Heavy metal ion sensors based on organic microcavity lasers

par Sergii Lozenko

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Joseph Zyss.

Le jury était composé de Étienne Gaviot, Werner J. Blau, Isabelle Leray, Mélanie Lebental.

Les rapporteurs étaient Yong Chen, Henri Benisty.

  • Titre traduit

    Capteur d'ions lourds métalliques à base de micro-lasers organiques


  • Résumé

    Le contrôle des polluants environnementaux présents à faible concentration a conduit à la création de détecteurs miniaturisés, à bas coûts et ultra-sensibles, capables d’identifier spécifiquement certaines substances. Dans cette thèse, la méthode de détection explorée repose sur la sensibilité de micro-lasers polymères à une variation d’indice de réfraction. Cette approche a été mise en application pour détecter des métaux lourds (mercure – Hg2+, cadmium – Cd2+ et plomb – Pb2+) dans l’eau potable. En effet les fréquences de résonance de ces micro-cavités sont particulièrement sensibles à l’indice de réfraction du milieu extérieur et se déplacent lorsque celui-ci est modifié. Ce système permet ainsi une détection sans marqueur (« label ») en recouvrant la cavité d’une couche de reconnaissance spécifique de l’espèce recherchée. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation de micro-cavités actives, ou micro-lasers, fabriquées avec des polymères dopés par des colorants lasers. En effet les micro-lasers permettent d’augmenter le rapport signal/bruit et de profiter de pics de résonance étroits, même pour des facteurs de qualité de l’ordre de quelques milliers seulement. Le choix de matériaux organiques comme milieu à gain a été dicté par les nombreux avantages qu’ils offrent. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques, les polymères peuvent être fonctionnalisés de manière relativement aisée et l’utilisation de matériaux poreux devrait augmenter la sensibilité en faisant circuler le fluide à tester à l’intérieur même du résonateur. De plus le protocole de fabrication des micro-lasers organiques reste d’un coût modéré et permet une intégration aisée en micro-fluidique. Deux voies différentes ont été explorées dans cette thèse : détection d’une variation d’indice de réfraction avec des cavités non-fonctionnalisées et détection d’ions lourds avec des cavités fonctionnalisées. Dans le premier cas, la sensibilité obtenue est comparable à ce qui est publié pour des micro-résonateurs passifs. Dans le second cas, nous avons réussi à mettre en évidence la présence d’ions mercure jusqu’à 10-6 M. Quelques approches ont été envisagées pour diminuer encore le seuil de détection dont certaines ont été vérifiées expérimentalement. Ainsi, cette étude propose un prototype de composant sur puce pour la détection d’espèces chimiques ou biologiques.


  • Résumé

    Monitoring of environmental pollutants present at low concentrations requires creation of miniature, low-cost, and highly sensitive detectors that are capable to specifically identify target substances. In this thesis, a detection approach based on refractive index sensing with polymer micro-lasers is proposed and its application to the detection of heavy metal pollutants in water (mercury – Hg2+, cadmium – Cd2+ and lead – Pb2+) is studied. The resonance frequencies of the microcavity are highly sensitive to the refractive indices of the resonator surrounding: the resonances shift by a small amount when the surface refractive index changes, resulting from the interaction of the mode evanescent field with the surrounding medium. This permits label-free detection by coating the resonator with a suitable recognition species. The originality of this work lies in the utilization of active microcavities, or microlasers, created of the dye-doped polymers. Active microcavities offer an enhanced signal/noise ratio as compared to the passive ones and very narrow resonance peaks even at moderate quality factors (Q ≥- 6000). The choice of polymers as an active medium is connected with a number of advantages they offer: as opposite to semiconductors, polymers can be easily functionalized, integrated in microfluidic circuits and are cheaper in processing. Moreover, the use of porous polymer matrices may allow accumulation of analyte ions inside the microcavity and thus enhance the sensitivity. Two possible applications of microlasers are investigated in the thesis: refractive index variation sensing with non-functionalized cavities and heavy metal ion detection with functionalized cavities. In the first case, the sensitivity values have been obtained, comparable with the reported in literature for planar passive microresonators. In the second case, the experimental proofs of specific detection of mercury ions in liquid are presented. The ways of sensitivity improvement are discussed and verified and a foundation is layed for the creation of integrated Lab-on-Chip microfluidic biochemical detector.


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