État de l’art des micro-capteurs pour la détection biochimique sélective

Les techniques permettant la détection chimique à l’aide de capteurs planaires sont nombreuses mais souvent dédiées au domaine du visible ou proche infrarouge.

Nous pouvons citer, par exemple, les cristaux photoniques et leurs arrangements périodiques de motifs. Ces structures sont de plus en plus étudiées en vue de développer des capteurs biochimiques grâce à leur faculté à confiner la lumière sur de petites surfaces.[24-26]

Une seconde possibilité réside dans l’utilisation du silicium poreux. La porosité d’un tel système offre ainsi de plus grandes surfaces de contact avec la substance à analyser et donc, en théorie, une plus grande sensibilité. Avec le silicium poreux, la détection chimique peut être basée sur la modification des

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propriétés électriques [27, 28], mais aussi des propriétés optiques comme la variation de la photoluminescence[29].

Mais les détails concernant ces composants ne seront pas plus développés dans cette partie, où, nous nous intéresserons plus particulièrement aux techniques en microoptiques permettant une détection sélective, soit via la fonctionnalisation de surface, soit par absorption directe ou de l’onde évanescente à une longueur d’onde spécifique.

Une solution avancée et commerciale est développée par la société SILIOS et basée sur un mini-spectromètre.

Les mini-spectromètres SILIOS résultent de l'association d'une puce optique passive spécifique et d'un imageur adapté au domaine spectral mesuré. La puce est composée de filtres en longueurs d'onde tous réalisés simultanément sur le même substrat (intégration monolithique). L'imageur accolé à la puce enregistre une image en niveaux de gris qui discrétise le spectre de la lumière incidente. Le nombre de bandes spectrales filtrées, leur centrage et leur largeur sont définis à la conception selon la demande du client.

SILIOS fournit aussi des sources conçues sur mesure et basées sur la technologie DEL (Diode ElectroLuminescente). Ces sources sont stables et leur durée de vie est au moins 10 à 100 fois supérieure à celle de n'importe quelle technologie.

6.1.1. Fonctionnalisation de surface d’un guide planaire

Une première possibilité consiste à fonctionnaliser le guide d’onde planaire en déposant une surface réactive avec l’élément à détecter. Comme le montre, le schéma suivant, lorsqu’il y a un changement dans les caractéristiques optiques du milieu extérieur (c’est-à-dire un changement d’indice de réfraction ou une réaction biochimique), cela se traduit par une modification des propriétés optiques de l’onde se propageant dans le guide. Ce phénomène est induit via le champ évanescent se propageant sur plusieurs centaines de nanomètres dans le milieu extérieur. Pour l’évaluation d’interactions spécifiques, le récepteur est attaché de façon covalente sur la surface du capteur (1), alors que la molécule complémentaire va venir se fixer librement au récepteur (2). La reconnaissance de la molécule complémentaire par le récepteur va causer le changement de l’indice de réfraction détectable par le capteur optique (3).

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Figure 28 : Détection par champ évanescent basé sur le principe d’intéraction de biomolécules dans un micro-capteur optique

Une des techniques les plus utiles pour la fonctionnalisation de surface d’un capteur optique est la formation en première étape d’une mono-couche auto-assemblée (SAM) [30]. En raison des difficultés posées par la chimie des chalcogénures comme leur forte réactivité avec des solvants basiques, la fonctionnalisation via une couche d’or a été choisie. L'or est un métal intéressant en raison notamment de sa durabilité chimique contre l'oxydation, ce qui est important pour les applications biologiques. Il est également intéressant pour sa bonne adhérence quand il est déposé sur une couche sulfure, probablement due à la création de liaisons Au-S.

Un capteur biochimique a ainsi été réalisé à partir d’une couche mince en verre de chalcogénures recouverte par des îlots d’or de 20 nm d’épaisseur [31, 32]. Une représentation schématique du capteur planaire, développée par Yu et al., avec une surface fonctionnelle, est donnée par la figure suivante.

Figure 29 : Représentation schématique d’un capteur biologique planaire

Jusqu’à présent, il a été démontré une bonne compatibilité des couches chalcogénures, qu’elles soient sulfures ou séléniures, avec les premières étapes de fonctionnalisation (caractérisation par FT-IR ou PM-IRRAS). La détection proprement dite via un faisceau se propageant dans le guide planaire de chalcogénures n’a pas encore été rapportée.

6.1.2. Absorption dans une zone libre de propagation

Dans cette configuration, deux guides planaires sont espacés par une zone libre où le signal lumineux peut être absorbé par une molécule chimique. On parle de structure ARROW (pour Anti-Resonant Reflective

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optical Waveguide en anglais). Cette solution offre l’avantage d’avoir un très bon alignement entre les deux guides planaires. Les premiers travaux ont porté sur la réalisation de ce type de capteur en technologie silicium [33, 34], avant d’être adapté aux verres de chalcogénures pour permettre une détection chimique dans le moyen infrarouge. [35]

Dans ce cas, c’est une structure multicouches, avec trois couches provenant de deux matériaux chalcogénures différents, permettant le guidage de la lumière dans la couche centrale.

Figure 30 : Configuration d’un capteur « ARROW » composé de trois couches en verre de chalcogénures [35]

Cette configuration nécessite une étape de gravure qui doit être parfaitement maîtrisée pour éviter des flancs incurvés, pouvant être à l’origine d’une augmentation des pertes optiques. Pour le moment, aucune détection optique n’a pu être obtenue par cette technique.

6.1.3. Détection par champ évanescent

C’est une technique largement utilisée avec les fibres optiques et qui voit également son développement au sein de l’optique intégrée. Le principe, beaucoup plus détaillé dans le cas des fibres optiques dans le chapitre 4, repose sur la création d’un champ évanescent à l’interface guide/air qui va venir sonder le milieu environnant. Si ce dernier est composé de molécules absorbant la longueur d’onde transmise dans le guide, alors l’intensité lumineuse est modifiée et on observe la détection.

L’objectif est donc de mettre en contact la molécule à analyser avec le guide pour entraîner une modification de ce champ évanescent.

Pour ce faire, plusieurs configurations de capteurs ont tout d’abord été réalisées en oxyde ou oxynitrure de silicium comme par exemple des résonateurs [36, 37], des cavités [38] ou des spirales[39, 40], qui peuvent être utilisés pour une application en tant que capteur.

Ces composants ont ensuite été transposés aux verres de chalcogénures afin d’accroître le domaine d’utilisation vers les grandes longueurs d’onde [41-43].

Pour ce qui est de la réalisation d’un capteur complet avec un support microfluidique pour la détection chimique, Hu et al., ont récemment démontré la faisabilité d’un capteur chimique à l’aide de guide en verre de chalcogénures [21]. Ils ont ainsi montré la détection de N-méthylaniline à 1496 nm environ.

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Afin d’accroître la sensibilité de leur capteur, ils veulent se tourner vers la réalisation de guides canalisés à jonction Y.

Il apparaît donc en vue de cet état de l’art qu’il serait intéressant de voir s’il est possible d’utiliser les verres de chalcogénures de composition originale et optimisée pour réaliser des microcomposants optiques, capables de détecter des espèces chimiques absorbants dans le moyen infrarouge. C’est pourquoi, nous nous sommes orientés vers la réalisation de guides canalisés à jonction Y en verre de chalcogénures dans un objectif final d’une détection de CO₂ gazeux par voie optique (projet ANR 2009-2011 : détection du CO₂).