Etude et réalisation de capteurs biologiques à base d'effets plasmoniques et fabriqués sur silicium

Study and manufacturing of biosensors based on plasmonic effects and built on silicon

• Auteur / Autrice : Michele Calvo
• Direction : Paul Charette, Régis Orobtchouk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Electrotechnique, Automatique
• Date : Soutenance le 21/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL - Laboratoire Nanotechnologies et Nanosystèmes [Sherbrooke] / LN2
• Jury : Président / Présidente : Christelle Monat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Charette, Régis Orobtchouk, Christelle Monat, Gilles Lerondel, Jean Claude Weeber, Michael Canva, Andrea Melloni, Sylvie Menezo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Lerondel, Jean Claude Weeber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Biocapteurs

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Electrotechnique

Capteur biologique

Photonique

Résonateur en anneau

Biocapteur

Transducteur

Guide d'onde

Détection

Résonance de plasmon de surface - SPR

Electrotechnics

Biological sensor

Photonics

Ring resonator

Biosensors

Transducer

WaveGuide

Detection

SPR - Surface Plasmon Resonance

Résumé

Le contexte de ce projet de doctorat celui des biocapteurs. Le but final est d’avoir un dispositif portable, composé par une partie jetable, capable de détecter des concentrations très faibles d’un analyte spécifique, à bon marché et compacte, que les médecins peuvent utiliser dans l’hôpital où chez les patients, sans avoir besoin d’un laboratoire entier. Les analytes peuvent être plusieurs (à partir de l’ADN pour la détection de maladies génétiques où des cellules cancéreuses pour la détection précoce du cancer). Cet objectif est possible seulement avec un transducteur qui arrive à convertir efficacement la présence biologique de l’analyte en information électrique. Le transducteur est dans le domaine de la photonique. On combine deux types de guides d’onde, un de type "ridge" diélectrique et un autre métallique, pour en créer un hybride qu’associe les faibles pertes d’une à la sensibilité de l’autre. L’élément innovant est la géométrie de ce guide hybride (Hybrid Plasmonic WaveGuide). Ce memoire explore l'étude theorique, les simulaiton, la fabbrication en salle blanche et la characterization des dispositifs hybride plasmoniques.

Lab-on-a-chip (or LOC) devices scale down the laboratory processes for detecting illnesses and monitoring sick patients without the need of medical laboratories. These criteria are made possible with a transducer that can convert the biological presence of the target molecule into electrical information. Since the early 2000s, integrated photonics have offered a possible solution for a transducer compatible with LOC needs. In particular, silicon micro-ring resonators represent a compact and sensitive choice to use as a transducer in LOC devices. In agreement with the requirements of LOC devices, the objective of this project is to design and assess the performance of a compact photonic biosensor. The system will be based on integrated photonic transduction. The requirements are that it is compatible with an industrial fabrication platform and fluidic systems, with a sensitivity equal to or higher than the state-of-the-art and simple to functionalize in order to localize the target molecules in the sensitive regions of the sensor. This project details the design, fabrication, and characterization of such a biosensor. In particular, the photonic biosensor is a ring resonators with a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPWG) cross-section that fulfills the LOC requirements.