Brevet FR2921157A1 — publié le 20090320

-1- ELECTRODE POUR SYSTEME MICROFLUIDIQUE La présente invention concerne une électrode pour un système microfluidique. Les systèmes microfluidiques sont des structures connues utilisées en chimie, physico-chimie & biologie, en particulier dans les domaines suivants : - la microréaction qui vise à produire toutes sortes de composés (molécules, particules, émulsions, ...) à partir de réactifs de départ introduits dans un système microfluidique qui joue le rôle de réacteur de synthèse, - la caractérisation qui a pour but de mesurer des propriétés physique, chimique ou biologique de produits au cours des étapes de recherche et de développement ou lors de la production, - la microanalyse qui a pour but de détecter des composés spécifiques, et généralement de mesurer leur teneur, dans des échantillons de provenance variée, en particulier dans des fluides biologiques. Le système microfluidique assure ici la fonction de détecteur. Le rôle des systèmes microfluidiques ne se limite pas cependant aux fonctions précitées; notamment, les systèmes microfluidiques peuvent être conçus pour fonctionner en tant qu'échangeurs de chaleur, filtres, mélangeurs, des extracteurs, séparateurs (par exemple opérant par électrophorèse), dispositifs permettant de générer des gouttes de dimension donnée ou des particules solides, ou en tant que dispositifs permettant d'effectuer des opérations particulières (lyse cellulaire, amplification d'ADN, ...). La miniaturisation des systèmes d'analyse chimique ou biologique constitue une tendance marquée de la chimie et de la biochimie analytique. Cela permet d'une part, de réduire les temps d'analyse, et d'autre part, de diminuer la quantité de réactifs nécessaire. La miniaturisation permet également d'intégrer dans un même système plusieurs étapes d'un protocole de détection, ce qui augmente 2921157 -2- l'automatisation et donc diminue les coûts de manutention. La miniaturisation implique des volumes de détection de plus en plus faible, d'où le développement des techniques de détection et la mise au point de composant de détection de plus en plus sensible. 5 Au titre de ces composants, on connaît des électrodes de détection, en particulier électrochimique, qui sont généralement à base d'or ou de platine pour garantir la stabilité électrochimique et la compatibilité biologique et chimique. Généralement ces matériaux nobles sont déposés sur des supports ou substrats rigides à base de 10 matière inorganique (verre silico-sodo-calcique) ou de matière organique, en particulier les thermoplastiques (polycarbonate, polymethylmethacrylate, polyimide...). Malheureusement, des défauts ou des irrégularités de surface peuvent exister ce qui nécessite de combler ces derniers par une épaisseur élevée de métal noble pour à la 15 fois assurer une conductivité importante et/ou empêcher toute contamination entre l'échantillon testé et le matériau support. Or dans ce type d'application relevant des analyses à caractère médical et/ou biomédical et des analyses de criblages haut débit, il est recommandé d'utiliser des composants à usage unique, qui sont 20 généralement jetés après utilisation. On comprend alors que jeter des électrodes de détection de l'art antérieur revêtues d'une épaisseur non négligeable de matériau noble n'est pas économiquement viable, bien qu'il existe des filières de récupération et de valorisation, et que toute solution plus économique et répondant aux critères de stabilité 25 électrochimique et de compatibilité biologique serait à rechercher. La présente invention se propose de pallier aux inconvénients des électrodes de détection électrochimique de l'art antérieur en proposant une configuration économique d'électrode à couches métalliques biologiquement compatible et électrochimiquement stable (stabilité en 30 fonctionnement et stabilité durant l'éventuel stockage). A cet effet l'électrode de détection pour système microfluidique selon l'invention se caractérise en ce qu'elle comporte un substrat dont au moins une portion de surface est revêtue par un empilement de -3- couches minces comportant une couche métallique à propriétés intrinsèques de conductivité électrique, cette couche métallique étant associée à une couche dite barrière électrochimique, cette couche barrière électrochimique