Bio-détection plasmonique à ADN sur laboratoire sur puce

Smart plasmonic Lab-On-a-Chip System for DNA-based biosensing

• Auteur / Autrice : Tzu-Heng Wu
• Direction : Aurélien Bruyant, Chii-Wann Lin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 20/03/2017
• Etablissement(s) : Troyes en cotutelle avec National Taiwan University (Taipei)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Wen-Pin Shih
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Bruyant, Chii-Wann Lin, Wen-Pin Shih, Chia-Fu Chou, Eric Finot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chia-Fu Chou, Eric Finot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sondes à ADN

Dispositifs optoélectroniques

Interférométrie

Résonance plasmonique de surface

Procédures d'analyse par micropuces

Mots clés libres

Procédure d'analyse par micropuces

Résonance plasmonique de surface

Interférométrie

Dispositifs optoélectroniques

Sondes à ADN

Microchip Analytical Procedures

Surface plasmon resonance

Interferometry

Optoelectronic devices

DNA probes

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la problématique de l’intégration de capteurs plasmoniques performants et bas coût sur des dispositifs de type smartphone, en vue d’applications de diagnostic biomédical. A cette fin, nous proposons deux biocapteurs « smart ». Premièrement, un système de détection colorimétrique à base de nanoparticules d’or est mis en œuvre pour détecter de l’ADN. Le système intègre une détection synchrone logicielle mise en œuvre au sein du smartphone, où les signaux physiques transitent par la voie audio. Le processus de diagnostic prend moins de 15 minutes pour une limite de détection de 0.77 nM, approximativement 6 fois meilleure que la sensibilité usuelle d’un spectromètre UV-Vis conventionnel, à temps de mesure identique. Dans une seconde partie, un capteur à résonance plasmon de surface en configuration de Kretschmann, se distinguant par une sensibilité à la phase optique, est développé. Le design monolithique et compact repose sur un interféromètre à dédoublement latéral et une modulation de phase. Le contrôle et la lecture du prototype s’effectue également par smartphone. La modulation de phase est de type sinusoïdale et une sensibilité importante est obtenue, autour de 2,3 10-6 RIU avec une dynamique de 7 10-3 RIU, chiffres obtenus pour une puce optique standard et un temps d’intégration de 100 ms. Ce second dispositif est ensuite testé pour la détection de protéines (Troponine I cardiaque), en fonctionnalisant la surface par ADN Tro4

In this thesis, we investigate the possibility and potential for integration of portable optical biosensor for diagnostic purposes. To this end, we propose two “smart” biosensor systems. In the first part of this thesis, a DNA biosensor combining single-wavelength colorimetry and digital Lock-in Amplifier within a smartphone is proposed. Utilizing full advantage of audio channel and digital signal processing capacity of a smartphone, we have built a handheld DNA AuNp colorimetry biosensor. Based on the results, the diagnostic process takes only 15 minutes of reaction time while offering a limit of detection around 0.77 nM which is 6 times better than a desktop UV-Vis spectrometer.In second part of the thesis, a Shearing interferometer based Surface Plasmon Resonance (SiSPR) biosensor is proposed. SiSPR allows for phase sensitive detection on conventional Kretschmann configuration. Its monolithic design reduces optical parts, costs and allows portable application. The essence of SiSPR is a reflective layer in addition to plasmonic layer. To extract phase information from SiSPR, a sinusoidal phase modulation is achieved by modulation of the laser injection current. For a 100 ms measurement and a standard optical chip, the sensitivity of the SiSPR is around 2.3x10-6 RIU with a dynamic range of 7.0x10-3 RIU, which is better than amplitude SPR devices. Finally, Tro4 DNA surface modification on the SiSPR chip is demonstrated for future cardiac Troponin I diagnostic