Développement de biocapteurs sur fibres optiques pour le diagnostic moléculaire in vivo

Development of optical fibers based biosensors for in vivo molecular diagnosis

• Auteur / Autrice : Chalimar Salameh
• Direction : Elodie Engel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique pour les Sciences du Vivant
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes Moléculaires et Nano Matériaux pour l'Énergie et la Santé

Mots clés

Mots clés libres

Fibres optiques

Biocapteurs

Diagnostic moléculaire in vivo

Fiber optics

Biosensors

Molecular diagnosis in vivo

Résumé

Contexte L'objectif du projet de recherche AMIS est de contribuer au développement de biocapteurs innovants capables d'effectuer une analyse moléculaire en temps réel, à distance, in situ et multiplexée destinés à terme à remplacer les biospies, procédures longues et invasives. S'appuyant sur notre expérience des biocapteurs plasmoniques sur fibres1,2,3, nous proposons de développer ces biocapteurs sur un assemblage de fibres optiques interférométriques (Fig.1). Un travail préliminaire nous a permis de déterminer les indices optiques et les épaisseurs des couches interférométriques à déposer en extrémité de fibres pour leur conférer une sensibilité aux variations d'indices optiques. Ces résultats nous ont permis de préparer différents échantillons (lames de verre, mono-fibres, multifibres, fibres multicoeurs) recouverts de couches interférométriques ad hoc. Rôle du doctorant : Le/la doctorant.e commencera par prendre en main ces différents échantillons en caractérisant leur résolution et leur sensibilité aux variations d'indice optique. Cette caractérisation lui permettra de se familiariser avec le montage optique, de réaliser les mesures (analyses spectrales et mesures d'intensité) et de traiter les données associées. Il/elle travaillera ensuite sur la mise en œuvre de nouvelles méthodes de fonctionnalisation optique4. Il s'agira de déterminer les protocoles pour fonctionnaliser l'extrémités des fibres sur plusieurs zones distinctes ayant des diamètres d'environ 10 µm (pour des assemblages de fibres présentant des diamètres entre 300 µm et 3 mm). Le/la doctorant.e devra s'intéresser à la fois aux aspects liés à l'optique (montage optique, irradiation UV) et à la chimie de surface5 (préparation et greffage des sondes). Cela nécessitera de développer des compétences pluridisciplinaires en chimie et en optique. Il/elle sera bien entendu accompagné.e par les physiciens et biochimistes de l'équipe CREAB pour avancer dans cette mise au point qui constituera une importante partie de son travail de thèse. L'autre partie importante concernera la validation biologique du capteur. Une fois fonctionnalisé, celui-ci devra démontrer ses capacités de multi-détection. Pour cela, le/la doctorant.e devra réaliser des détections de plusieurs cibles biologiques dans des milieux de plus en plus complexes et de plus en plus « solides ». Il sera nécessaire de mettre en œuvre des méthodes de passivation robustes pour éviter des détections non spécifiques voire une passivation progressive du capteur. Le/la doctorante sera accompagné.e dans cette tâche par les chercheurs du BrainTech Lab impliqués dans le projet. L'objectif final sera de réaliser une détection multiplexée de biomarqueurs d'intérêt dans un modèle de tissu cérébral.

Context: The objective of the AMIS research project is to contribute to the development of innovative biosensors capable of performing real-time, remote, in situ and multiplexed molecular analysis intended to eventually replace biospies, which are time-consuming and invasive procedures. Based on our experience with fiber-based plasmonic biosensors1,2,3, we propose to develop these biosensors on an interferometric optical fiber assembly (Fig.1). A preliminary work allowed us to determine the optical indexes and the thicknesses of the interferometric layers to be deposited at the end of the fibers to confer them a sensitivity to the variations of optical indices. These results allowed us to prepare different samples (glass slides, mono-fibers, multi-fibers, multi-core fibers) covered with ad hoc interferometric layers. Role of the PhD student: The PhD student will start by taking in hand these different samples by characterizing their resolution and their sensitivity to optical index variations. This characterization will allow him/her to become familiar with the optical setup, to perform measurements (spectral analysis and intensity measurements) and to process the associated data. He/she will then work on the implementation of new optical functionalization methods4. The aim will be to determine the protocols for functionalizing the ends of the fibers on several distinct zones with diameters of about 10 µm (for fiber assemblies with diameters between 300 µm and 3 mm). The PhD student will deal with both optical aspects (optical assembly, UV irradiation) and surface chemistry5 (preparation and grafting of probes). This will require the development of multidisciplinary skills in chemistry and optics. He/she will of course be accompanied by the physicists and biochemists of the CREAB team to advance in this development which will constitute an important part of his/her thesis work. The other important part will concern the biological validation of the sensor. Once functionalized, it will have to demonstrate its multi-detection capabilities. To do so, the PhD student will perform detections of several biological targets in more and more complex and 'solid' environments. It will be necessary to implement robust passivation methods to avoid non-specific detections or even a progressive passivation of the sensor. The PhD student will be accompanied in this task by the BrainTech Lab researchers involved in the project. The final objective will be to achieve a multiplexed detection of biomarkers of interest in a brain tissue model.