Utilisation de résonateurs plasmoniques achiraux pour l’optimisation de la détection de molécules chirales

Enhancing chiral molecule detection with achiral plasmonic resonators

• Auteur / Autrice : Obren Markovic
• Direction : Bruno Gallas, Mathieu Mivelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/10/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Maisonhaute
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyriaque Genet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davy Gérard, Clémentine Symonds
• DOI : 10.70675/fad59650zca97z4b8czae48zb2b2f15f6ef7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Spectropolarimétrie

Dichroïsme circulaire

Résonance plasmonique de surface

Chiralité

Mots clés libres

Plasmonique

Chiralité

Instrumentation

Dichroïsme circulaire

Spectropolarimétrie

Nanophotonique

Plasmonics

Chirality

Instrumentation

Circular dichroism

Spectropolarimetry

Nanophotonics

Résumé

La chiralité est une propriété géométrique très présente dans la nature, y compris à l'échelle moléculaire. Une molécule est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir ; la molécule et son image sont alors des énantiomères. La détection précise des molécules chirales est un enjeu majeur en chimie, biologie et pharmacologie, car leurs énantiomères peuvent avoir des propriétés radicalement différentes. Le dichroïsme circulaire (CD), bien qu'efficace pour caractériser la chiralité via l'absorption différentielle de la lumière polarisée circulairement gauche et droite, souffre d'une contrainte majeure : il exige des quantités significatives de matière. Cette thèse propose une approche novatrice pour dépasser cette limitation. Elle repose sur l'utilisation de nano-ouvertures plasmoniques achirales, gravées dans une couche d'or, qui sont capables de générer localement une lumière « superchirale ». Ce phénomène amplifie considérablement l'interaction entre la lumière et les molécules chirales. Un avantage clé de ces structures est leur achiralité intrinsèque, qui minimiserait les dichroïsmes parasites dans la mesure du CD. Pour valider cette technique, un micro-spectropolarimètre de nouvelle génération a été développé et caractérisé spécifiquement pour des mesures de CD avec ces nano-ouvertures. Les mesures réalisées avec ce dispositif, combinées à des simulations numériques (Méthode Modale de Fourier), ont révélé l'existence de dichroïsmes résiduels provenant des antennes elles-mêmes. Ces signaux parasites sont attribués à de subtiles asymétries systématiques de forme, imperceptibles à l'œil nu. Les expériences menées sur l'allophycocyanine (APC) en contact avec ces nano-ouvertures ont démontré une amplification significative du signal de CD comparé aux méthodes traditionnelles. Ce travail ouvre ainsi des perspectives prometteuses pour des mesures plus sensibles et précises, même avec des quantités extrêmement limitées de molécules chirales, avec des volumes de l'ordre du femtolitre. Il faut cependant noter qu'il n'est pas toujours évident de déconvoluer la réponse spectrale des nano-ouvertures du CD des molécules d'intérêt.

Chirality is a geometric property found widely in nature, including at the molecular level. A molecule is chiral if it cannot be superimposed on its mirror image; the molecule and its mirror image are then called enantiomers. The accurate detection of chiral molecules is a major challenge in chemistry, biology, and pharmacology, as their enantiomers can possess radically different properties. Circular Dichroism (CD), while effective for characterizing chirality through the differential absorption of left and right circularly polarized light, faces a significant limitation: it requires substantial amounts of material. This thesis proposes an innovative approach to overcome this limitation. It relies on the use of achiral plasmonic nano-apertures, engraved in a gold layer, which are capable of locally generating ''superchiral'' light. This phenomenon significantly amplifies the interaction between light and chiral molecules. A key advantage of these structures is their intrinsic achirality, which should minimize parasitic dichroism during CD measurements. To validate this technique, a new-generation micro-spectropolarimeter was developed and characterized specifically for CD measurements using these nano-apertures. Measurements conducted with this device, combined with numerical simulations (using the Fourier Modal Method), revealed the existence of residual dichroism originating from the antennas themselves. These parasitic signals are attributed to subtle, systematic shape asymmetries, imperceptible to the naked eye. Experiments performed on allophycocyanin (APC) in contact with these nano-apertures demonstrated a significant amplification of the CD signal compared to traditional methods. This work thus opens promising perspectives for more sensitive and precise measurements, even with extremely limited quantities of chiral molecules, down to femtoliter volumes. However, it's important to note that it's not always straightforward to deconvolute the spectral response of the nano-apertures from the CD signal of the molecules of interest.