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Biocapteur ampérométrique intégré pour une unité de détection dédiée aux neurotransmetteurs

Geneviève Massicotte

Mémoire de maîtrise (2013)

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Citer ce document: Massicotte, G. (2013). Biocapteur ampérométrique intégré pour une unité de détection dédiée aux neurotransmetteurs (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/1319/
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Résumé

RÉSUMÉ 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.----------ABSTRACT Intercellular chemical signaling shaped by the interaction of neurotransmitters plays a crucial role in the functioning of brain processes. The analysis of chemical neural activity in real time in all its complexity would help neuroscientists understand the mechanisms of the human brain and its neurodegenerative diseases. Systems currently used in neuroscience laboratories are limited in their ability to provide accurate and appropriate measurements to the heterogeneous events associated with the activity of several neurotransmitters. Polystim Neurotechnologies Laboratory is therefore designing an implantable Lab on Chip (LOC) dedicated to the monitoring of neurochemicals circulating in the brain's intercellular space that provides the needed features. This thesis presents an electrochemical detection unit associated with such system, designed for the quantification of neurotransmitters in the intracerebral liquid. We propose an architecture composed of biosensors using a potentiostat integrated with CMOS technology as transducer, and measuring electrodes with functionalized carbon nanotubes for sensitive and selective measurements. The proposed integrated potentiostat generates time measurements easily treatable digitally, which are proportional to redox currents produced at the interface of the measuring electrodes. Its configuration separately quantizes oxidation and reduction currents by using two measuring channels, according to a constant voltage amperometry technique. The architecture consists of an amplifier, a high-speed comparator and a digital-to-analog converter (DAC). The latter is shared between the two channels in order to reduce the total measurement time as a function of the detected currents amplitude. This topology provides a compromise between the input dynamic range, sampling frequency and resolution measurements, three important parameters to accommodate the detection and quantification of a wide variety of neurotransmitters in real time. To validate the prototype of the implemented potentiostat, a multi-electrode measuring platform is fabricated and functionalized with composite films based on carbon nanotubes (CNTs), for dopamine and glutamate, two common neurotransmitters, selective detection. The potentiostat integrated circuit is implemented with IBM 0.13 µm CMOS technology. A printed circuit board (PCB) containing an FPGA managing control signals and data acquisition, was made to experimentally characterize the fabricated circuit. Despite the non-linearity of the manufactured integrated DAC, oxidation and reduction currents ranging from 600 nA to 20 pA at a minimum sampling frequency of 1.25 kHz could be measured experimentally using an external commercial DAC. Also, the biosensor formed by the potentiostat and the functionalized electrodes platform is validated by conclusive in vitro biological measurements of dopamine and glutamate in solutions, in terms of sensitivity and selectivity. These results forms the proof of concept of the proposed biosensor as the base component of the detection unit.

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Département: Département de génie électrique
Directeur de mémoire/thèse: Mohamad Sawan
Date du dépôt: 11 avr. 2014 16:05
Dernière modification: 24 oct. 2018 16:11
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1319/

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