Recherche Avancée

Thèse soutenue

Étude et réalisation de nanostructures photoniques à base de silicium poreux chimiquement fonctionnalisé en vue d'une application biocapteur

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Auteur / Autrice : Mohamed Dribek
Direction : Mohamed Lazhar Haji
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance en 2011
Etablissement(s) : Rennes 1

Résumé

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Dans l’objectif de développer une nouvelle activité dans le domaine des biocapteurs, nous avons  mené  les  travaux  de  cette  thèse  qui  portent  sur  la  conception  et  la  réalisation  de nanostructures photoniques à base de silicium poreux fonctionnalisé pour la détection du glucagon.   Afin  d’exploiter  une  transduction  optique  liée  aux  propriétés  intrinsèques  du silicium poreux et une bioréception immunologique basée sur l’affinité entre le glucagon et les anticorps monoclonaux spécifiques (Ac.  Anti‐glucagon de type IgG 1 ), nous avons réalisé une étude sur les conditions expérimentales d’élaboration de silicium poreux pour la mise en œuvre d'un protocole chimique permettant sa biofonctionnalisation.  Nous avons aussi mis  en  place  les  outils  nécessaires  pour  le  suivi  des  étapes  de  fonctionnalisation  de  silicium poreux et préparé des structures photoniques multicouches fonctionnalisées. En effet, après avoir effectué une étude bibliographique sur les biocapteurs en général et les dispositifs  optiques  en  particulier,  nous  avons  opté  pour  une  approche  fondée  sur l’utilisation d’une microcavité à miroir de Bragg dont la longueur d’onde de résonance est déplacée  par  la  modification  de  son  indice  de  réfraction  due  à  la  présence  de  l’espèce biologique  à  détecter.   Pour  cela  nous  avons  tout d'abord développé un programme de simulation de spectres de réflectances de structures optiques à base de silicium poreux.  Ce programme calcule la réflectance d’une structure poreuse monocouche ou multicouche en appliquant le formalisme des matrices de transfert et ce à partir des indices de réfraction calculés  à  partir  de  la  composition  des  milieux  effectifs  constitués  par  le  silicium  poreux (dont  la  porosité  est  modulée)  remplis  par l'espèce biologique étudiée.  Cet outil nous a permis dans un premier temps de prévoir l'influence des paramètres structuraux, tels que le diamètre moyen des pores et la porosité, sur la sensibilité de la réponse spectrale  de structures monocouches et multicouches (miroir de Bragg et microcavité) dans le suivi de la biofonctionnalisation de ces structures.   Dans un deuxième temps,  nous  avons  simulé  la  réflectance  des  monocouches de silicium poreux que nous avons élaborées par anodisation électrochimique afin de déterminer leur porosité.   La  caractérisation  structurale  de  ces  monocouches  a  été  complétée  par  des observations  au  microscope  électronique  à  balayage  (MEB).   La  fonctionnalisation  de  ces couches de silicium poreux selon un procédé chimique comportant une étape de silanisation suivie  par  une  réaction  de  couplage  aldéhyde  et  le  greffage  d’éléments  immunologiques (anticorps‐antiglucagon) a été contrôlée par réflectométrie et spectroscopie RAMAN.  Nous avons ainsi pu d’une part, vérifier la fixation des anticorps anti‐glucagon en volume d’une couche  de  silicium    poreux  de  forte  porosité  (~  90%)  et  d’autre  part  estimer  le  taux  de recouvrement  de  la  surface  poreuse  par  ces  biorécépteurs  (0. 4x10 12   molécules  d’IgG par cm²)  (figure  a). Nous  avons  par  la  suite  appliqué  ce  procédé  de  biofonctionnalisation aux  microcavités  conçue  auparavant  ce  qui  nous  ont  permis  de  confirmer  dans  certaines conditions  l’efficacité  du  protocole  chimique  utilisé  pour  recouvrir  la  surface  interne  du matériau par des molécules organiques (figure b).