Développement de capteurs à fibre optique basés sur la résonance de plasmon de surface pour la détection physique, chimique et biologique

• Auteur / Autrice : Wenbin Lin
• Direction : Nicole Jaffrezic-Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ingénierie et fonctionnalisation des surfaces (Ecully, Rhône....-2003)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Couches monomoléculaires

Détecteurs à fibres optiques

Résonance plasmonique de surface

Résumé

Il est bien connu que la résonance de plasmon de surface (SPR) d'une onde électromagnétique de surface peut être utilisée en tant que sonde optique sensible à de faibles variations intervenant à l'interface métal/diélectrique. La configuration de Kreschmann basée sur un prisme est traditionnellement employée pour exciter et détecter le phénomène SPR. En 1993, le premier capteur SPR à fibre optique a été réalisé par R. C. Jorgenson et S. S. Yee et a été ensuite commercialisé par la société Biacore (Suède). Le capteur SPR à fibre optique présente un certain nombre d'avantages sur le système Kreschmann tels que sa faible taille, son faible coût et la possibilité de détection déportée. Un capteur SPR à fibre optique multimodale plus simple, utilisant l'injection oblique d'une lumière monochromatique collimatée, a été développé au laboratoire TSI de l'université Jean-Monnet de Saint-Etienne, en 1996. Utilisant l'argent pour induire le phénomène SPR d'une lumière à la longueur d'onde 670 nm, le capteur à fibre optique est un réfractomètre fonctionnant dans la gamme d'indice optique 1,35-1,40. Ce mémoire de thèse est constitué de cinq articles visant à développer ce type de capteur à fibre optique pour les applications physique, chimique et biologique. Le premier article traite de la modification de la gamme d'indice mesurable, afin d'être capable de fonctionner dans des systèmes chimiques et biologiques, dont les indices de réfraction sont compris entre 1,33 et 1,36. Les relations entre les paramètres de structure et de matériau, de la configuration multicouche pour l'excitation du SPR, ont été déduites de la théorie. La technique sol-gel est utilisée pour fabriquer un revêtement d'acétate de zirconium de quelques dizaines de nanomètres. La fiabilité est augmentée par une protection constituée d'une monocouche auto-assemblée de thiol longue chaîne qui empêche l'oxydation de l'argent. Ce premier article a été soumis à la revue Thin Solid Films. Les variations spatiales du vecteur champ électrique au cours de la propagation des rayons non méridiens dans la fibre multimodale sont étudiées dans le second article accepté pour publication dans la revue Sensors and Actuators A. Un modèle 3D précis a été établi permettant d'expliquer le phénomène expérimental observé sur l'influence de la direction de polarisation de la lumière incidente par rapport à la face d'entrée de la fibre. Les signaux du capteur provenant de l'adsorption d'une très fine couche diélectrique sur la surface du métal ou d'une très faible variation de l'indice de réfraction dans le milieu de mesure peuvent alors être interprétés quantitativement. L'article suivant, accepté pour publication à la revue Applied Optics, propose une méthode directe pour déterminer l'épaisseur et les constantes optiques d'un film mince de métal déposé sur le cœur de la fibre, par simple mesure de la réponse du capteur à fibre optique. L'intérêt de ce travail vient des difficultés rencontrées dans la caractérisation des films métalliques avec des surfaces courbes en utilisant des techniques optiques conventionnelles telles que la réflectométrie et l'ellipsométrie. Un nouveau moyen optique capable de suivre in-situ la formation d'une monocouche auto-assemblée d'alkylthiol est présenté dans le quatrième article, soumis au Journal of Chemical Physics. L'application de la technique SPR à fibre optique pour étudier les monocouches auto-assemblées, l'observation directe et la description du phénomène d'inclinaison des chaînes lors de l'auto-assemblage de la monocouche d'alkylthiol, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté auparavant dans la littérature. La bonne sensibilité observée montre que notre approche du système à fibre optique est plus adaptée que l'ellipsométrie et que le système SPR à prisme pour suivre les variations sur la totalité d'un film diélectrique. Le dernier article, soumis au Japanese Journal of Applied Physics, est consacré au développement d'un biocapteur basé sur le système à fibre optique pour suivre des interactions entre biomolécules. Avec une très simple configuration, cet immunocapteur a montré de bonnes performances en sensibilité et en spécificité, comparé à l'appareil commercialisé par Biacore qui est beaucoup plus complexe et cher. Ce travail constitue un excellent départ vers le développement d'une immunosonde pour des immunoessais sans marqueur. Ces cinq articles sont indépendants mais complémentaires l'un de l'autre. Les conditions pour lesquelles le SPR peut être excité sur une géométrie multicouche, obtenues dans le premier article, fournissent une base théorique pour le choix de la longueur d'onde de la lumière ou pour la gamme d'indice du milieu environnant lorsque l'or est utilisé et se retrouve dans les autres articles. Les études du modèle 3D précis, présenté dans le second article, pour simuler les performances des capteurs à fibre optique, permettent ensuite de caractériser le film métallique (dans le troisième article), la couche chimique adsorbée (dans le quatrième article) et les couches biomoléculaires (dans le cinquième article). De plus, la mesure des propriétés du film métallique dans le troisième article, permet de détecter avec succès, la monocouche auto-assemblée d'alkylthiol adsorbée sur la surface du métal (en référence au quatrième article). Les déterminations des caractéristiques du film d'or et de la couche de thiol sont nécessaires pour caractériser le film d'anticorps et la couche d'anticorps-antigène après la réaction d'affinité. Un biocapteur basé sur un système SPR à fibre optique a donc été réalisé et est présenté dans le cinquième article. Ce biocapteur a été conçu, élaboré et caractérisé couche par couche.

