Biocapteur ampérométrique intégré pour une unité de détection dédiée aux neurotransmetteurs

La signalisation chimique intercellulaire façonnée par l'interaction des neurotransmetteurs joue un rôle capital dans le fonctionnement des processus cérébraux. L'analyse de l'activité neuronale chimique en temps réel dans toute sa complexité aiderait les neuroscientifiques à comprendre les mécanismes du cerveau humain et de ses pathologies neurodégénératives. Les systèmes actuellement employés dans les laboratoires de neuroscience sont limités dans leur capacité à fournir des mesures précises et adaptées aux évènements hétérogènes associées à l'activité de plusieurs neurotransmetteurs. Pour ce faire, le laboratoire de neurotechnologies Polystim envisage la conception d'un laboratoire sur puce (LSP) implantable, dédié au monitorage des substances neurochimiques circulant dans l'espace intercellulaire cérébral. Ce mémoire propose une unité de détection électrochimique associée à un tel système et conçue pour la quantification des neurotransmetteurs du liquide intercérébral. Nous proposons une architecture composée de biocapteurs utilisant un potentiostat intégré avec la technologie CMOS comme transducteur et des électrodes de mesure fonctionnalisées avec des nanotubes de carbone pour une détection sensible et sélective. Le potentiostat intégré proposé génère des mesures de temps facilement traitables numériquement qui sont proportionnelles aux courants d'oxydo-réduction produits à l'interface des électrodes de mesure. Sa configuration quantifie séparément les courants d'oxydation et de réduction à l'aide de deux canaux de mesures, selon une technique d'ampérometrie à tension constante. L'architecture est composée d'un amplificateur, d'un comparateur haute vitesse et d'un convertisseur numérique à analogique (Digital to Analog Converter - DAC). Ce dernier est partagé entre les deux canaux de sorte à réduire le temps de mesure total en fonction de l'amplitude des courants détectés. Cette topologie procure un compromis entre la plage dynamique d'entrée, la fréquence d'échantillonnage et la résolution de mesures, trois paramètres importants pour accommoder la détection et la quantification d'une grande variété de neurotransmetteurs en temps-réel. Afin de valider le prototype du potentiostat implémenté, une plateforme multi-électrodes de mesure est fabriquée et fonctionnalisée avec des films composites à base de nanotubes de carbone (Carbon Nanotubes - CNT), pour une détection sélective à la dopamine et au glutamate, deux neurotransmetteurs communs. Le circuit intégré du potentiostat est implémenté avec la technologie 0,13 µm CMOS d'IBM. Un circuit imprimé (Printed Circuit Board - PCB) comprenant un FPGA pour la gestion des signaux de contrôle et l'acquisition des données a été fabriqué pour la caractérisation expérimentale du circuit. Malgré une non-linéarité du DAC intégré fabriqué, des courants d'oxydation et de réduction d'une plage de 600 nA à 20 pA à une fréquence d'échantillonnage minimale de 1,25 kHz ont pu être mesurés expérimentalement en utilisant un DAC commercial externe. Également, le biocapteur formé du potentiostat fabriqué et de la plateforme d'électrodes fonctionnalisées est validé par des mesures biologiques en milieu in vitro concluantes pour différentes concentrations de dopamine et de glutamate en solution, en termes de sensibilité et de sélectivité des mesures ampérométriques obtenues. Ces résultats fondent la preuve de concept du biocapteur proposé comme composant de base de l'unité de détection.