REALISATION D'UN CAPTEUR OPTOFLUIDIQUE A BASE DE MICRORESONATEURS OPTIQUES EN POLYMERES POUR LA DETECTION SPECIFIQUE ULTRA-SENSIBLE ET RAPIDE D'ESPECES CHIMIQUES ET BIOCHIMIQUES

par Nolwenn-amandine Keriel

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Ngoc Diep Lai et de Chi Thanh Nguyen.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LPQM - Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (laboratoire) , Composants et technologies pour la photonique (equipe de recherche) et de Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    Les besoins de plus en plus grands dans le domaine de la protection de l'environnement et de la santé publique nécessitent la détection spécifique précise et rapide d'espèces chimiques et biochimiques hautement toxiques ou pathogènes. Dans l'environnement, on peut citer entre autres la détection de métaux lourds, du glyphosate, d'insecticides... dans l'eau potable ou dans l'eau de sources naturelles. Dans le domaine biomédical, le diagnostic de maladies pathogéniques comme la tuberculose exigent des moyens de détection précis et rapides pour un meilleur traitement. Dans ce contexte, nous avons conçu et réalisé au LPQM des capteurs optofluidiques à base de microrésonateurs optiques en polymères qui présentent de très hautes performances en termes de détection limite, de spécificité et de rapidité. Le capteur optique à onde évanescente basé sur un microrésonateur optique intégré exploite l'interaction entre cette onde et une couche de molécule cible immobilisée sur la surface du microrésonateur. Cette interaction moléculaire induit un changement de l'indice effectif d'un mode guidé circulant dans le résonateur optique et par conséquent un déphasage de sa réponse optique, qui contient l'information sur l'interaction moléculaire à la surface du microrésonateur. L'interrogation optique du capteur consiste à détecter ce déphasage dans le signal de transduction par une mesure précise et en temps réel du décalage spectral d'une raie de résonance du microrésonateur. Cette mesure nécessite un temps de réponse intrinsèque très court du capteur. Elle permet de déterminer la cinétique de la réaction (bio)chimique sur la surface du microrésonateur. La spécificité de la détection, quant à elle, est assurée par la fonctionnalisation de la surface du microrésonateur avec un ligand récepteur spécifique à l'espèce cible. La distribution et le contrôle de la solution d'analyte en contact avec le capteur sont assurés par un circuit microfluidique adapté et intégré sur le composant optique contenant le microrésonateur. Ce montage forme un capteur optofluidique. Le choix de matériaux organiques pour la réalisation du capteur optofluidique présente des avantages pour la fonctionnalisation de la surface du microrésonateur (possibilité de greffage d'une large gamme de ligands récepteurs), mais aussi pour les technologies de fabrication, ce qui permet un faible coût de production du dispositif. Les capteurs optofluidiques sont adaptés aux instruments d'analyse portatifs ou transportables pour les mesures in-situ dans l'environnement ou dans les cabinets médicaux (point-of-care). Ils peuvent également être associés à un capteur électrochimique sur une plateforme microfluidique commune afin de constituer un capteur multi-modal qui délivre simultanément différents paramètres de mesure sur la même molécule cible. Sur ce montage multimodal, nous travaillons étroitement avec deux équipes de recherche de pointe dans le domaine de l'électrochimie à l'Université Paris Saclay : une équipe du laboratoire C2N et une autre à l'ICMMO. Le sujet de recherche est fortement interdisciplinaire, impliquant la physique, les technologies de l'optique intégrée et de la microfluidique, la chimie, la biochimie et l'instrumentation scientifique. Le (la) candidat(e) à la thèse est appelé(e) à travailler activement sur l'étude et la réalisation du capteur optofluidique en salle blanche, puis sur l'instrumentation pour la caractérisation de ce capteur sur le banc de mesure. Une connaissance théorique préalable par le (la) candidat(e) de l'optique guidée, de la microfluidique et des matériaux polymères est souhaitée. Il (elle) est également appelé(e) à interagir activement avec les chimistes et les biologistes du projet de recherche pour la fonctionnalisation de la surface du microrésonateur et pour l'interprétation des résultats de mesure en mode suivi (monitoring). Un aspect important du développement de ces capteurs réside dans la possibilité de détecter simultanément plusieurs espèces contenues dans la même solution, en élaborant différents microrésonateurs sur le même substrat, chacun d'eux étant fonctionnalisé par une molécule spécifique à une espèce donnée. Au cours de la thèse, ce parallélisme de la détection sera mis en œuvre, via l'élaboration de circuits optiques à résonateurs multiples, ce qui permettrait l'identification rapide et simultanée de plusieurs constituants-cibles d'une solution.

