Microdisques optomécaniques résonants en silicium pour la détection biologique en milieu liquide

Optomechanical silicon microdisk resonators for biosensing in liquid

• Auteur / Autrice : Maxime Hermouet
• Direction : Sébastien Hentz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 26/03/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble, Isère, France ; 2005-2018?)
• Jury : Président / Présidente : Liviu Nicu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Favero, Thomas Alava
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Legrand, Javier Tamayo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Transducteurs

Optomécanique

Mots clés libres

Optomécanique

Microdisques

Biocapteurs

Optomechanics

Microdisk resonators

Biosensors

Liquid damping

Résumé

La detection précoce de biomarqueurs de maladies telles que le cancer représenteun interêt majeur dans le processus de traitement. En effet, un diagnostic avancéaugmente considérablement les chances de réussite du traitement. En pratique,cela nécessite des outils permettant de détecter rapidement d’infimes quantités decomposants biologiques (anticorps, protéines, ADN...) au sein d’échantillons réelstels que du sang ou du sérum.Ces dernières années, les avancées et progrès technologiques en matière de microet nanofabrication ont permis le développement des Micro et Nano Systèmes Electro-Mécaniques (M/NEMS) dans de nombreux domaines d’applications et notammentcelui de la détection de masse. Ainsi, des nano-capteurs de masse atteignant desrésolutions de l’ordre du yoctogram (10−24 g), soit la masse d’un seul proton ont étédéveloppés. De telles résolutions permetteraient d’utiliser ces capteurs à des fins debiodétections. Ces résultats ont cependant été obtenus sous vide ce qui est incompatibleavec le monde biologique. Immergés en liquide, les performances des M/NEMStraditionnels sont drastiquement réduites notamment à cause de l’amortissement dûau fluide. Un nouveau type de résonateur à base de microdisques optomécaniquesrésonants a vu le jour démontrant un fort potentiel pour la détection en milieuliquide. Là où les méthodes classiques de transductions électriques des M/NEMSéprouvent des difficultés en liquide, l’exceptionnelle sensibilité de la transductionoptomécanique permet de surmonter ce problème.Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à développer un biocapteur à base demicrodisques optomécaniques résonants en silicium pour la détection biologique enmilieu liquide. Le design, la fabrication ainsi que la caractérisation complète de cescapteurs est décrite. Enfin, une preuve de concept de détection de virus T5 à uneconcentration de quelques pM à l’aide de ces microdisques est également présentée.

Early detection of disease's biomarkers such as cancer represents a major interest in the treatment process. Indeed, a diagnosis at an early stage considerably increases the chance of the treatment to be successful. Practically, tools allowing the rapid detection of tiny amount of biological compounds (antibodies, proteins, DNA...) in real samples such as blood or serum are needed.Over the last years, the advances and progresses of micro and nanofabrication techniques have allowed the development of Micro-Nano Electro Mechanical Systems (M/NEMS) in various fields of application including mass sensing. Thus, nano mass sensors reaching resolution down to the yoctogram level, the equivalent of a single proton have been demonstrated. Such resolution limit would theoretically allow these sensors to be used as potential biosensors. These results were nonetheless obtained in vacuum conditions which is incompatible with the biological world. Immersed in fluid, the performance of traditional M/NEMS are drastically degraded mostly due to the large viscous damping. A new type of object in the form of optomechanical microdisk resonators have recently emerged, demonstrating a huge potential for sensing in liquid. While M/NEMS classical electrical or optical transduction methods become very challenging in liquid, the astonishing sensitivity of the optomechanical transduction overcomes this major issue.In this context, this thesis work aims at developing a biosensor based on silicon optomechanical microdisk resonators for biosensing in liquid. Design, fabrication along with the complete characterization of theses devices is described. Eventually, a proof-of-concept of T5 virus detection at the pM level using these microdisks is presented.