Mesure ultime de masse : vers les applications biologiques

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Mesure ultime de masse vers les applications
biologiques

• Anthony Ayari

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Une nanobalance ?
Excitation(s)
x
Detection

• Objet mécanique nanométrique
• ? mesure de masse

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Plan

• Quest quun NEMS ?
• Comment mesure-t-on une masse ?
• Mesure ultime de masse avec un NEMS
• Avantage des NEMS
• Historique
• Mesures résolus à léchelle de latome
• Vers les applications biologiques
• Défis
• Développements futurs

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Comment mesure-t-on une masse?

• Avec un ressort en mesurant sa compression sous
  leffet de la masse à déterminer
• En fait mesure le poids

m
dL
k rigidité du ressort g accélération de la
pesanteur
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Et une nanomasse ?
m

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

m
k rigidité du ressort f fréquence de vibration
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Dans les NEMS ça donne quoi ?

• Quartz/ressort ? NEMS
• Mesure le déplacement en fréquence.

df
Sensibilité f0 fréquence de résonance Meff
masse initiale du NEMS L longueur
caractéristique du NEMS
f0
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Effet déchelle
Sensibilité
1MHz/fg
1mHz/fg
1nHz/fg
nm
µm
Longueur caractéristique
mm
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Avantages des NEMS

• Plus grande sensibilité en masse 1/L4
• Plus rapide 1/L
• Convergence avec microélectronique
• Miniaturisation et mise en parallèle (VLSI)

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Historique
1 proton1Da 1.610-24 g
Spectromètre de masse conventionnel
1 atome DWNT 100 MHz, Berkeley 2008
10-21g SiC 100 MHz, Caltech 2006
Protéine 10 kDa
10-18g Si et SiN 10 MHz, Cornell 2004
10-15g MWNT, 1 MHz, Georgia Tec 1999
Virus 1MDa
10-12g microbalance à quartz, 10 MHz
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Dispositif Expérimental
Excitation AC
rétroaction
Nanotube
e-
Au
11
1 atome
K. Jensen et al., Nature Nanotechnology 3 533
(2008)

• Sensibilité 104 kHz/zg
• Résolution en masse 0.13zg/?Hz 0.4 atome
  dAu/ ?Hz
• Mesure shot noise 0.29 ?0.05 zg pour MAu0.327
  zg

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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 quun 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

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Mesure statistique ?

• df dépend de la position sur le NEMS
• Modèle trop simpliste, interaction, objet déposé
  immobile ?

 Measuring more than mass  H. Craighead nature
nanotechnology (2007)
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Résultats à lair
DMMP
M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature
Nanotechnology 2 114-120 (2007)
Atmospheric pressure and ambient temperature
Mass resolution 100 zg.
New results 20 zg in ambient air a few zg
under vaccuum
M. Li, H.X. Tang, M.L. Roukes, Nature
Nanotechnology 2 114-120 (2007)
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Etat de lart des détecteurs
Méthode de détection groupe RD concentration en DMMP détectée expérimentalement
Nanotube chemicapacitor E. S. Snow Naval Research Lab 320 ppb
Surface Acoustic Wave (SAW) Jay W. Grate Pacific Northwest National Lab 12 ppm
Chemiresistor N. S. Lewis Caltech 1 ppm
CMOS Cantilever M. Zaghloul GWU 720 ppb
NEMS Cantilever Roukes Group Caltech 2 ppb
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Détection de la PSA
LAUSANNE
Vol. 89 km3
EVIAN
GENEVE
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Détection de la PSA
Niveau normal de PSA 1 ng/ml
1 fg/ml
89 kg of PSA
1 pg/ml
8.9 tones of PSA
1 ng/ml
1 µg/ml
8.9 ktones de PSA !!
Le Colombo Express (plus de 3000 containers), le
plus grand transporteur maritime de container au
monde
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NEMS-MS Electrospray
A. Naik et al., Nature Nanotechnology (July 2009)
18
19
Réponse dun nanolevier dans un liquide
Q1 ? NON resonant
Physiques Résonateur sur amorti.
Jessica Arlett ML. Roukes Caltech Nobel
Symposium 2007
20
Détection purement électronique de bactéries
uniques en milieu liquide
Anticorps spécifiques

• Fixation dune bactérie
• ? perturbation de la réponse mécanique

Jessica Arlett ML. Roukes Caltech 2005
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Conclusion

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

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Références

• Et une nanomasse
• M. L. Roukes An apparatus and method for
  ultrasensitive nanoelectromechanical mass
  detection WO/2002/090246
• Effet déchelle
• 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)

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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)

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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 lair
• Mo Li et al., Ultra-sensitive NEMS-based
  cantilevers for sensing, scanned probe and very
  high-frequency applications Nature
  Nanotechnology, 2, 114, (2007)

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Références

• Etat de lart 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)

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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