Réalisation et caractérisation de puces de capteurs à cristaux photoniques : Vers un dispositif de biodétection intégré

Realization and demonstration of photonic crystal sensing chips : Towards an integrated biosensing platform

• Auteur / Autrice : Nicolas Gaignebet
• Direction : Taha Benyattou, Cécile Jamois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Eric Cassan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Taha Benyattou, Cécile Jamois, Eric Cassan, Ralf Wehrspohn, Emmanuel Hadji, Aude Lereu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Cassan, Ralf Wehrspohn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Diagnostic biologique

Cristaux photoniques

Nanotechnologie

Mots clés libres

Nanotechnologie

Diagnostic biologique

Biocapteurs médicaux

Nanophotonique

Cristal photonique

Imagerie sans lentille

Capteurs médicaux

Biodétection

Appareil de mesure

Nanotechnology

Medical diagnosis

Medical biosensors

Nanophotonics

Photonics crystal

Lens-Less imaging

Medical sensors

Biodetection

Measuring device

Résumé

Les besoins en matière d'analyse moléculaire portative sont croissants, comme dans le cadre de la médecine d'urgence, le dépistage médical précoce, ou encore le contrôle sanitaire des denrées alimentaires. Ces besoins mènent au développement de biocapteurs performants répondant aux critères du « Point-of-Care » (POC), c'est-à-dire la détection sur le lieu d'intervention, que ce soit au chevet du patient, dans un cabinet de médecin, etc. Les capteurs POC ont pour fonction principale de réduire le coût et la durée nécessaire aux analyses, afin d'être en mesure de prendre une décision thérapeutique la plus rapide. De plus, grâce à leur mobilité ils permettent de proposer des analyses médicales dans les zones éloignées des centres hospitaliers et des laboratoires d’analyses. L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif de détection optique compatible avec les critères du POC et permettant de répondre aux besoins en matière de criblage moléculaire dans ce type d’analyses. Afin de répondre à ces critères, ce dispositif devra être portable, rapide, bas-coût, et capable de détecter plusieurs biomolécules en parallèle avec une puce jetable, tout en présentant de bonnes performances de détection. L'approche présentée dans ce manuscrit consiste en un dispositif d'imagerie sans lentille, utilisant une puce de cristaux photoniques en silicium, avec une illumination en incidence normale par une source lumineuse bas-coût. Les résultats phares de cette thèse sont d’une part la démonstration d’une détection spécifique de biomolécules à l'aide de nos capteurs à cristaux photoniques, et d’autre part la démonstration de puces à cristaux photoniques intégrant une fonction de spectrométrie pour une application de détection en imagerie sans lentille compatible avec les critères du POC.

The needs for portable molecular analysis tools are growing, including in the fields of emergency care, early medical diagnosis, or food safety analysis. These needs lead to the development of performant biosensors, meeting the criteria of “Point-of-Care” (POC), that is, the detection in the field, whether at the patient’s place, the physician’s office, etc. POC sensors’ primary missions are to reduce the analysis time and cost, to allow for a quicker therapeutic decision. In addition, thanks to their portability, they can provide analysis availability in remote areas, far from hospitals or medical laboratories. The objective of this PhD work is to develop an optical sensing system, compatible with the POC criteria, and addressing the needs in terms of molecular screening. To meet these criteria, this sensing system should be portable, fast, low-cost, and able to detect multiple biomolecules in parallel on a disposable chip, while providing good sensing performances. The approach presented in this manuscript consists in a lens-less imaging system, exploiting photonic crystals on a silicon chip, with a normal incidence illumination by a low-cost light source. The main results of this PhD work are on one hand the demonstration of a specific detection of biomolecules, thanks to our photonic crystal sensors; and on the other hand the demonstration of the integration of an on-chip spectrometry functionality using photonic crystals, towards an application in lens-less imaging detection compatible with the POC criteria.