Etude et développement de capteurs photoniques plasmoniques pour la détection in situ de biomolécules dans des eaux usées

Enabling plasmonic photonic sensors for in situ detection of biomolecules in wastewater discharges

• Auteur / Autrice : Mohamad Syahadi
• Direction : Han Cheng Seat, Christophe Caucheteur
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : OASIS - Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés libres

Capteur photonique

Optoélectronique

Plasmonique

Indice de réfraction

Détection biomolécule

Eaux usées

Photonic sensing

Optoelectronics

Plasmonic

In situ refractive index sensing;

Biomolecule detection

Wastewater

Résumé

Cette thèse propose d'étudier une technologie basée sur la combinaison innovante de réseaux à longue période réalisés en photonique intégrée avec l'excitation de plasmons de surface (SPR – Surface Plasmon Resonance). La technique SPR est aujourd'hui devenue un outil quasi-indispensable pour la détection et l'analyse in situ de gaz et de biomolécules d'une grande diversité biochimique, et ce avec une sensibilité accrue par rapport aux autres techniques (réfractométrie, etc). En effet, le principe du SPR est basé sur le couplage entre l'onde électromagnétique incidente se propageant dans un substrat ou guide d'onde diélectrique (en verre en général) et des électrons libres à la surface d'une couche métallique ultrafine (or, argent, platine, etc) en contact avec le substrat. Ces électrons excités entrent en oscillation, générant ainsi des plasmons de surface qui se manifestent sous forme d'une onde évanescente vers l'extérieur du film métallique. Cette onde, très sensible au milieu environnant, peut alors réagir avec les espèces présentes, ce qui modifiera les paramètres de propagation. Ceci induit alors une variation de l'indice de réfraction de l'onde d'excitation. La détection de l'onde transmise dans le substrat par la mesure de son spectre fournira ainsi les informations nécessaires à l'identification de l'espèce et de sa concentration via sa phase et son amplitude.

This thesis shall investigate a novelty sensing technology based on the combination of long-period gratings produced by integrated photonics or in fiber forms with the excitation of surface plasmons (SPR - Surface Plasmon Resonance). SPR has today become a virtually indispensable tool for the in situ detection and analysis of gases and biomolecules originating from a very large biochemical diversity, with greater sensitivity than other techniques (refractometry, etc.). The operating principle in SPR is based on the coupling between an incident electromagnetic wave propagating in a dielectric substrate or waveguide (usually glass) and free electrons on the surface of an ultra-thin metallic layer (gold, silver, platinum, etc.) in contact with the substrate, thus exciting these electrons into oscillation or resonance, generating surface plasmons which manifest themselves as an evanescent wave propagating towards the outer surface of the metal film. This evanescent wave is highly sensitive to the surrounding environment and can be made to react with the species present, thus modifying the propagation parameters. This subsequently leads to a variation in the refractive index of the excitation wave. Detection of the wave transmitted through the waveguide by measuring its spectrum will thus provide the information needed to identify the species and its concentration via its phase and amplitude.