Smart plasmonic Lab-On-a-Chip System for DNA-based biosensing

par Tzu-Heng Wu

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie

Sous la direction de Aurélien Bruyant et de Chii-Wann Lin.

Soutenue le 20-03-2017

à Troyes en cotutelle avec National Taiwan University (Taipei) , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) , en partenariat avec Institut Charles Delaunay / ICD (laboratoire) .

Le président du jury était Wen-Pin Shih.

Le jury était composé de Aurélien Bruyant, Chii-Wann Lin, Wen-Pin Shih, Chia-Fu Chou, Eric Finot.

Les rapporteurs étaient Chia-Fu Chou, Eric Finot.

  • Titre traduit

    Bio-détection plasmonique à ADN sur laboratoire sur puce


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons à la problématique de l’intégration de capteurs plasmoniques performants et bas coût sur des dispositifs de type smartphone, en vue d’applications de diagnostic biomédical. A cette fin, nous proposons deux biocapteurs « smart ». Premièrement, un système de détection colorimétrique à base de nanoparticules d’or est mis en œuvre pour détecter de l’ADN. Le système intègre une détection synchrone logicielle mise en œuvre au sein du smartphone, où les signaux physiques transitent par la voie audio. Le processus de diagnostic prend moins de 15 minutes pour une limite de détection de 0.77 nM, approximativement 6 fois meilleure que la sensibilité usuelle d’un spectromètre UV-Vis conventionnel, à temps de mesure identique. Dans une seconde partie, un capteur à résonance plasmon de surface en configuration de Kretschmann, se distinguant par une sensibilité à la phase optique, est développé. Le design monolithique et compact repose sur un interféromètre à dédoublement latéral et une modulation de phase. Le contrôle et la lecture du prototype s’effectue également par smartphone. La modulation de phase est de type sinusoïdale et une sensibilité importante est obtenue, autour de 2,3 10-6 RIU avec une dynamique de 7 10-3 RIU, chiffres obtenus pour une puce optique standard et un temps d’intégration de 100 ms. Ce second dispositif est ensuite testé pour la détection de protéines (Troponine I cardiaque), en fonctionnalisant la surface par ADN Tro4


  • Résumé

    In this thesis, we investigate the possibility and potential for integration of portable optical biosensor for diagnostic purposes. To this end, we propose two “smart” biosensor systems. In the first part of this thesis, a DNA biosensor combining single-wavelength colorimetry and digital Lock-in Amplifier within a smartphone is proposed. Utilizing full advantage of audio channel and digital signal processing capacity of a smartphone, we have built a handheld DNA AuNp colorimetry biosensor. Based on the results, the diagnostic process takes only 15 minutes of reaction time while offering a limit of detection around 0.77 nM which is 6 times better than a desktop UV-Vis spectrometer.In second part of the thesis, a Shearing interferometer based Surface Plasmon Resonance (SiSPR) biosensor is proposed. SiSPR allows for phase sensitive detection on conventional Kretschmann configuration. Its monolithic design reduces optical parts, costs and allows portable application. The essence of SiSPR is a reflective layer in addition to plasmonic layer. To extract phase information from SiSPR, a sinusoidal phase modulation is achieved by modulation of the laser injection current. For a 100 ms measurement and a standard optical chip, the sensitivity of the SiSPR is around 2.3x10-6 RIU with a dynamic range of 7.0x10-3 RIU, which is better than amplitude SPR devices. Finally, Tro4 DNA surface modification on the SiSPR chip is demonstrated for future cardiac Troponin I diagnostic


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