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Nano DSC : Nanocalorimétrie différentielle à balayage pour des applications en sciences du vivant et nanosciences – Nano-DSC

Nanocalorimètre différentiel à balayage destiné à la mesure d’échantillons biologiques de volumes de l’ordre du microlitre.

Dispositif nanocalorimétrique innovant à la limite ultime de l’instrumentation en calorimétrie ultra sensible. Réalisation d’un prototype de nanocalorimètre différentiel à balayage (DSC) pour des applications en sciences du vivant, en biophysique ou en nano-sciences, domaines dans lesquels le volume d’échantillon à analyser est crucial.

Nanocalorimètre à très haute résolution permettant des vitesses de rampe ultra rapides pour l'analyse de très petites quantités d’échantillon

Le projet concerne la réalisation d’une nouvelle génération d’instrument miniaturisé de nanocalorimétrie différentielle à balayage (nano-DSC) pour des applications en biophysique ou nanoscience; les points clés se déclinent en 3 axes distincts : <br />* La résolution : grâce à une électronique spécifique bas bruit intégrée au capteur, l’instrument possède un rapport signal sur bruit inégalé de par le monde. <br />* Le volume d’échantillon : Les échantillons liquides sont contenus dans des micro-containers de volumes compris entre 1 µl et 10 µl. <br />* Les rampes de température : le microcapteur possède une capacité calorifique très faible (environ 1 mJ/K) notamment grâce à l’utilisation de couches minces résistives et des technologies de la microfabrication, ce qui permet des rampes de température élevées, de 1°C/min jusqu’à 50°C/min. <br /> <br />Ces trois aspects sont fondamentaux pour des applications potentielles en biophysique, pharmacie ou nanosciences, domaines pour lesquelles la possibilité d’analyser de faibles quantités d’échantillons dont les signatures thermiques sont en général ténues, est primordiale. L'objectif à l'issue de ce programme est la réalisation d'un démonstrateur et la publication de premiers résultats scientifiques portant notamment sur la dénaturation thermique de protéine en partenariat avec nos partenaires biophysiciens.

La réussite du projet repose sur cinq compétences complémentaires et fondamentales :
Microfabrication et microtechnologies : le micro-capteur différentiel est réalisé grâce aux technologies récentes de la microélectronique. Le principe de membrane en polymère isolante suspendue, ainsi que des couches minces métalliques microphotolitographiées, permet une réduction de la masse du capteur et des zones sensibles ne parasitant pas la mesure, et permettant de facto l’analyse d’échantillons de masses équivalentes.
Electronique bas bruit intégrée: l’augmentation du rapport signal sur bruit du capteur lié pour une part à la réduction du bruit de mesure, et pour l’autre part à sa sensibilité, est un facteur indispensable à la détection d’effets thermiques fins (biologie) sur des volumes de l’ordre du micro-litre.
Conditionnement thermique du capteur: la stabilité en température du capteur repose sur son conditionnement thermique. Un environnement thermique ultra-stable basé sur des encastrements originaux des différents étages de régulation en température est proposé. Le système est composé d’un ensemble de type « poupées Russes » alternant chauffage par résistances et refroidissement par éléments à effet Peltier.
Dénaturation thermique de systèmes biologiques modèles: le marché et les applications visés touchent en particulier le domaine de la biophysique, domaine pour lequel la possibilité de réaliser des mesures thermiques sur de faibles volumes est fondamentale. La connaissance du domaine d’un des partenaires du projet, est indispensable à la validation des performances de l’instrument sur des échantillons biologiques témoins (protéines).
Valorisation et potentialité d’applications industrielles : le suivi et la réalisation des différentes étapes de valorisation industrielle, dépôts de brevet, suivi du paysage brevet, suivi du marché potentiel, étude de marché, recherche de partenaires industriels, est assuré par un partenaire du projet expert dans ce domaine.

Les performances du micro-capteur nano-calorimétrique différentiel conditionné dans une maquette simplifiée de l’instrument ont été obtenues: sa sensibilité en puissance est de 2.5 mV/mW. La limite de détection finale dans l'environnement thermique ultra-stable sera de quelques nanowatt.

