Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques

Anthony Ayari

2 Anthony Ayari

Une nanobalance ?

Objet mécanique nanométrique mesure de masse

x

Excitation(s)

Detection

3 Anthony Ayari

Plan

Qu’est qu’un NEMS ? Comment mesure-t-on une masse ? Mesure ultime de masse avec un NEMS

Avantage des NEMS Historique Mesures résolus à l’échelle de l’atome

Vers les applications biologiques Défis Développements futurs

4 Anthony Ayari

Comment mesure-t-on une masse?

Avec un ressort en mesurant sa compression sous l’effet de la masse à déterminer

En fait mesure le poidsm

δL

g

Lkm

k : rigidité du ressort

g : accélération de la pesanteur

5 Anthony Ayari

Et une nanomasse ?

Mesure résonante Principe de la balance à quartz δf plus précis Breveté en 2004 WO02090246

m

m

2

2)2(

f

km

k : rigidité du ressortf : fréquence de vibration

6 Anthony Ayari

Dans les NEMS ça donne quoi ? Quartz/ressort NEMS

Mesure le déplacement en fréquence.

fm

fm

1

Sensibilité :

f0 : fréquence de résonanceMeff ~ masse initiale du NEMSL : longueur caractéristique du NEMS

δf

f0 40 1

2 LM

f

eff

7 Anthony Ayari

nm µm mm Longueurcaractéristique

100 µm

Masse min. Détectable à l’air

10-21 g

10-15 g

10-9 g

Sensibilité

1MHz/fg

1mHz/fg

1nHz/fg

Effet d’échelle

8 Anthony Ayari

Avantages des NEMS

Plus grande sensibilité en masse ~ 1/L4

Plus rapide ~ 1/L Convergence avec microélectronique Miniaturisation et mise en parallèle (VLSI)

5 µm

9 Anthony Ayari

Historique

10-12g microbalance à quartz, 10 MHz

10-15g MWNT, 1 MHz, Georgia Tec 1999

10-18g Si et SiN10 MHz, Cornell 2004

10-21g SiC 100 MHz, Caltech 2006

1 atome DWNT100 MHz, Berkeley 2008

1 proton=1Da= 1.6*10-24 g

Spectromètrede masseconventionnel

Virus1MDa

Protéine10 kDa

10 Anthony Ayari

Dispositif Expérimental

rétroactionExcitation AC

Au

e-

Nanotube

11 Anthony Ayari

1 atome

Sensibilité : 104 kHz/zg Résolution en masse : 0.13zg/Hz ~ 0.4 atome d’Au/ Hz Mesure shot noise : 0.29 0.05 zg pour MAu=0.327 zg

K. Jensen et al., Nature Nanotechnology 3: 533 (2008)

12 Anthony Ayari

Oui mais Problèmes liés à la microfluidique et aux lab-on-

chip Fonctionnalisation, spécificité Intégration, détection, traitement Pourquoi faire ?

Problèmes liés aux NEMS en général Faible reproductibilité dans la fabrication Beaucoup moins stable qu’un quartz Faibles signaux Forte Dissipation

Problèmes liés à cette mesure Sous ultra vide, condition de laboratoire Modèle trop simpliste pas transposable au milieu

biologiques Mesure d’ 1 atome pas vraiment réalisée

13 Anthony Ayari

Mesure statistique ?

δf dépend de la position sur le NEMS Modèle trop simpliste, interaction, objet déposé

immobile ?

« Measuring more than mass » H. Craighead nature nanotechnology (2007)

14 Anthony Ayari

M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007)

Mass resolution ~100 zg.Mass resolution ~100 zg.

M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature Nanotechnology 2: 114-120 (2007)

noise flooris ~ 2 ppb

DMMP

Atmospheric pressure and ambient temperature

New results ~ 20 zg in ambient air~ a few zg under vaccuum

New results ~ 20 zg in ambient air~ a few zg under vaccuum

Résultats à l’air

15 Anthony Ayari

Méthode de détection

groupe R&D

concentration en DMMP détectée

expérimentalement

Nanotube chemicapacit

or

E. S. SnowNaval

Research Lab

320 ppb

Surface Acoustic

Wave (SAW)

Jay W. GratePacific

Northwest National Lab

1~2 ppm

ChemiresistorN. S. Lewis

Caltech1 ppm

CMOS Cantilever

M. ZaghloulGWU

720 ppb

NEMS Cantilever

Roukes Group

Caltech2 ppb

Etat de l’art des détecteurs

16 Anthony Ayari

GENEVE

EVIAN

LAUSANNE

Vol. = 89 km3

Détection de la PSA

17 Anthony Ayari

1 fg/ml

1 pg/ml

1 ng/ml

1 µg/ml

Le Colombo Express (plus de 3000 containers), le plus grand transporteur maritime de container au monde

Niveau normal de PSA= 1 ng/ml

89 grams of PSA

89 kg of PSA

8.9 tones of PSA

8.9 ktones de PSA !!

