Conception, fabrication et caractérisation d'un biocapteur SPR à base de guides d'ondes photoniques sur substrat de verre

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés.

Abstract : In spite of the growing number of available biosensors, many biochemical reactions and biological components have not yet been studied in detail. Among them, some require the combination of several detection techniques in order to retrieve enough information to characterize them fully. An unknown reaction based, for example, on DNA hybridization could be characterized with an electrochemical sensor, a mechanical sensor and an optical sensor, each giving a different type of information. The main objective of the work presented here is to design, fabricate and characterize a flexible integrated optical biosensor based on surface plasmon resonance, intended to be then combined with other detection techniques, and in particular, a microcalorimeter. Surface Plasmon Resonance (SPR) is well known to be a sensitive technique for surface-based biochemical detection. It has the advantage to be an unlabeled method and provides real time information on the kinetics of a reaction. The flexibility of the proposed SPR biosensor comes from the fact that it is designed for a large range of analyte refractive indices, from 1.33 to 1.48. These values are suitable for most biological entities and their ligand layers, and especially for hydrophilic polymer matrices used to trap DNA or protein entities and introduced in this work. As several biochemical studies require the simultaneous comparison of measurements to a reference or to another measurement, the second objective of this project is to study the potential of multi-analyte detection in an integrated SPR device on glass. The first three chapters of the thesis are focused on the main objective. The design based on two different models is presented, at the same time as the related simulation tools. The first model is based on the weak coupling approximation and permits to obtain most of the information for the device’s design. The second model, having no approximation, is used to validate the first model and complete and refine the design. The fabrication process of the glass chip is then introduced, as well as the characterization instruments and protocols. A device is obtained, with a volumetric sensitivity between 1000 nm/RIU and 6000 nm/RIU depending on the analyte refractive index. The 3D integration of the waveguide within the glass substrate makes the device extremely compact and adapted to the integration with the microcalorimeter in particular. The last chapter describes the study of several spectral multiplexing techniques adapted to an integrated SPR system using the glass technology. The goal is to provide at least two simultaneous measurements. Several detection techniques are examined and the related devices are designed, fabricated and characterized.