour des mesures ponctuelles dans lesquelles un flux de substance à analyser se déplace par rapport à la cellule. Ceci permet d'avoir une mesure de l'évolution de la quantité de substance à mesurer, tout en éliminant l'influence de variations de température et de modification de la lumière parasite. REVENDICATIONS 1. Détecteur électrochimioluminescent pour le dosage d'une substance biochimique ou biologique, comportant: au moins une cellule de mesure (11,12) pour l'induction et la détection de chimioluminescence électrogénérée, qui est pourvue d'au moins une électrode (16,17) et d'un substrat (20) sur lequel ladite électrode est déposée, des moyens d'alimentation (13) de la cellule en énergie électrique, reliés à ladite électrode, un photodétecteur (14) pour détecter la lumière générée par la cellule, et des moyens de mesure (15) du signal délivré par le photodétecteur, caractérisé en ce que ledit photodétecteur est une photodiode intégrée à la cellule de mesure. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comporte deux électrodes interdigitées, une anode (16) et une cathode (17). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ta cellule comporte une couche de passivation (18) dans laquelle lesdites électrodes sont intégrées, tout en laissant leur face supérieure en contact avec l'extérieur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cellule comporte une couche intermédiaire (19) disposée entre la couche de passivation (18) et le substrat (20), cette couche intermédiaire étant réalisée en un matériau diélectrique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (19) comporte du nitrure de silicium. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux cellules de mesure identiques (11,12) déposées sur le même substrat (20) et dont l'une seulement (11) est reliée aux moyens d'alimentation (13), deux photodétecteurs (14) pour détecter la lumière générée respectivement par les deux cellules, et des moyens de mesure des signaux délivrés respectivement par les deux photodétecteurs, lesdits moyens de mesure comportant des moyens (25) pour déterminer la différence entre lesdits signaux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de passivation (18) et la couche intermédiaire (19) sont communes aux deux cellules 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrode (16,17) est réalisée en un matériau choisi parmi le platine, I'or et le carbone. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cathode (17) est réalisée en carbone, en ce que l'anode (16) est réalisée en un matériau choisi parmi le platine, I'or et le carbone, et en ce que la distance entre la cathode et l'anode est inférieure à 1 micron. 10. Procédé de dosage d'une substance biochimique ou biologique au moyen du dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite substance est en solution aqueuse.