Capteurs SPR

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Nano-bio-systèmes

Capteurs SPR

Responsable:

Guy LOUARN (MC)

Participants:

Malak KANSO (Thèse)
Tahereh MAKIABADI (Thèse)

Sommaire:

Introduction
Principe de fonctionnement d'un capteur SPR
Formalisme
Principaux résultats
Conclusions et perspectives
Publications

Introduction

Les capteurs de molécules sont devenus aujourd’hui indispensables dans de nombreux domaines allant de la recherche scientifique (fondamentale et appliquée) à l’observation des processus de production industrielle ou le contrôle de l’environnement. Des besoins très importants sont apparus récemment dans l’ensemble des sciences de la vie (biologie, biochimie, médecine, agro-alimentaire) et de l’environnement (pollution).

Les capteurs à résonance de plasmons de surface—SPR sont intensivement utilisés pour leur grande sensibilité, leur réponse rapide en temps réel et leur grande précision. Différentes configurations ont été développées : le guide d’onde optique, les réseaux et le prisme qui reste le coupleur le plus usuel (configuration de Raether-Kretschman). Durant la dernière décennie on voit apparaître l’utilisation de fibres optiques comme coupleur. Les fibres optiques offrent des avantages très attractifs tels qu’un faible coût, une petite taille, une mesure in situ en temps réel dans des endroits hostiles ainsi qu’une immunité électromagnétique.

Dans ce contexte, nous venons de développer des transducteurs plasmoniques à base de fibres optiques. Ces capteurs sont caractérisés expérimentalement et par Modélisation numérique. Ce travail consiste réaliser, simuler et optimiser la réponse et la sensibilité d’un capteur chimique et biochimique basé sur le principe SPR en fonction des différents matériaux déposés en couches minces (nature et géométrie) puis de les fonctionnaliser pour les applications en bio-détection.

Illustration d’un capteur SPR à fibre optique en configuration “biconique”.

une étude expérimentale sur la permittivité de couches ultramince d’or et d’argent, en tenant compte de la rugosité de surface, (iii) la réalisation de capteurs afin de valider le code de calcul et de déterminer la limite de sensibilité tenant compte des limites et incertitudes expérimentales, (iv) valider le capteur dans une configuration de fonctionnement la plus réaliste.

Principe de fonctionnement d'un capteur SPR

Lorsqu’un faisceau de lumière polarisée illumine une interface entre deux milieux d’indices différents, une partie de la lumière incidente est réfléchie sur l’interface et l’autre partie est réfractée à travers la surface. Dans le cas de la réflexion totale de la lumière où il n’y a pas de réflexion, une des composantes électromagnétiques de la lumière (onde évanescente), peut se propager perpendiculairement à l’interface sur une distance équivalente à sa longueur d’onde et exciter un mode plasmon de surface dans le cas d’une couche métallique d’épaisseur finie.

Une conséquence énergétique de cette résonance est visible dans le faisceau réfléchi qui présente une chute d’intensité à l’angle de résonance si la détection se fait par interrogation angulaire, ou bien à la longueur d’onde de résonance si elle se fait par modulation de la longueur d’onde de la lumière incidente.

Formalisme

Pour simuler le comportement de nos transducteurs, nous calculons les conditions dites de couplages ou de résonance entre l’onde incidente, l'onde évanescente générée et les plasmons de surface en fonction des différents paramètres (angle, longueur d'onde, polarisation du faisceau optique incident, permittivité diélectrique des différents matériaux mis en jeu, rugosité). La modélisation, écrite sous Matlab, consiste à prendre en compte le calcul de la réflectance de la lumière dans une fibre optique, à l’interface entre silice et une série de couches minces de nature très différente (métal, couche organique (ligand) et milieu à sonder (analyte). Nous avons commencé par nous placer dans l’approximation de Kretschmann, mais rapidement nous sommes passés sur le calcul des matrices de transfert. Nous disposions alors d’un outil permettant de réaliser des études paramétriques numériques et ainsi de prévoir l’influence des paramètres physiques du système multicouche sur les sensibilités envisageables pour un tel senseur.

