Development and optimization of new plasmon resonance based biochips and biosensors

Ce travail de thèse porte sur la conception d’un « laboratoire-sur-fibre » original dédié à l’analyse moléculaire à distance, sans marquage et in vivo compatible dans l’avenir avec les examens endoscopiques et dédié à l’assistance aux diagnostiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de faisceaux de fibres microstructurés. Lorsqu’ils sont correctement conçus et recouverts d’une couche d’or, ces assemblages de fibres présentent des propriétés plasmoniques intéressantes. Dans un premier temps, le modèle numérique utilisé pour atteindre une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l’optimisation de la sensibilité des capteurs est expliqué. Les simulations, basées sur l’optique géométrique, ont été utilisées pour optimiser la géométrie des pointes et l’épaisseur de la couche d’or dans le but d’améliorer les performances analytiques et permettre ainsi des détections d’interactions biochimiques. Le processus de fabrication des capteurs est ensuite expliqué depuis leur structuration par gravure chimique effectuée à l’ISM (Bordeaux) jusqu’à leur métallisation réalisée au CEA Grenoble. Une comparaison entre les comportements théoriques et expérimentaux et alors menée pour comprendre l’influence de l’hétérogénéité du dépôt d’or et des surfaces gravées sur la sensibilité optique. Ces propriétés optiques sont ensuite exploitées jusqu’à la preuve de concept d’analyses biochimiques déportées. Cette étape a été réalisée en deux temps : d’abord la sensibilité à l’indice local a été démontrée en détectant l’adsorption d’une couche organique auto-assemblée et ensuite un suivi de l’interaction spécifique entre deux brins d’ADN complémentaires a été effectué. Le manuscrit s’achève par une analyse des aspects plus complexes liés à la nature peu multimodale des fibres présentes dans le faisceau. La théorie des guides d’ondes est alors utilisée pour expliquer l’influence du caractère modal de la propagation de la lumière sur les réponses des fibres optiques.This Ph.D. thesis focuses on the design of an original “lab-on-fiber” tool for remote, label-free in vivo molecular analysis that could be dedicated in the future to endoscopic diagnosis. Our approach is based on functionalized microstructured optical fiber bundles. When appropriately designed and covered by a gold layer, those fibers exhibit interesting plasmonic properties. First, the numerical model used to reach a better understanding of the physical phenomena involved in the optimization of the sensor’s sensitivity is explained. The simulations based on ray optics were then used to optimize the fiber tip geometry and gold coating thickness to enhance the analytical performances and ultimately allow biochemical detections. The fabrication process of the sensor is then explained going from the chemical etching done by the ISM team (Bordeaux) to the metallization of the tips performed at the CEA Grenoble. A comparison between theoretical and experimental behaviors is then conducted to assess the influence of the heterogeneity of both the gold deposit and the etched surfaces on the optical sensitivity. Afterwards, we take advantage of those optical properties to perform remote biochemical analysis. This was achieved in two steps: we first proved that our sensor was sensitive to local optical index variations by detecting the adsorption of a thin self-assembled organic layer and ultimately a specific interaction between two complementary DNA strands was monitored. The last part of this work tackles the more difficult aspects of the few-modes fibers composing the bundle. Waveguide theory is then used to explain the influence of the modal characteristics of light propagation on the optical fibers responses