Design and manufacturing of sensors and of their interrogation technique for applications in the health and environmental sectors

Le résumé fourni par la source

Le besoin croissant de biocapteurs optiques compacts, sélectifs, ultrasensibles, rapides et bas coût dans les domaines médical et environnemental a engendré une émergence de solutions technologiques, notamment les capteurs à bases de microrésonateurs optiques. Ces types de biocapteurs sont capables de fournir une détection sélective de très faibles concentrations de biomolécules si leurs surfaces sont fonctionnalisées. En revanche, les deux méthodes optiques d'interrogation actuelles, balayage spectral et variation de l’intensité, ne peuvent ni fournir la sensibilité de la phase du signal optique propagé dans le capteur, ni les paramètres opto-géométriques (perte par propagation, l'indice effectif, coefficient de couplage, etc) nécessaires pour une modélisation de la réponse du capteur. Pour accéder à ces informations, nous avons proposé d’utiliser l'interféromètre optique à faible cohérence sensible à la phase comme une technique alternative d’interrogation et de caractérisation de microrésonateurs. La première partie des travaux de cette thèse est consacrée à l’étude de conception et de réalisation de microrésonateurs monomodes possédant un facteur de qualité supérieur à 20000 dans l'eau. Cette étude a été validée par la réalisation technologique, à l'aide des procédés de photolithographie classique et de gravure sèche au plasma d'oxygène, de microrésonateurs polymères possédant des facteurs de qualité allant jusqu'à 38 200. La deuxième partie des travaux de thèse est dédiée à l'adaptation du dispositif PS-OLCI, initialement développé au Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) pour interroger les composants des télécommunications optiques, pour la caractérisation de microrésonateurs optiques. Les résultats obtenus en évaluant les performances spatiales et spectrales de différents microrésonateurs ont montré que le dispositif PS-OLCI n'est pas seulement un outil d'interrogation et de caractérisation mais aussi un véritable outil d’aide à la conception de microrésonateurs optiques. Une modélisation, validée par l'ajustement des mesures expérimentales, de la réponse PS-OLCI d'un microrésonateur, met en évidence la relation existant entre l'interférogramme et les intégrales de Fresnel. La dernière partie de nos travaux concerne l'association du dispositif PS-OLCI et d’un composant optofluidique, constitué de microrésonateurs et d’un circuit microfluidique en polymères, pour la détection d’espèces biologiques. A cet effet, la molécule de glucose a été choisie pour démontrer la détection homogène ou volumique en solution aqueuse en obtenant respectivement les limites de détection de l'ordre de 50 µg/ml et de 2 µg/ml en exploitant l’intensité ou la phase des mesures PS-OLCI. Ces performances démontrent la capacité de notre capteur à déceler des biomolécules en faible concentration ainsi que la pertinence de la mesure de la phase, d'où l'intérêt du dispositif PS-OLCI. Pour remédier au problème de sélectivité du capteur en détection homogène, la méthode de détection surfacique est utilisée. La problématique de chimie de surface des polymères, c'est à dire la fonctionnalisation des surfaces des guides polymères en vue d’une détection surfacique, a d'abord été effectuée. Les limites de détection obtenues en détection surfacique sont ensuite évaluées à leur tour pour différents types de molécules particulièrement les protéines telles que la streptavidine ou la biotine. Les performances de détection de streptavidine obtenues sont au moins 10 fois meilleures que celles obtenues à l’aide de la technique de Résonance de Plasmons de Surface considérée à ce jour comme la technique de référence en biodétection sans marqueur. Ces premiers résultats, présentant des marges importantes d’amélioration, contribuent à démontrer que les capteurs à base de microrésonateurs optiques sont des candidats potentiels très prometteurs pour la détection de très faibles concentrations de biomolécules pour l’analyse biochimique.

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.