étant associée à une couche terminale assurant la compatibilité biologique et la fonctionnalité électrochimique (échange de charge électriques avec des molécules de l'échantillon). Cette dernière couche assure également l'inertie chimique et biologique de l'électrode. Grâce à cette structure d'empilement particulière, il est possible d'obtenir, à moindre coût, une électrode de détection présentant une tenue électrochimique et une compatibilité chimique et biologique qui rend son utilisation possible au sein des systèmes d'analyse microfluidique. La couche terminale permet en outre un échange de charges électriques avec des molécules de l'échantillon biologique. Cette dernière couche assure également l'inertie chimique et biologique de l'électrode. La figure unique montre l'oxydation de l'électrode en fonction de la tension appliquée. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut 20 éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la couche métallique est à base d'un matériau pur choisi parmi l'argent, ou le cuivre, le zinc, ou l'aluminium - la couche barrière électrochimique est à base d'un métal ou à 25 base d'un nitrure de ce métal, ce métal pouvant par exemple être le titane , ou un oxyde à conduction électronique du type oxyde de zinc dopé aluminium (ZnO :Al), de oxyde mixte d'indium et d'étain (ITO), de l'oxyde mixte d'indium et de zinc (IZO) 30 - la couche de compatibilité chimique et biologique est à base d'un matériau métallique noble choisi par exemple parmi l'or ou le platine ou tout autre métal compatible avec les produits à tester. 2921157 4 4 - l'épaisseur de la couche métallique est comprise entre 50 à 1000 nm de préférence comprise entre 150 à 500 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 200 nm. - l'épaisseur de la couche barrière électrochimique est comprise entre 5 10 à 100 nm de préférence comprise entre 15 à 50 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 20 nm. - l'épaisseur de la couche de compatibilité chimique et biologique est comprise entre 10 à 100 nm de préférence comprise entre 15 à 50 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 10 20 nm. - Elle comporte en outre une couche d'accroche entre le substrat et la couche métallique - l'épaisseur de la couche d'accroche entre 2 et 10 nm - elle comprend un empilement de couches du type Cu/TiN/Au ou du 15 type TiN/Ag/Ti/Au Selon un mode préféré de réalisation, l'électrode de détectionpour système microfluidique présente une résistivité électrique comprise entre 0.1 et 10 ohm.carré, ce qui rend son utilisation en tant qu'électrode parfaitement satisfaisante. De préférence, notamment pour atteindre ce niveau de résistivité, elle a une épaisseur totale comprise entre 200 et 1OOOnm. L'électrode selon l'invention est déposée, par exemple, par des techniques de dépôt sous vide (par exemple par pulvérisation cathodique assistée par champ magnétique) ou par électrodéposition sur un substrat, qui constituera ainsi avec l'électrode un système microfluidique. Le substrat du système microfluidique peut être constitué de matériaux de différentes natures. Il peut être par exemple en polymère, silicium ou métal. Cependant, 30 ces matériaux ne sont pas satisfaisants à de nombreux égards : -5- - les polymères sont le plus souvent sensibles à certains solvants organiques, résistent difficilement aux traitements prolongés à des températures supérieures à 200-300°C, se déforment sous l'effet de la pression, et ne sont pas entièrement inerte chimiquement (ils peuvent adsorber des composés présents dans les fluides, éventuellement les relarguer par la suite). En outre, l'état de surface des polymères est difficile à contrôler, en particulier parce qu'il peut évoluer dans le temps. Enfin certains polymères ne sont pas adaptés aux techniques de détection opérant par spectroscopie, en particulier Raman, du fait des perturbations qu'ils peuvent occasionner. Des polymères récemment développés permettent de s'affranchir de certains des points mentionnés ci-dessus comme les polymères fluorés ou des polymères � glassy-like � comme les copolymère-oléfine-cycliques (COC). Néanmoins la fonctionnalisation de ces polymères est particulièrement difficile. - le silicium est coûteux, n'est pas compatible avec certains fluides, n'est pas transparent et son caractère