Nouvelle génération de capteurs chimiques optiques : étude d'une architecture microstructurée fluorescente guide d'onde canal / réseaux de diffraction élaborée par voie sol-gel

New generation of optical chemical sensors : study of a microstructured architecture fluorescent channel waveguide / diffraction gratings developed by sol-gel route.

• Auteur / Autrice : Morgane Bonnel
• Direction : Michel Langlet, David Riassetto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ségolène Callard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Meurville, Alain Morand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Chadeyron, Olivier Soppera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Photolithographie

Sol-gel, Procédé

Réseaux de diffraction

Guides d'ondes

Mots clés libres

Guide d'onde canal

Réseaux de diffraction

Sol-Gel

Oxygène dissous

Photolithographie

Fluorescence

Channel waveguide

Diffraction gratings

Sol-Gel

Dissolved oxygen

Photolithography

Fluorescence

Résumé

Une application phare des capteurs chimiques optiques miniaturisés est la surveillance en temps réel des cultures cellulaires dans le domaine biomédical. Le principe de ces capteurs repose essentiellement sur des variations du signal de fluorescence lorsqu’un fluorophore, incorporé dans une matrice perméable aux espèces gazeuses ou ioniques et excité à une longueur d’onde adéquate, est mis en contact avec un analyte, e.g. l’oxygène dissous (OD) en milieu aqueux. Leur intégration sous la forme de dispositifs miniaturisés repose sur le dépôt d’une matrice en couche mince dopée avec le fluorophore. Si cette configuration est parfaitement adaptée à des dispositifs miniaturisés, elle souffre de restrictions en termes de limite de détection en raison de la faible quantité de fluorophores incorporés dans la couche mince et de la faible fraction de lumière émise redirigée vers le photo-détecteur. La thèse vise à proposer une nouvelle configuration de capteur basée sur la fabrication par voie sol-gel de guides d’onde canaux dopés avec un fluorophore et munis de coupleurs diffractant. Ce travail met particulièrement en évidence le potentiel d'une résine sol-gel à base de TiO2 à indice de réfraction élevé et qui peut être gravée en une seule étape photolithographique (insolation sélective / développement) pour former un motif donné. Nous présentons tout d'abord le processus d’élaboration de l’architecture micro-structurée composée de réseaux de diffraction gravés sur des guides d'ondes canaux. Les deux composantes de cette architecture ont été optimisées sur la base de caractérisations et de modélisations opto-géométriques. L’efficacité du couplage lumineux dans le guide canal à l’aide de réseaux de diffraction est ensuite présentée et discutée, ainsi que des études mettant en évidence la possibilité de récolter un signal de fluorescence se propageant dans le guide. Enfin, l’intégration du dispositif dans un système microfluidique a permis de réaliser des premières mesures de fluorescence selon une procédure appropriée à l’application visée, i.e. être capable in fine de mesurer des taux d’OD variables dans différents fluides via des mesures de fluorescence en mode guidé.Mots clés : guide d’onde canal, réseaux de diffraction, sol-gel, oxygène dissous, photolithographie, fluorescence.

A flagship application of miniaturized chemical optical sensors is the real-time monitoring of cell cultures in the biomedical field. The principle of these sensors is based on variations of the fluorescence signal when a fluorophore, encapsulated in a matrix permeable to gaseous or ionic species and excited to a suitable wavelength, is contacted with an analyte, e.g. dissolved oxygen (DO) in an aqueous medium. Their integration in the form of miniaturized devices is based on the deposition of a thin-layer matrix doped with the fluorophore. While this configuration is perfectly suited to miniaturized devices, it suffers from limitations in terms of detection limit due to the small amount of fluorophores incorporated in the thin-film matrix and to the small fraction of light emitted redirected toward the photodetector. The thesis aims at proposing a new sensor configuration based on the sol-gel fabrication of fluorophore-doped channel waveguides equipped with diffracting couplers. This work particularly highlights the potential of a high refractive index titanium oxide based sol-gel photoresist that can be imprinted through a single photolithography step (selective insolation / development) to form a given pattern. We firstly present the elaboration process of the micro-structured architecture composed of diffraction gratings imprinted on channel waveguides. Both components of this architecture have been optimized based on opto-geometrical characterizations and modeling. The efficiency of light coupling in the channel waveguide using diffraction gratings is then presented and discussed, as well as studies showing the possibility to collect a fluorescence signal propagating in the waveguide. Finally, the integration of the device into a microfluidic system made it possible to carry out first fluorescence measurements according to a procedure appropriate to the intended application, i.e. to be able in fine to measure variable DO levels in different fluids via fluorescence measurements in guided configuration.Keywords: channel waveguide, diffraction gratings, sol-gel, dissolved oxygen, photolithography, fluorescence.