Etude de microrésonateurs optiques polymères en anneaux en vue de leur intégration sur une plateforme de microfluidique digitale : application à la détection d'ions métalliques de Cr (VI) dans l'eau

Study of a polymer microring resonator for further integration in a digital microfluidic system : application to hexavalent chromium sensing in water

• Auteur / Autrice : Farida Meziane
• Direction : Corinne Déjous, Vincent Raimbault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 26/02/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Raimbault, Isabelle Ledoux-Rak, Philippe Ménini, Simon Joly
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Ledoux-Rak, Franck Chollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrophotométrie

Polymères

Colorimétrie

Photolithographie

Microfluidique

Microcavités

Microcapteurs résonants

Eau -- Pollution par les métaux lourds

Ions chrome

Mots clés libres

Microfluidique discrète

Photolithographie par projection

Chrome hexavalent

Polymères

Microrésonateur optique en anneau

Visible

1,5-diphenylcarbazide

Spectrophotométrie d’absorption moléculaire

Digital microfluidics

Stepper lithography

Hexavalent chromium

Polymer

Optical microring resonator

Visible wavelengths

1,5-diphenylcarbazide

Absorption spectroscopy

Résumé

La détection sensible et sélective des métaux lourds, en particulier les métaux detransition, est d’une grande importance pour la santé publique ainsi que pour la surveillancede l’environnement. Les méthodes actuelles de référence, de par leur non portabilité, limitentla possibilité de disposer de mesures à haute résolution spatiale et temporelle. Lesmicrocapteurs optiques offrent un moyen attrayant et pratique pour surmonter ces limitationsde coût global et de temps d’analyse, en permettant la mesure en temps réel sur site.Pour démontrer ce potentiel, ces travaux de thèse sont orientés sur la détermination duchrome hexavalent Cr(VI) en solution à l’aide d’une réaction colorimétrique avec le 1,5-diphénylcarbazide (DPC), permettant de créer un complexe présentant un maximumd’absorption dans le domaine du visible. Ces travaux s’inscrivent dans la volonté dedévelopper un véritable laboratoire sur puce, intégrant la fonction fluidique parélectromouillage sur diélectrique pour créer la réaction colorimétrique, ainsi que la fonctionde mesure par intégration d’un capteur optique dédié à la mesure d’absorption dans desmicrovolumes (< μL). Pour la mesure d'absorption sur de si faibles volumes, l'utilisation demicrorésonateurs vise à augmenter de façon importante le chemin optique effectif et ainsi lasensibilité du capteur.Nous décrivons nos travaux sur la conception, la fabrication de la plateformemicrofluidique digitale ainsi que du résonateur optique en anneaux à des dimensionssubmicroniques par photolithographie par projection. Les matériaux polymères sontprivilégiés pour une intégration totale bas coût à terme, ainsi qu’un substrat verre, dont lespropriétés sont particulièrement adaptées aux applications optiques dans le domaine duvisible.

The selective and sensitive detection of heavy metals, such as transition metals, is ofparamount importance for health and safety an environmental monitoring. Current referencemethods, due to their lack of portability, are limiting factors to obtain high-resolution spatialand temporal data. Optical sensors offer an attractive and convenient way to overcome theselimitations of cost and time per analysis by offering real time, on-site measurementcapabilities.In order to demonstrate this potential, this thesis is focused on the detection and quantificationof hexavalent chromium Cr(VI) in water samples by a colorimetric reaction based on areaction with the 1,5-diphenylcarbazide (DPC), that produces a complex possessing anabsorption maximum in the visible range. This works endorse the goal of creating a true labon-chip, integrating both the fluidic function based on ElectroWetting on Dielectric (EWOD)to create the colorimetric reaction, and the sensing function based on the integration of anoptical sensor able to measure absorption variations in micro-volumes (< μL). In order toobtain sufficient sensitivity on such small volumes, optical microring resonators are used inthis work, due to their ability to enhance the effective optical path length by constructiveinterferences.This thesis describes the conception and fabrication of the EWOD microfluidic platform, aswell as the conception, simulation and fabrication of submicronic microring resonators usingstepper lithography. Polymer materials and glass substrates are selected, due to their greatoptical properties in the visible range, their compatibility with the EWOD platform, and theirintegrability at a reasonable cost.