semi-conducteur empêche toute mise en oeuvre de techniques de pompage électrodynamique et électroosmotique des fluides. De surcroît, les méthodes utilisées pour former les microstructures telles que la photolithographie et la DRIE (� Deep Reactive Ion Etching � en anglais) sont coûteuses car elles imposent de travailler dans des enceintes protégées placées sous une atmosphère contrôlée, - les métaux sont susceptibles de se corroder, ne sont pas transparents ni compatibles avec certains fluides biologiques, et ne sont 25 pas compatible avec l'utilisation de fonction électrique. On préférera utiliser en tant que substrat support pour l'électrode selon l'invention, du verre, de la vitrocéramique ou de la céramique. Ces matériaux sont appréciés pour leur caractère isolant qui autorise le transport des fluides par électrocinétique et électroosmose, 30 leur inertie chimique, leur stabilité dimensionnelle, leur bon état de surface et leur aptitude à pouvoir être modifiés chimiquement en surface de manière durable. -6- Le verre est préféré pour son coût, sa facilité de mise en oeuvre et sa transparence qui permet l'observation au cours des phases de développement des systèmes et l'utilisation de systèmes de détections complémentaires basées sur des méthodes optiques. Sur ce substrat à fonction verrière on déposera sur au moins une portion de surface de ce substrat un empilement de couches minces dont la structure est la suivante - une couche métallique à propriétés intrinsèques de conductivité électrique qui est à base d'un matériau pur choisi parmi l'argent, ou le cuivre, le zinc, l'aluminium et dont l'épaisseur est comprise entre 50 à 1000 nm de préférence comprise entre 150 à 500 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 200 nm. - une couche barrière électrochimique qui est à base d'un métal ou à base d'un nitrure de ce métal, ce métal pouvant par exemple être le Titane ou un oxyde à conduction électronique du type ZnO : Al, ITO, IZO) - une couche de compatibilité chimique et biologique qui est à base d'un matériau métallique noble choisi parmi l'or, le platine. En variante une couche d'accroche de quelques nanomètres, par exemple en 1 et 10 nm, est déposée entre le substrat et la couche métallique. Cette couche d'accroche peut être à base de titane, de chrome, de nickel Bien entendu d'autres procédés de dépôt peuvent être utilisés, compatibles avec le substrat et la nature des couches, comme par exemple les procédés de CVD (Chemical Vapor Deposition), d'électroplating, de pulvérisation... On donne ci après un exemple de réalisation d'une électrode pour système micro fluidique selon invention - Verre de 0.7 mm sodocalcique et revêtu d'un empilement de couches minces déposées par magnétron du type Cu/TiNi/Au. -7- Cette électrode présente une résistivité de 1 Ohm.carré et une compatibilité biologique permettant l'interaction électrochimique de l'électrode avec des protéines en solution, sans les dégrader. L'électrode de détection électrochimique subit ensuite des traitements de surfaces permettant après enlèvement de matière formant l'empilement de conformer une pluralité de cellules de détection. Le réseau de cellules de détection peut être obtenu par gravure physique, notamment par sablage (� sand blasting � en anglais) ou par irradiation au moyen d'un laser CO2 (JP-A-2000-298109), ou par gravure chimique de l'empilement. On peut également former le réseau de cellules de détection en plusieurs étapes (dépôtAg/gravureAg - dépôtTi/gravureTi dépôtAu/gravureAu) ce qui permet de moduler les dimensions latérales des chacun des dépôts, en particulier pour s'affranchir d'éventuelles contamination par les bords. Une méthode de dépôt basée sur l'électrodéposition est également bien adaptée. On peut également envisager une procédure de � lift-off �, connu 20 de l'homme de l'art. Le substrat à fonction verrière présente avantageusement des dimensions importantes afin que plusieurs motifs puissent être réalisés simultanément, et que par conséquent on puisse obtenir en une seule opération un nombre élevé de cellules de détection. Ainsi, il est possible 25 d'utiliser des substrats présentant une surface pouvant atteindre plusieurs mètres carrés, ce qui permet de réaliser plusieurs milliers de cellules de détection sur un substrat unique pouvant être découpé