Miniaturized, ultrasensitive biosensors capable of rapidly detecting disease-relevant biomarkers at point-of-care hold significant potentials to serve as powerful low-cost diagnostic tools. With many apparent advantages, field-effect-transistor-based biosensors (FET-biosensors) have emerged as a promising platform for realizing rapid and ultrasensitive biomarker molecular diagnosis. FET biosensors feature fast response, label-free assay, high sensitivity (enabled by the unique property of FET channel material and structure), good compatibility with batch fabrication, and thus low unit cost. The miniature nature of FET-biosensors also permits their easy integration into microfluidic devices to gain additional advantages such as multiplexed tests (detection of multiple markers) and less sample/reagent consumptions.

The recent research efforts on FET biosensors have primarily focused on innovations in two technological directions:​ the FET device structure and channel material. This thesis, targets both directions by developing two new types of microfluidic FET biosensors integrating with 1) rolled-up indium-nitride (InN) microtubes (structure innovation), and 2) two-dimensional vertically-aligned MoS₂ nanolayers (VAMNs;​ material innovation), respectively. To meet these objectives, self-rolled-up SiOₓ/SiNₓ microtubes were developed by releasing the pre-stained bilayer of SiOₓ/SiNₓ from its mother substrate. The developed process is robust and highly reproducible, allowing the large-scale and high-yield rolled-up microtube arrays (> 99%, n = 300). Using dielectric SiOₓ/SiNₓ bilayer as a rolling vehicle, semiconducting InN thin film were integrated and SiOₓ/SiNₓ/InN rolled-up microtube were successfully developed. The developed rolled-up SiOₓ/SiNₓ/InN microtube is then used as the FET biosensor channel and integrated with a microfluidic device for detection of human immunodeficiency virus (HIV) antibodies.

On the front of FET channel material innovation, a chemical vapor deposition (CVD)- based process for synthesizing VAMNs was systematically studied and wafer-scale, high-quality VAMN growth was achieved by investigating the three major material growth parameters (i.e., seeding layer thickness, growth temperature and precursor amount). A microfabrication process to pattern VAMN thin-films was developed and used to batch fabricate VAMN-based FET biosensors. A VAMN thin film is full of active sites on its top surface, which is perfectly suitable for covalently bonding with biomolecules. Benefiting from this advantage, the VAMNs with specific capture probes were functionalized via the thiol-based chemical route for specific biosensing. The uniform and dense biofunctionalization was experimentally demonstrated through various characterization techniques including the atomic force microscopy (AFM) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS). The developed MoS₂ FET biosensor was tested using human serum spiked with prostate-specific antigen (PSA) as the disease model, and a low LOD of 800 fg mL〫〫〫〫⁻¹ was achieved (which is 10 times lower than that of a commercial PSA test kit). The developed FET nano-biosensors hold significant potential for becoming powerful diagnostic tools for in-vitro, point-of-care applications.

Les biocapteurs miniaturisés, ultrasensibles, capables de détecter rapidement les biomarqueurs pathologiques au point de service, possèdent des potentiels significatifs pour servir d'outils diagnostiques puissants et peu coûteux dans les pays développés et en développement. Avec de nombreux avantages apparents, les biocapteurs à base de transistors à effet de champ (FET-biocapteurs) ont émergé comme une plate-forme prometteuse pour réaliser un diagnostic moléculaire rapide et ultrasensible des biomarqueurs. Les biocapteurs FET offrent une réponse rapide, un test sans étiquette, une sensibilité élevée (grâce àla propriété unique du matériau et de la structure du canal FET), une bonne compatibilité avec la fabrication par lots et donc un faible coût unitaire. La nature miniature des biocapteurs FET permet également leur intégration facile dans des dispositifs microfluidiques pour obtenir des avantages supplémentaires tels que des tests multiplexés (détection de plusieurs marqueurs) et moins de consommations d'échantillons/réactifs.

Les efforts de recherche récents sur les biocapteurs FET ont principalement portésur les innovations de deux directions technologiques:​ la structure du dispositif FET et le matériau du canal. Cette thèse, porte sur le développement de deux nouveaux types de biocapteurs FET microfluidiques intégrant 1) des microtubes d'indium-nitrure (InN) enroulés (innovation de structure), et 2) nanocouches MoS₂ à alignement vertical bidimensionnel (VAMN;​ innovation matérielle), respectivement. Pour atteindre ces objectifs, des microtubes SiOₓ/SiNₓ auto-enroulés ont été développés en libérant la bicouche pré-teintée de SiOₓ/SiNₓ de son substrat mère. Le procédé développé est robuste et hautement reproductible, permettant des réseaux de microtubes enroulés à grande échelle et à haut rendement (> 99%, n = 300). En utilisant une bicouche diélectrique SiOₓ/SiNₓ comme véhicule roulant, un film mince semi-conducteur InN a été intégré et fabriqué avec succès un microtube enroulé SiOₓ/SiNₓ/InN. Le microtube SiOₓ/SiNₓ/InN enroulé développé est ensuite utilisé comme canal de biocapteur FET et intégré avec un dispositif microfluidique pour la détection des antigènes du virus de l'immunodéficience humaine (VIH).

Sur le front de l'innovation matérielle des canaux FET, j'ai étudié systématiquement un procédé de dépôt chimique en phase vapeur pour synthétiser les VAMNs, et obtenu une croissance VAMN de grande qualité à l'échelle des wafers en étudiant les trois principaux paramètres de croissance du matériau (couche d'ensemencement), épaisseur, température de croissance et quantité de précurseur). Un procédé de microfabrication pour modéliser des couches minces de VAMN afin de les utiliser pour fabriquer en série des biocapteurs FET basés sur VAMN. Un film mince de VAMN est plein de sites actifs sur sa surface supérieure, ce qui est parfaitement adapté pour une liaison covalente avec des biomolécules et pourrait améliorer de manière significative la sensibilité et la reproductibilité du biocapteur FET. Bénéficiant de cet avantage, VAMNs avec des sondes de capture spécifiques on été fonctionnalisés via la voie chimique à base de thiol pour un biocapteur spécifique. La biofonctionnalisation uniforme et dense a été obtenue expérimentalement, et démontrée par diverses techniques de caractérisation, y compris la microscopie à force atomique (AFM) et la spectroscopie de photoélectrons à rayons X (XPS). Le biocapteur MoS₂ FET développé a été testé en utilisant du sérum humain dopé avec un antigène prostatique spécifique (PSA) comme modèle de maladie, et une LOD basse de 800 fg mL〫〫〫〫⁻¹ a été atteinte (10 fois inférieure à celle d'un test commercial PSA). Nous prévoyons que les nanocapteurs FET développés dans cette recherche présentent un potentiel significatif pour devenir des outils de diagnostic puissants pour des applications in-vitro, sur le lieu de soins.