Détection de molécules d'ADN sur transistors à effet de champ
Résumé
This work presents a new approach for the electronic detection of charged biopolymers at a solid/liquid
interface using field effect transistors arrays. In our experiments, we use arrays of EOSFET. This type
of semiconductor transistor is operating with a reference electrode and consists in a gate structure of
electrolyte-oxide-semiconductor interfaces. Micro- or macro-droplets containing charged biopolymers solution
are locally spotted on the transistors arrays. The localised deposits induce sizeable variations in
the dc current-voltage characteristics of the transistors exposed to the molecular charges. The variations
of the dc characteristics due to the adsorption of two opposite charged biopolymers (polylysine and DNA)
showed opposite effects and can thus be correlated to a contribution of positive charges for polylysine
and negative charges for DNA. Experiments on the effect of the variation in the concentration of biopolymers
allowed us to identify a dynamical detection zone. In this zone the electronic signals increases with
the biopolymers spotting concentration until a saturation corresponding to the maximum biopolymers
quantity being able to be adsorbed on the surface. Interfering signals observed on the buffers used for
dilutions limit the detection of low biopolymers concentration. Sensibilities of 10^7 lysine monomers/FET and 4x10^8 bases of ADN/FET have been estimated. A modeling of the interface charge screening by the electrolyte may account for the reductions in the electronic signals observed when the electrolyte salt molarity is gradually increased. The electronic detection of DNA was shown in a reproducible way for short
ssDNA (oligonucleotides) as well as for dsDNA molecules synthesized by PCR. Using Cy5-modified DNA
the electronic signals are compared with local fluorescence measurements. By combining the electronic
approach with an allele specific PCR, we demonstrated the detection of a single base pair mutation.
interface using field effect transistors arrays. In our experiments, we use arrays of EOSFET. This type
of semiconductor transistor is operating with a reference electrode and consists in a gate structure of
electrolyte-oxide-semiconductor interfaces. Micro- or macro-droplets containing charged biopolymers solution
are locally spotted on the transistors arrays. The localised deposits induce sizeable variations in
the dc current-voltage characteristics of the transistors exposed to the molecular charges. The variations
of the dc characteristics due to the adsorption of two opposite charged biopolymers (polylysine and DNA)
showed opposite effects and can thus be correlated to a contribution of positive charges for polylysine
and negative charges for DNA. Experiments on the effect of the variation in the concentration of biopolymers
allowed us to identify a dynamical detection zone. In this zone the electronic signals increases with
the biopolymers spotting concentration until a saturation corresponding to the maximum biopolymers
quantity being able to be adsorbed on the surface. Interfering signals observed on the buffers used for
dilutions limit the detection of low biopolymers concentration. Sensibilities of 10^7 lysine monomers/FET and 4x10^8 bases of ADN/FET have been estimated. A modeling of the interface charge screening by the electrolyte may account for the reductions in the electronic signals observed when the electrolyte salt molarity is gradually increased. The electronic detection of DNA was shown in a reproducible way for short
ssDNA (oligonucleotides) as well as for dsDNA molecules synthesized by PCR. Using Cy5-modified DNA
the electronic signals are compared with local fluorescence measurements. By combining the electronic
approach with an allele specific PCR, we demonstrated the detection of a single base pair mutation.
Ce travail a porté sur l'étude d'une nouvelle méthode de détection électronique de biopolymères chargés
à l'interface solide/liquide en utilisant des réseaux de transistors à effet de champ. Les structures
utilisées sont des réseaux d'EOSFET. Ce type de structures semiconductrices opère avec une électrode
de référence et possède une surface active dont l'interface est du type électrolyte/oxyde/semi-conducteur.
Des micro- ou macro-gouttelettes de solutions contenant des biopolymères chargés sont déposées en des
endroits prédéfinis sur les réseaux de transistors. Ces dépôts locaux induisent des variations des caractéristiques
courant-tension des transistors ayant été exposés à l'apport de charge. L'étude des variations des
caractéristiques DC des transistors après l'adsorption de deux biopolymères de charges globales opposées
(la polylysine et l'ADN), ont montré des effets contraires qui correspondent bien à un apport de charges
positives pour la polylysine et négatives pour l'ADN. Des expériences de variations en concentration de
biopolymères ont permis de mettre en évidence une zone dynamique de détection correspondant à une
augmentation du signal électronique en fonction de la concentration en biopolymères déposés jusqu'à une
saturation attribuée à la quantité maximale de biopolymères pouvant être adsorbée à l'interface. Des
signaux parasites observés sur des tampons servant aux dilutions limitent la détection de basses concentration
en biopolymères. Des sensibilités de 10^7 monomères lysines/FET et de 4x10^8 bases d'ADN/FET
ont ainsi pu être estimées. Une modélisation de l'écrantage des charges d'interface par l'électrolyte de mesure permet de rendre compte des diminutions des signaux électroniques observés lorsque l'on augmente
progressivement la molarité en sel de l'électrolyte de mesure. La détection électronique de l'ADN a été
démontrée de manière reproductible pour de courts fragments d'ADN simple brin (oligonucléotides) ainsi
que pour des molécules d'ADN double brin issues de synthèses par PCR. En utilisant des ADN marqués
par des fluorophores, les signaux électroniques sont comparés avec des mesures de fluorescence locale. La
détection d'une mutation ponctuelle a pu être mise en évidence en combinant l'approche électronique
avec un protocole d'amplification d'ADN : "allèle spécifique PCR".
à l'interface solide/liquide en utilisant des réseaux de transistors à effet de champ. Les structures
utilisées sont des réseaux d'EOSFET. Ce type de structures semiconductrices opère avec une électrode
de référence et possède une surface active dont l'interface est du type électrolyte/oxyde/semi-conducteur.
Des micro- ou macro-gouttelettes de solutions contenant des biopolymères chargés sont déposées en des
endroits prédéfinis sur les réseaux de transistors. Ces dépôts locaux induisent des variations des caractéristiques
courant-tension des transistors ayant été exposés à l'apport de charge. L'étude des variations des
caractéristiques DC des transistors après l'adsorption de deux biopolymères de charges globales opposées
(la polylysine et l'ADN), ont montré des effets contraires qui correspondent bien à un apport de charges
positives pour la polylysine et négatives pour l'ADN. Des expériences de variations en concentration de
biopolymères ont permis de mettre en évidence une zone dynamique de détection correspondant à une
augmentation du signal électronique en fonction de la concentration en biopolymères déposés jusqu'à une
saturation attribuée à la quantité maximale de biopolymères pouvant être adsorbée à l'interface. Des
signaux parasites observés sur des tampons servant aux dilutions limitent la détection de basses concentration
en biopolymères. Des sensibilités de 10^7 monomères lysines/FET et de 4x10^8 bases d'ADN/FET
ont ainsi pu être estimées. Une modélisation de l'écrantage des charges d'interface par l'électrolyte de mesure permet de rendre compte des diminutions des signaux électroniques observés lorsque l'on augmente
progressivement la molarité en sel de l'électrolyte de mesure. La détection électronique de l'ADN a été
démontrée de manière reproductible pour de courts fragments d'ADN simple brin (oligonucléotides) ainsi
que pour des molécules d'ADN double brin issues de synthèses par PCR. En utilisant des ADN marqués
par des fluorophores, les signaux électroniques sont comparés avec des mesures de fluorescence locale. La
détection d'une mutation ponctuelle a pu être mise en évidence en combinant l'approche électronique
avec un protocole d'amplification d'ADN : "allèle spécifique PCR".
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