Etude d'architectures microstructurées guide d'onde canal / réseau de diffraction élaborées par voie sol-gel

The thesis addresses a growing topic, optical chemical sensors, whose flagship application is the real-time monitoring of cell cultures in biomedical field. These sensors operate by quantifying physicochemical parameters, e.g. the concentration of dissolved oxygen (DO), which is an indicator of cell formation, growth and viability in an aqueous medium. Many devices are already on the market, but research remains intensive to improve their performance. This one deals in particular with the sensor miniaturization, as it allows enhanced measurement speed, easier handling and analysis of reduced liquid volumes. The sensor principle is based on variations in 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. DO in an aqueous medium. This thesis aims at studying a new sensor configuration based on the sol-gel fabrication of channel waveguides doped with a fluorophore sensitive to OD. These waveguides are endowed with diffraction gratings at their input and output in order to inject and extract the excitation and emission signal, respectively. This work particularly highlights the potential of a high refractive index sol-gel TiO2 based resist, which can be imprinted through a single photolithography step (selective insolation / development) to form a given pattern. Various optimizations have been investigated in order to implement a reproducible elaboration process leading to uniform channel waveguides and diffraction gratings, while relying on opto-geometric characterizations. Fluorescence measurements were then carried out in air in order to validate the efficiency of the excitation signal injection, guided propagation of the excitation and emission signal in the waveguide core, and extraction of the emission signal toward a photo-detector. Finally, this architecture was introduced in a microfluidic system enabling to carry out fluorescence measurements in an aqueous medium at variable oxygen concentration according to an appropriate procedure.Keywords : sol-gel, photolithography, channel waveguide, diffraction gratings, fluorescence, dissolved oxygen, microfluidic device.La thèse adresse une thématique en plein essor, les capteurs chimiques optiques, dont une application phare est la surveillance en temps réel des cultures cellulaires pour le biomédical. Ces capteurs opèrent par la quantification de paramètres physico-chimiques, e.g. la concentration d’oxygène dissous (OD) qui est un indicateur de la formation, croissance et viabilité cellulaire en milieu aqueux. De nombreux dispositifs sont déjà commercialisés mais la recherche demeure intensive en vue d’en améliorer les performances. Celle-ci porte en particulier sur la miniaturisation des capteurs en vue d’une rapidité de mesure accrue, une manipulation plus aisée et l’analyse de volumes liquides réduits. Le principe de ces capteurs repose 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’OD en milieu aqueux. Cette thèse vise à étudier une nouvelle configuration de capteur basée sur la fabrication par voie sol-gel de guides d’onde canaux dopés avec un fluorophore sensible à l’OD. Ces guides sont munis de réseaux de diffraction en entrée et sortie afin d’injecter et extraire respectivement le signal d’excitation et d’émission. 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. Différentes optimisations ont été mises en œuvre pour aboutir à un processus d’élaboration reproductible de guides et réseaux uniformes, ceci en s’appuyant sur des caractérisations opto-géométriques. Des mesures de fluorescence ont ensuite été réalisées dans l’air afin de valider l’efficacité d’injection du signal d’excitation par le réseau d’entrée, la propagation des signaux d’excitation et d’émission dans le cœur du guide, et l’extraction du signal d’émission par le réseau de sortie vers un photodétecteur. Cette architecture a finalement été introduite dans un système micro-fluidique permettant de réaliser des mesures de fluorescence en milieu aqueux à concentration d’oxygène variable selon une procédure appropriée.Mots-clés : sol-gel, photolithographie, guide d’onde canal, réseaux de diffraction, fluorescence, oxygène dissous, dispositif micro-fluidique