Synthesis, Modification, and Application of Siloxane Materials for Environmental Sensing

As human populations and resource consumption increase, it is increasingly important to monitor the quality of our environment. While laboratory instruments offer useful information, portable, easy to use sensors would allow environmental analysis to occur on-site, at lower cost, and with minimal operator training. We explore the synthesis, modification, and applications of modified polysiloxane in environmental sensing. Multiple methods of producing modified siloxanes were investigated. Oligomers were formed by using functionalized monomers, producing siloxane materials containing silicon hydride, methyl, and phenyl side chains. Silicon hydride-functionalized oligomers were further modified by hydrosilylation to incorporate methyl ester and naphthyl side chains. Modifications to the siloxane materials were also carried out using post-curing treatments. Methyl ester-functionalized siloxane was incorporated into the surface of a cured poly(dimethylsiloxane) film by siloxane equilibration. The materials containing methyl esters were hydrolyzed to reveal carboxylic acids, which could later be used for covalent protein immobilization. Finally, the siloxane surfaces were modified to incorporate antibodies by covalent, affinity, and adsorption-based attachment. These modifications were characterized by a variety of methods, including contact angle, attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, dye labels, and 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy. The modified siloxane materials were employed in a variety of sensing schemes. Volatile organic compounds were detected using methyl, phenyl, and naphthyl-functionalized materials on a Fabry-Perot interferometer and a refractometer. The Fabry-Perot interferometer was found to detect the analytes upon siloxane extraction by deformation of the Bragg reflectors. The refractometer was used to determine that naphthyl-functionalized siloxanes had elevated refractive indices, rendering these materials more sensitive to some analytes. Antibody-modified siloxanes were used to detect biological analytes through a solid phase microextraction-mediated enzyme linked immunosorbent assay (SPME ELISA). The SPME ELISA was found to have higher analyte sensitivity compared to a conventional ELISA system. The detection scheme was used to detect Escherichia coli at 8500 CFU/mL. These results demonstrate the variety of methods that can be used to modify siloxanes and the wide range of applications of modified siloxanes has been demonstrated through chemical and biological sensing schemes.

Chemical Sensor Based on a Long-Period Fibre Grating Modified by a Functionalized Polydimethylsiloxane Coating

A chemical sensor based on a coated long-period grating has been prepared and characterized. Designer coatings based on polydimethylsiloxane were prepared by the incorporation of diphenylsiloxane and titanium cross-linker in order to provide enhanced sensitivity for a variety of key environmental pollutants and optimal refractive index of the coating. Upon microextraction of the analyte into the polymer matrix, an increase in the refractive index of the coating resulted in a change in the attenuation spectrum of the long-period grating. The grating was interrogated using ring-down detection as a means to amplify the optical loss and to gain stability against misalignment and power fluctuations. Chemical differentiation of cyclohexane and xylene was achieved and a detection limit of 300 ppm of xylene vapour was realized.

Electric Field Effects on Graphene Materials

Understanding the effect of electric fields on the physical and chemical properties of two-dimensional (2D) nanostructures is instrumental in the design of novel electronic and optoelectronic devices. Several of those properties are characterized in terms of the dielectric constant which play an important role on capacitance, conductivity, screening, dielectric losses and refractive index. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations including van der Waals interactions on two types of layered materials of similar two-dimensional molecular geometry but remarkably different electronic structures, that is, graphene and molybdenum disulphide (MoS2). We focus on such two-dimensional crystals because of they complementary physical and chemical properties, and the appealing interest to incorporate them in the next generation of electronic and optoelectronic devices. We predict that the effective dielectric constant (ε) of few-layer graphene and MoS2 is tunable by external electric fields (E ext). We show that at low fields (E ext < 0.01 V/Å) ε assumes a nearly constant value ∼4 for both materials, but increases at higher fields to values that depend on the layer thickness. The thicker the structure the stronger is the modulation of ε with the electric field. Increasing of the external field perpendicular to the layer surface above a critical value can drive the systems to an unstable state where the layers are weakly coupled and can be easily separated. The observed dependence of ε on the external field is due to charge polarization driven by the bias, which show several similar characteristics despite of the layer considered. All these results provide key information about control and understanding of the screening properties in two-dimensional crystals beyond graphene and MoS2

Diffusion de la lumière dans les milieux complexes à base de cristaux liquides

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d’orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée.

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.