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Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques. Anthony Ayari. Une nanobalance ?. Objet mécanique nanométrique mesure de masse. Excitation(s). x. Detection. Plan. Qu’est qu’un NEMS ? Comment mesure-t-on une masse ? Mesure ultime de masse avec un NEMS - PowerPoint PPT Presentation
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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