Développement de capteurs à fibre optique basés sur la résonance de plasmon de surface pour la détection physique, chimique et biologique

par Wenbin Lin

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Nicole Jaffrezic-Renault.

Soutenue en 2000

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Il est bien connu que la résonance de plasmon de surface (SPR) d'une onde électromagnétique de surface peut être utilisée en tant que sonde optique sensible à de faibles variations intervenant à l'interface métal/diélectrique. La configuration de Kreschmann basée sur un prisme est traditionnellement employée pour exciter et détecter le phénomène SPR. En 1993, le premier capteur SPR à fibre optique a été réalisé par R. C. Jorgenson et S. S. Yee et a été ensuite commercialisé par la société Biacore (Suède). Le capteur SPR à fibre optique présente un certain nombre d'avantages sur le système Kreschmann tels que sa faible taille, son faible coût et la possibilité de détection déportée. Un capteur SPR à fibre optique multimodale plus simple, utilisant l'injection oblique d'une lumière monochromatique collimatée, a été développé au laboratoire TSI de l'université Jean-Monnet de Saint-Etienne, en 1996. Utilisant l'argent pour induire le phénomène SPR d'une lumière à la longueur d'onde 670 nm, le capteur à fibre optique est un réfractomètre fonctionnant dans la gamme d'indice optique 1,35-1,40. Ce mémoire de thèse est constitué de cinq articles visant à développer ce type de capteur à fibre optique pour les applications physique, chimique et biologique. Le premier article traite de la modification de la gamme d'indice mesurable, afin d'être capable de fonctionner dans des systèmes chimiques et biologiques, dont les indices de réfraction sont compris entre 1,33 et 1,36. Les relations entre les paramètres de structure et de matériau, de la configuration multicouche pour l'excitation du SPR, ont été déduites de la théorie. La technique sol-gel est utilisée pour fabriquer un revêtement d'acétate de zirconium de quelques dizaines de nanomètres. La fiabilité est augmentée par une protection constituée d'une monocouche auto-assemblée de thiol longue chaîne qui empêche l'oxydation de l'argent. Ce premier article a été soumis à la revue Thin Solid Films. Les variations spatiales du vecteur champ électrique au cours de la propagation des rayons non méridiens dans la fibre multimodale sont étudiées dans le second article accepté pour publication dans la revue Sensors and Actuators A. Un modèle 3D précis a été établi permettant d'expliquer le phénomène expérimental observé sur l'influence de la direction de polarisation de la lumière incidente par rapport à la face d'entrée de la fibre. Les signaux du capteur provenant de l'adsorption d'une très fine couche diélectrique sur la surface du métal ou d'une très faible variation de l'indice de réfraction dans le milieu de mesure peuvent alors être interprétés quantitativement. L'article suivant, accepté pour publication à la revue Applied Optics, propose une méthode directe pour déterminer l'épaisseur et les constantes optiques d'un film mince de métal déposé sur le cœur de la fibre, par simple mesure de la réponse du capteur à fibre optique. L'intérêt de ce travail vient des difficultés rencontrées dans la caractérisation des films métalliques avec des surfaces courbes en utilisant des techniques optiques conventionnelles telles que la réflectométrie et l'ellipsométrie. Un nouveau moyen optique capable de suivre in-situ la formation d'une monocouche auto-assemblée d'alkylthiol est présenté dans le quatrième article, soumis au Journal of Chemical Physics. L'application de la technique SPR à fibre optique pour étudier les monocouches auto-assemblées, l'observation directe et la description du phénomène d'inclinaison des chaînes lors de l'auto-assemblage de la monocouche d'alkylthiol, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté auparavant dans la littérature. La bonne sensibilité observée montre que notre approche du système à fibre optique est plus adaptée que l'ellipsométrie et que le système SPR à prisme pour suivre les variations sur la totalité d'un film diélectrique. Le dernier article, soumis au Japanese Journal of Applied Physics, est consacré au développement d'un biocapteur basé sur le système à fibre optique pour suivre des interactions entre biomolécules. Avec une très simple configuration, cet immunocapteur a montré de bonnes performances en sensibilité et en spécificité, comparé à l'appareil commercialisé par Biacore qui est beaucoup plus complexe et cher. Ce travail constitue un excellent départ vers le développement d'une immunosonde pour des immunoessais sans marqueur. Ces cinq articles sont indépendants mais complémentaires l'un de l'autre. Les conditions pour lesquelles le SPR peut être excité sur une géométrie multicouche, obtenues dans le premier article, fournissent une base théorique pour le choix de la longueur d'onde de la lumière ou pour la gamme d'indice du milieu environnant lorsque l'or est utilisé et se retrouve dans les autres articles. Les études du modèle 3D précis, présenté dans le second article, pour simuler les performances des capteurs à fibre optique, permettent ensuite de caractériser le film métallique (dans le troisième article), la couche chimique adsorbée (dans le quatrième article) et les couches biomoléculaires (dans le cinquième article). De plus, la mesure des propriétés du film métallique dans le troisième article, permet de détecter avec succès, la monocouche auto-assemblée d'alkylthiol adsorbée sur la surface du métal (en référence au quatrième article). Les déterminations des caractéristiques du film d'or et de la couche de thiol sont nécessaires pour caractériser le film d'anticorps et la couche d'anticorps-antigène après la réaction d'affinité. Un biocapteur basé sur un système SPR à fibre optique a donc été réalisé et est présenté dans le cinquième article. Ce biocapteur a été conçu, élaboré et caractérisé couche par couche.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (87 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 21 ref.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T1831
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  • Cote : T1831 mag
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