It is well known that surface plasmon resonance (SPR) of the surface electromagnetic wave can be used as a sensitive optical probe to the slight variations occurring in the proximity of the metal/dielectric interface. The prism-based Kretschmann configuration is traditionally employed to excite and detect the SPR. In 1993, the first fiber-optic based SPR sensor was realized by R. C. Jorgenson and S. S. Yee and then commercialized by Biacore Company (Sweden). The SPR fiber-optic sensor offers a number of advantages such as small size, low cost and feasibility in remote sensing over the bulk Kretschmann System. A simpler SPR multimode fiber-optic sensor using oblique injection of the collimated monochromatic light has been developed at the TSI laboratory, Jean Monnet University in Saint-Etienne, France since 1996. Using silver to support SPR at the light wavelength of 670nm, this fiber-optic sensor was characterized as a refractometer operating in the index range of 1. 35-1. 40. This dissertation consists of five articles aimed to develop this kind of fiber-optic sensor for physical, chemical and biological applications. The first article is devoted to drop down the range of measurable indices in order to be capable of performing in most practical chemical and biochemical Systems whose refractive indices are 1. 33-1. 36. The relations between the structural and material parameters of the multilayered configuration for the excitation of SPR at certain wavelength have been theoretically derived. Sol-gel technique is applied to fabricate the Zirconium acetate overlay as thin as some ten nanometers. The reliability is improved by preventing the oxidation of silver using a self-assembled monolayer (SAM) of long chain acid thiol. This article has been submitted to Thin Solid Films. Accepted by Sensors & Actuators A, the spatial variations of the electric field vector during the propagation of the skew rays in the multimode fiber are investigated in the second article. An accurate 3D model has been established so that the experimental phenomena, which first demonstrate the influences of the polarization direction of the incident light with respect to the input end face of the fiber, can be consistently explained. The sensing signals coming from such as the adsorption of a very thin dielectric layer on metal surface or the slight variation of the refractive index in the monitored bulk medium are ready to be quantitatively interpreted. Next article, accepted for publication by Applied Optics, proposes a direct method to determine the thickness and the optical constants of the thin metal films deposited on the surface of the fiber core by simple measurements of fiber-optic SPR responses. The significance of this work cornes from the difficulties in characterizing the metal films with curved surfaces by using the conventional optical techniques such as reflectometry and ellipsometry. A novel optical means capable of monitoring the formation process of the alkylthiol SAM is presented in the fourth article, submitted to Journal of Chemical Physics. The application of the fiber-optic SPR technique to study SAMs and the direct observation and description of the tilting process during the self-assembly of alkylthiol, to our knowledge, have never been reported before in the literature. The rather high sensitivity proves that our fiber-optic approach is more adapted than ellipsometry and the prism-based SPR System to monitor the variations over entire investigated dielectric film. Last article, submitted to Japanese Journal of Applied Physics, is dedicated to develop a biosensor based on this fiber-optic arrangement to monitor the biomolecular interaction. With very simple configuration, this immunosensor has manifested good performances in both sensitivity and specificity compared to the commercialized BIACORE Probe that is much more complex and expensive. This work makes a starting progress towards the development of a portable immunoprobe for non-labeling immunoassay. These five articles are independent as well as supplementary each other. The conditions on which the SPR can be excited in a multilayered geometry, obtained in the first article, provide a theoretical basis for the choice of light wavelength or the index range of environment medium while metal gold is used as it can be seen in other articles. The studies of the accurate 3D model in the second article for simulating the performances of the fiber-optic sensors enable to characterize afterwards the metal film (in the third article), the chemical adsorbed layer (in the fourth article) and the functional biomolecular layers (in the 5th article). Moreover, the successful measurement of the metallic film properties in the third article ensures the success in the detection of the alkylthiol SAM, which is adsorbed on the metal surface (referred to the fourth article). Furthermore, the determinations of the gold film and the thiol layer are necessary for characterizing the antibody film and the antibody-antigen-binding layer after the affinity reaction. As a result, a new SPR multimode fiber-optic biosensor has been realized and reported in the 5th article. This biosensor has been well designed, elaborated and characterized at the level of its each layer.