Détection de la PSA

18 Anthony Ayari18

ESI Needle

capillary

Tophexapole

Bottom hexapole

Sample Stage(T= 40K)

Magnet

760Torr

1Torr

10mTorr

10-6 Torr

<10-8 Torr

(a)

(b)

(c)

(d)

A. Naik et al., Nature Nanotechnology (July 2009)

NEMS-MS : Electrospray

19 Anthony Ayari

Q~1 NON resonant

Physiques:

Résonateur sur amorti.

Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech

Nobel Symposium 2007

Réponse d’un nanolevier dans un liquide

20 Anthony Ayari

Anticorps spécifiques

La bactérie relie les deux leviers

100 nm

Fixation d’une bactérie perturbation de la réponse mécanique

Jessica Arlett & ML. Roukes Caltech 2005

Détection purement électronique de bactéries uniques en milieu liquide

21 Anthony Ayari

Conclusion

En dix ans la résolution en masse a progressée de 7 ordres de grandeurs

Résolution d’un atome : atteinte statistiquement Prochain but : le proton Besoin localiser les dépôts de masse Besoin affiner modèle NEMS détecteur de gaz : très sensible Besoin de nouvelles stratégies pour travailler en

milieu liquide

22 Anthony Ayari

Références

Et une nanomasse M. L. Roukes “An apparatus and method for

ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection” WO/2002/090246

Effet d’échelle A. Naik et al., “ Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers

for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology, 2, 114 (2007)

C. Bergaud et al., “Viscosity measurements based on experimental investigations of composite cantilever beam eigenfrequencies in viscous media” Review of scientific instruments, 71, 2487, (2000)

G. A. Campbell et al., “Detection and quantification of proteins using self-excited PZT-glass millimeter-sized cantilever” Biosensors & bioelectronics, 21, 597, (2005)

23 Anthony Ayari

Références

Historique G. Sauerbrey, “ Verwendung von schwingquarzen

zur wagung dunner schichten und zurmikrowagung  ” Zeitschrift Fur Physik 155, 206 (1959).

P. Poncharal et al., “ Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes ” Science, 5 1513 (1999).

B. Ilic et al., “ Attogram Detection Using Nanoelectromechanical Oscillators ” Journal of Applied Physics, 95, 3694 (2004).

Y.T. Yang et al., “ Zeptogram-scale nanomechanical mass sensing ” Nano Letters, 6, 583 (2006)

K. Jensen et al., “An atomic-resolution nanomechanical mass sensor”, Nature Nanotechnology, 3, 553, (2008)

24 Anthony Ayari

Références

Mesures statistiques ? H. Craighead, “ Measuring more than mass”

Nature Nanotechnology, 2, 18, (2007) Tamayo, J. et al., “ Effect of the adsorbate stiffness

on the resonance response of microcantilever sensors” Appl. Phys. Lett. 89, 224104 (2006).

Résultats à l’air Mo Li et al.,“ Ultra-sensitive NEMS-based

cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications” Nature Nanotechnology, 2, 114, (2007)

25 Anthony Ayari

Références

Etat de l’art des détecteurs E. S. Snow et al.,“Chemical Detection with a Single-

Walled Carbon Nanotube Capacitor ” Science, 307, 1942(2005)

Grate J. W. et al., “Hybrid Organic/Inorganic Copolymers with Strongly Hydrogen-Bond Acidic Properties for Acoustic Wave and Optical Sensors”, 9, 1201, Chem. Mat. (1997)

Hopkins A. R. et al., “Article Detection and Classification Characteristics of Arrays of Carbon Black/Organic Polymer Composite Chemiresistive Vapor Detectors for the Nerve Agent Simulants Dimethylmethylphosphonate and Diisopropylmethylphosponate” Anal. chem. 73, 884 (2001).

Voiculescu et al., “Electrostatically actuated resonant microcantilever beam in CMOS technology for the detection of chemical weapons ” IEEE Sensors journal 5, 641 (2005)

26 Anthony Ayari

Références

NEMS-MS Electrospray A. Naik et al., “Towards single-molecule

nanomechanical mass spectrometry” Nature Nanotechnology, 4, 445 (2009)

En milieu liquide Pas encore publié