L'environnement ultra-stable, en cours de validation, possède une stabilité thermique sur le dernier étage de régulation de 10 µ°C pic à pic.

Des premiers résultats ont été obtenus sur la détection de transitions de phases cristallines sur 1 microlitre de polymère PTFE, sur la fusion et la cristallisation de 1 microlitre d'eau liquide, ainsi que sur la détection de la dénaturation thermique de 1 microlitre d'une solution diluée de protéine (alpha-lactalbumine bovine) avec une concentration de 10 mg/ml. Cette dernière mesure n'a par conséquent nécessité que 10 microgrammes de protéines.

Le transfert industriel de ce projet se réalisera par le biais d'une collaboration avec un industriel du domaine ou par la création d'une start-up à l'intérieur du laboratoire.

L’intérêt majeur du prototype est de pouvoir analyser avec une méthode thermique à haute résolution des échantillons solides ou liquides en très petites quantités. En particulier, les échantillons liquides sont enfermés de manière étanche dans des micro-containers. Ces derniers ont été spécifiquement développés de manière à maximiser les contacts thermiques avec la zone sensible du micro- capteur sans cependant ajouter d’addenda (capacité calorifique des containers de l’ordre du mJ/K).

Les potentialités de cette instrumentation originale en analyse thermique permettent des analyses thermiques complémentaires à celles habituellement effectuées dans les laboratoires et les industries travaillant dans le domaine de la biophysique ou des sciences du vivant. Rappelons que seule l'analyse thermique ou calorimétrique permet d'obtenir de manière directe des données thermodynamiques essentielles à la caractérisation totale d'un échantillon biologique (protéine, ADN, virus,...).

1. Brevet CNRS-SETARAM n°1155432 du 21/06/11
« Capteur de mesure calorimétrique différentiel et procédé de fabrication »
Un partenaire industriel s’est engagé dans cette première phase du projet. La demande internationale PCT a été déposée le

Ce projet expérimental innovant se situe à la limite ultime de l’instrumentation en calorimétrie, avec une forte composante interdisciplinaire (physique instrumentale-sciences du vivant).

Il vise à réaliser un prototype de microcalorimètre différentiel à balayage innovant pour des applications en biophysique, mais aussi en pharmacie ou nanoscience. En fait, la potentialité du microcalorimètre permettra la mesure calorimétrique (chaleur spécifique, transitions de phases) de tout type d’échantillon liquide disponible en petite quantité et dont les effets thermiques associés sont en général trop fins pour être détectés avec des appareils classiques.

En particulier, nous proposons, grâce aux technologies de la microfabrication ainsi que grâce à une électronique bas-bruit intégrée, de réaliser un prototype de nanocalorimètre différentiel à balayage à base de microcapteurs pouvant travailler sur des volumes d’échantillons de l’ordre du microlitre avec une sensibilité jamais atteinte pour ce type de dispositifs (une dizaine de nanowatts en limite de détection est prévue).

La deuxième partie du projet concernera la validation des performances uniques de cet instrument grâce à des mesures réalisées sur des systèmes biologiques modèles (protéines en solution). Celles-ci seront réalisées par des experts du domaine d’une application possible (dénaturation thermique des protéines) du démonstrateur.

Enfin, l’objectif de valorisation qui s’appuie sur plusieurs brevets d’invention est d’amorcer le transfert de ces développements instrumentaux vers le monde industriel en partenariat avec une société experte en propriété industrielle.

De part ses performances en termes de sensibilité et de faibles volumes d’échantillon, ce nano-DSC ouvre des champs d’applications nouveaux pour une recherche fondamentale en sciences du vivant, mais aussi en pharmacie, médecine ou nanosciences, et donc pour des marchés niches en voie de développement.

Coordinateur du projet

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE DE GRENOBLE
FIST S.A
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES

Aide de l'ANR 276 122 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 24 Mois

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