Utilisation de la résonance plasmonique de surface pour la réalisation de capteurs appliqués au domaine phytosanitaire

par Sivaramakrishnan Ganesan

Thèse de doctorat en Electronique, Microélectronique, Nanoélectronique et Micro-ondes

Sous la direction de Jean-Pierre Vilcot et de Sophie Maricot.


  • Résumé

    Mon travail de thèse s'inscrivait dans celui, plus général, de développement d'un système de détection biologique portable affichant sensibilité, précision et répétabilité et dont le champ d'applications visait les domaines médicaux et phytosanitaires. Ce système est basé sur le principe physique de base qui est la Résonance Plasmonique de Surface. Le but était alors de démocratiser cette technique au niveau du chevet du patient ou du champ. Dans ce contexte et dans le cadre du projet INTERREG FWVL BIOSENS, je me suis plus particulièrement attaché à l'étude de différentes innovations au niveau du capteur. Parmi toutes les techniques de détection biologique, la technique de mesure à base de SPR a déjà été amplement étudiée car elle présente des avantages indéniables comme sa sensibilité, sa mesure en temps réel ou encore la non-nécessité de marquage des molécules. Bien que cette technique soit donc bien connue dans le domaine de la détection, la température de tout échantillon influe sur son indice optique, qui est la seule valeur détectée par un tel capteur, et peut donc être interprétée comme le résultat d'une interaction biologique. Ceci amène un réel défi dans le cas d'un système portable pour lequel l'intégration d'une enceinte thermostatée est source d'encombrement et de consommation énergétique. Un capteur SPR 4 canaux a été développé et la température des échantillons est directement contrôlée par chauffage par effet Joule de la couche plasmonique elle-même. Le fonctionnement de ce type de chauffage a été modélisé sous COMSOL et la caractérisation expérimentale a montré qu'il ne perturbait pas le principe de détection. De l'eau a été chauffée par injection de courant et la variation d'indice optique obtenue comparée à la théorie. Nous avons aussi démontré qu'il était possible de contrôler en température indépendamment chacun des quatre canaux sans apparition d'interférence thermique. De manière à contrôler plus finement la température, un capteur de température a aussi été intégré au niveau de la couche plasmonique. Ce contrôle de la température peut alors être utilisé soit pour maintenir une température constante au niveau des échantillons soit pour déterminer l'effet de la température sur une interaction biologique. De manière à diminuer le coût du capteur, un capteur sur film plastique a été fabriqué et testé. Il a permis d'obtenir une réponse plasmonique sur l'air et l'eau. L'utilisation d'un prisme en PDMS ainsi que son couplage avec le capteur sur film a été investiguée de manière à obtenir une plateforme de test la moins coûteuse possible.

  • Titre traduit

    Surface plasmon resonance based biosensor applied to phytosanitary domain


  • Résumé

    The overall goal of this study was to develop a portable biological detection system with high sensitivity, accuracy and repeatability to be used in either the phytosanitary or the medical domain. This system is based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) physical principle. Such a use of this principle is already achieved but leads to laboratory equipment. The goal here is to democratize its use up to an on field or point of care measurement system. In this context and within the frame of the BIOSENS INTEREG FWVL project, I worked more particularly on several developments around the sensor. From all the existing biosensor technologies, surface plasmon resonance (SPR) sensing technology has received continuous attention due to its advantages of a high-sensitivity, label-free and fast response time. Although the SPR sensing technique being legend in the sensor community, currently the temperature of the sample needs to be carefully maintained and controlled because SPR signal varies with temperature and any change in SPR signal can be interpreted as a biological interaction. This gives a huge challenge in the portable application that is targeted since embedding of a temperature controlled chamber size and energy consuming. A SPR sensor design including 4 SPR channels has been made and the temperature is controlled in real time by using Joule effect. Temperature behavior has been modelled under COMSOL and we experimentally demonstrated that the temperature modulation of SPR channel by Joule effect does not affect the detection scheme. Water was heated by injecting current through the plasmonic layer and the refractive index change of water due to temperature was measured and compared with the theory. We also demonstrated that the temperature of each of the 4 channels can be controlled independently without any thermal crosstalk. In order achieving a more precise monitoring of sample temperature, a temperature sensor was also fabricated on top of the plasmonic layer, allowing the real temperature at the sensor surface to be monitored in real time. This temperature control can so be used either to maintain the temperature of biologic samples or to identify the effect of temperature on biomolecular interactions. On addressing the cost of the sensing tool, a flexible and cheap SPR sensor made on tape has been fabricated and tested. Air and water plasmonic responses were measured using such a "tape sensor". A PDMS prism has already been investigated and combined to the tape sensor making then a very cheap sensing platform.


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