Capteur à fibre optique basé sur le principe de résonance de plasmons de surface : optimisation pour la détection d'espèces chimiques

par Karla Balaa

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Guy Louarn et de Tiberiu Minea.


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’inscrit dans la recherche et le développement de capteurs chimiques. Il est motivé par un besoin toujours croissant d’outils de détection dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité et l’environnement. Nous présentons l’étude de capteurs fondés sur le principe de résonance plasmons de surface - SPR. L’intérêt de ce type de capteurs est principalement lié à leur grande sensibilité, leur réponse rapide en temps réel et leur grande précision sans l’utilisation de marqueurs. L’originalité de notre approche est l’utilisation de fibres optiques. Celles-ci offrent de nouveaux attraits tels la simplification de l’instrumentation et sa miniaturisation. Dans une première partie, nous présentons une revue théorique sur les plasmons de surface à l’interface métal – diélectrique. Nous présentons ensuite une étude expérimentale en deux parties : la première décrit la réalisation et la caractérisation des capteurs SPR à fibre optique, la seconde présente l’analyse de la réponse SPR des transducteurs ainsi réalisés. En particulier nous avons caractérisé par des études systématiques l’influence de paramètres physiques importants liés au métal, à la fibre optique et au traitement de surface de la partie sensible par le greffage d’une couche de thiols. Enfin, nous proposons une étude numérique simulant la réponse du capteur en fonction de différents stimuli. Ce modèle, basée sur le calcul de la réflectance de la lumière à l’interface d’un ensemble multicouches nous a permis de valider l’étude expérimentale et d’étendre les recherches en prenant en compte différent type de molécules cibles. En particulier, nous présentons des résultats sur des molécules absorbants ou non absorbants, greffées ou non à la surface du transducteur. Une comparaison entre résultats expérimentaux et simulations numériques valide l’ensemble du travail et nous permet finalement de proposer une configuration optimisée du capteur, en fonction de la nature de la couche métallique et de la fibre optique, ainsi que des molécules cibles à détecter.

  • Titre traduit

    Fiber optic sensor based on surface plasmons resonance : optization of chemical detection


  • Résumé

    Surface plasmon resonance (SPR) has been effectively used in recent years for creating highly sensitive sensors required in various fields such as health, security, and the environment. The aim of this work is to investigate sensors based on SPR. They are very attractive due to their advantages such as high accuracy and real time monitoring. The novelty of this work is the use of optical fibers to build SPR sensors, and then adding new features such as device miniaturisation and remote control of the measurements. The manuscript starts with a review of the theoretical treatment of surface plasmons. It continues with the presentation of the experimental set-up and details the process used for sensor manufacturing. It follows the experimental characterization of the SPR response for the resultant sensors. In particular, we have analyzed the effect of the ultra-thin metal film, the fiber properties and the monolayer of thiols on the sensor sensitivity. The last section is dedicated to the numerical modelling of the sensor’s response for both absorbing and non-absorbing media. This numerical study evaluates the effects of several other parameters on the sensor response, such as the effect of the thiol monolayer’s refractive index on the SPR or kinetic studies of the absorbed organic materials (mass detection). From these numerical simulations, we demonstrate that the SPR theoretical curves agree well with experiment. The direct comparison between numerical and experimental results is used to optimize the physical parameters for the metal film and optical fiber characteristics.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 152-153. Index

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