Positions expérimentales et numériques obtenues dans ce travail de la bande « plasmons » de surface en fonction des indices de réfraction des solutions tests.

Principaux résultats

Comparaison entre réponse expérimentale et réponse numérique d’un capteur SPR à fibre optique pour des indices optiques compris entre 1.33 et 1.42 (couche d’or d’épaisseur 50 nm .

La présence d’une couche métallique sur une partie du cœur de la fibre, l’influence de la variation de l’indice du milieu sensible sur la puissance de la lumière transmise dans la fibre a été menée. A titre d’exemple, la figure présente les simulations réalisées pour un dépôt d’or et les résultats expérimentaux obtenus sur des fibres capteurs fabriquées suivant un protocole développé au laboratoire. En particulier, les caractéristiques de la fibre étudiée sont un diamètre de 400µm, une partie sensible métallisée sur 20 mm, une ouverture numérique de 0.22, un indice du cœur de 1.457.

Nous poursuivons aujourd’hui un travail expérimental sur des fibres capteurs dont la couche sensible est en or ou bi-métallique. Signalons que le travail de caractérisation de la permittivité de l’or ainsi que l’implémentation de la rugosité dans notre modèle a permis d’obtenir un excellent accord entre les réponses simulées et les réponses expérimentales. Forte de ces bons résultats, je développe toute une étude autour de la sensibilité et de la limite de détection de tels capteurs.

Définition de la pseudo-couche et résultats de la position de la résonance « plasmons » en fonction de la rugosité

Conclusions et perspectives

Une étape indispensable pour valider l’intérêt d’un capteur SPR à fibre optique est de le tester en configuration réelle. En effet, si un tel dispositif doit voir le jour d’un point de vue industriel, il est indispensable de l’envisager dans une cellule de faible dimension et de tenir compte des effets cinétiques, d’une part en considérant les vitesses d’adsorption et de desorption en surface du capteur des espèces cibles, mais aussi en tenant compte du transport de masse, qui peut être limité soit par la diffusion dans la solution, soit par la convection dans une cellule microfluidique. Le processus le plus efficace reste évidemment le processus de transport par convection et c’est la raison pour laquelle la plupart des équipements SPR commerciaux utilise ce régime de fonctionnement. En collaboration avec une équipe de biochimistes, nous avons couplé notre cellule avec un système équipé d’une pompe péristaltique. La surface du capteur est alors préalablement fonctionnalisée.

Aujourd’hui, des calculs « éléments finis » se poursuivent, couplant la mécanique des fluides (régime laminaire), les effets de diffusion des espèces au sein de la solution, les réactions d’adsorption et désorption à l’interface. Le taux de recouvrement de la surface active est alors extrait de ces simulations et réinjecté dans notre calcul de réponse optique de la fibre capteur.

Ils seront alors comparés au résultats expérimentaux et serviront pour l’optimisation de la cellule et la compréhension des mécanismes mis en jeu aux interfaces.

Principe du calcul de la réponse du capteur en configuration complète : (i) prise en compte de l’écoulement dans le capillaire, (ii) simulation par éléments finis de la variation de concentration des espèces en surface en fonction du temps, réponse optique du capteur.

Publications

Experimental realization and numerical simulation of wavelength-modulated fibre optic based on surface plasmon resonance, K. Balaa, Malak Kanso, S. Cuenot, T. Minéa, G. Louarn, Senors &. Actuators B, 2006, (Available online 28 December 2006).
Roughness effect on the SPR measurements for an optical fibre configuration: experimental and numerical approaches, Malak Kanso, S. cuenot, G. Louarn, Journal of Optics A : Pure and Applied Optics, accepted (2007)
Experimental measurements and modelling of the sensitivity of fibre optic sensor based on surface plasmon resonance, M.Kanso, S. cuenot, G. Louarn, soumis à optic communication (2007)
Plasmon resonance micro-sensor for droplets analysis, M. Chaigneau, K. Balaa, T. Minea, and G. Louarn soumis à optic Letters (2007)