Polymer microring resonators for optofluidic evanescent field sensors

par Camille Delezoide

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Isabelle Ledoux-Rak.

Le président du jury était Pierre Viktorovitch.

Le jury était composé de Joseph Zyss, Franck Vollmer, Malcolm Buckle, Chi Thanh Nguyen.

Les rapporteurs étaient Henri Benisty, Olivier Parriaux.

  • Titre traduit

    Microrésonateurs en anneaux polymères pours capteurs optofluidiques à champ évanescent


  • Résumé

    La détection optofluidique à champ évanescent, tout particulièrement la biodétection sans marqueur par microrésonateurs optiques, est une technologie émergente faisant l’objet d’une recherche intensive. Dans ce contexte, nous montrons que les microanneaux polymères sont d’excellents transducteurs. Ceci est dû en partie à la facilité et au faible coût de leur fabrication et de leur intégration, mais aussi à leur robustesse. Une méthode rapide, répétable et peu coûteuse a été mise au point pour fabriquer de tels composants, avec de longues durées de vie et des performances représentant l’état de l’art actuel. Un deuxième avantage est l’extrême sensibilité moléculaire en surface. La preuve en est l’obtention d’un signal détectable avec seulement 500 molécules de 5-TAMRA-cadavérine (5-TC, M = 515 g/mol) adsorbées, et ce après un simple traitement UV/ozone. Cependant, les performances des anneaux polymères ne deviennent apparentes qu’une fois le composant couplé à une instrumentation de haute précision. A cet effet, un instrument de mesure fut construit pour mesurer en temps-réel de très faibles variations des résonances optiques en régime optofluidique. Ceci a permit l’observation d’une cinétique d’absorption/désorption de 5-TC sur son antigène. Néanmoins, une réelle détection spécifique ne peut être atteinte qu’avec un instrument multiplexé en transducteurs. Une telle configuration est possible, mais n’a pas encore été développée. Par contre, l’instrument de mesure réalisé peut être utilisé tel quel pour des applications très diverses, de la mesure de coefficients de diffusion à l’étude d’effets thermiques locaux.


  • Résumé

    Optofluidic evanescent field sensing, especially microresonator-based label-free biochemical sensing, is an emerging technology under intensive study. In this context, we demonstrate that polymeric microring resonators are excellent transducers. It is partly due to the simplicity and cost-efficiency of their fabrication and integration, and also to their robustness: a fast, repeatable and low-cost method was developed to fabricate devices with long lifetimes and state-of-the-art performances. A second advantage is the extreme sensitivity achievable to grafted molecules: a detectable signal was obtained with only a few hundreds of 5-TAMRA-cadaverine (5-TC) molecules, relatively small as compared to nucleic acids, antibodies and other biomolecules. The surface immobilization of 5-TC molecules was achieved after a simple and reproducible UV/ozone procedure for surface preparation. However, the qualities of polymer microring resonators only become apparent when coupled to high-precision instrumentation. In that respect, a measuring instrument was built to detect minute and real-time variations of the optical resonances, and thus in an optofluidic regime. The detection of absorption and desorption of 5-TC molecules on a surface functionalized with its antibody was achieved. However, truly specific responses of the instrument would only be achieved in a multiplexed configuration. Such configuration is achievable, but has yet to be developed. Meanwhile, the measuring instrument, as is, can be used for a wide variety of applications, from the measurement of dispersion coefficients to the study of local thermal effects.


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