ultérieurement en éléments complets unitaires. Les cellules de détection obtenues conformément à l'invention 30 présentent des microstructures ayant une section sensiblement carrée ou rectangulaire, qui peut être légèrement arrondie au niveau du substrat, ayant une profondeur pouvant aller de plusieurs dizaines de microns jusqu'à quelques �m, voire inférieure au micron. Les systèmes -8- entièrement en verre sont intéressants en ce que le ou les substrats qui les constituent ont une épaisseur faible et sont transparents, ce qui permet leur utilisation dans des techniques complémentaires de détection optique. Afin de vérifier la tenue électrochimique de l'empilement, on pourra se reporter à la figure unique qui montre l'oxydation de l'électrode en fonction de la tension appliquée. L'électrode d'Ag pure est oxydée dès 0.4 V avec un pic d'oxydation centré autours de 0.5-0.6 (Courbe pointillés). Une sur couche de 20 nm d'Au limite légèrement l'oxydation de l'Ag (Courbe points carrés). La protection la plus efficace est obtenue avec la couche barrière électrochimique de Ti (12 nm) où l'Ag ne commence à être oxydé qu'a partir de 1.5 V (Courbe ligne continue). Pour évaluer la tenue électrochimique de l'électrode, celle-ci subi un cycle d'oxydation à l'aide d'un montage dit 'à trois électrodes' avec une électrode travail (électrode étudiée), une électrode référence (Electrode au Calomel Saturé) et une contre-électrode (verre + 500 nm ITO) plongées dans un électrolyte liquide H3PO4 (acide orthophosphorique ).20 REVENDICATIONS 1. Electrode de détection pour système microfluidique caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat à fonction verrière dont au moins une portion de surface est revêtue par un empilement de couches minces comportant une couche métallique à propriétés intrinsèque de conductivité électrique, cette couche métallique étant associée à une couche barrière électrochimique, cette couche barrière électrochimique étant associée à une couche assurant la compatibilité chimique et biologique. 2. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon la revendication précédente caractérisée en ce que la couche métallique est à base d'un matériau pur choisi parmi l'argent, ou le Cu ou le Zn ou l'Al 3. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche barrière électrochimique est à base d'un métal ou à base d'un nitrure de ce métal, ce métal étant choisi parmi le titane, un oxyde métallique de type ZnO : Al, ITO, IZO. 4. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche de compatibilité biologique est base d'un matériau métallique noble choisi parmi l'or, le platine ou tout autre métal compatible avec les produits à tester. 5. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche métallique est comprise entre 50 à 1000 nm de préférence comprise entre 150 à 500 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 200 nm. 6. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon des revendications 1 ou 3 caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche barrière électrochimique est comprise entre 10 à 100 nm de préférence comprise entre 15 à 50 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 20 nm. 7. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon l'une des revendications 1 ou 4 caractérisée en ce que l'épaisseur de la- 10 -couche de compatibilité biologique est comprise entre 10 à 100 nm de préférence comprise entre 15 à 50 nm, et de manière encore plus préférentielle sensiblement voisine de 20 nm. 8. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une couche d'accroche entre le substrat et la couche métallique. 9. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche 10 d'accroche est comprise entre 2 et 10 nm. 10. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle présente une résistivité comprise entre 0.1 et 10 Ohm.carré. 11. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon la 15 revendication 1 caractérisée en ce que l'épaisseur de l'empilement de couches minces est comprise entre 200 et 1000 nm. 12. Electrode de détection pour système micro-fluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement de couches du type Cu/TiN/Au ou du type 20 TiN/Ag/Ti/Au. 13. Electrode de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en qu'elle comporte une pluralité de cellules de détection.