  • Titre traduit

    REALIZATION OF AN OPTOFLUIDIC SENSOR MADE OF POLYMER-BASED OPTICAL MICRORESONATORS FOR A RAPID, SPECIFIC, HIGHLY SENSITIVE DETECTION OF CHEMICAL AND BIOCHEMICAL SPECIES


  • Résumé

    The increasing demand for enhanced environment and health protection requires a rapid and specific detection of highly toxic and pathogenic chemical and biochemical species. For environmental applications, the detection of heavy metals, pesticides or glyphosate in drinking or natural water is highly desirable. In the biomedical domain, the diagnosis of pathogenic diseases such as tuberculosis needs for accurate and rapid detection tools for an improved treatment. In this context, in the LPQM laboratory we have conceived and realised microresonator-based optofluidic sensors, made of polymeric optical waveguides, which display remarkable performances in terms of detection limit, specificity and rapidity. This waveguide sensor, based on an optically integrated microring resonator, exploits the interaction between the evanescent wave and a layer of a target molecule immobilized on the microresonator surface. This molecular interaction induces a modification of the effective refractive index of a waveguided mode circulating inside the microring, and hence a phase change of its optical response, which contains some information about the molecular interaction occurring at the microring external surface. The optical interrogation consist in detecting this phase change of the optical signal by an accurate and real-time measurement of the spectral shift experienced by one microresonator resonance peak. This methods allows for the determination of the (bio)chemical reaction kinetics at the microresonator surface. Such measurements require a short intrinsic response time of the sensor. The detection specificity is ensured using the functionalization of the microresonator surface by a ligand reacting specifically with the target species. The distribution and the control of the analyte solution in contact with the sensor are achieved by a microfluidic circuit integrated on the optical device, resulting in an optofluidic sensor. The choice of organic materials for building this sensor present specific advantages in terms of functionalization of the microresonator surface, with the possibility to graft a wide choice of recognition ligands, and in terms of fabrication technologies allowing a low production cost of the device. Optofluidic devices are adapted to portable or transportable analysis instruments for in situ measurements in environmental studies or medicine (points of care). They can be also associated to an electrochemical sensor on a common microfluidic platform in order to set-up a multi-functional sensor delivering in parallel various measurements parameters on the same target molecules On this topic, the LPQM team collaborates with two research teams of University Paris Saclay, C2N and ICMMO laboratories, respectively. The research topic displays a highly pluridisciplinary character involving, besides physics, integrated optics technology, chemistry, biology and scientific instrumentation. The candidate is expected to work on the design and realization of the optofluidic sensor in a clean room environment, and on the characterization of this sensor using a dedicated optical bench. Fundamental notions in waveguided optics, in microfluidics and in polymeric materials will be appreciated. The applicant will also actively interact with chemists and biologists for the functionalization of the microresonator surface and for the interpretation of measurements results, especially in a continuous monitoring regime. An important aspect of the development of these devices is the possibility to simultaneously detect several target species contained in the same solution, by fabricating different microresonators on the same substrate, each of them being functionalized by a recognition ligand specific to one given analyte molecule. During the thesis, this parallel detection will be implemented via the elaboration of optical circuits with multiple resonators, which will pave the way to a rapid and simultaneous detection of several target constituents of a given solution.