Avant-propos

Frédéric A. Banville : 1_{Étudiant au doctorat, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes}

(LN2)- CNRS UMI-3463, Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada. 2_{Étudiant au doctorat, Laboratoire Charles}

Fabry, Institut d’Optique Graduate School, Université Paris-Saclay, CNRS, Palaiseau, France. Julien Moreau : Chercheur au CNRS, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique Graduate School, Université Paris-Saclay, CNRS, Palaiseau, France.

Mitradeep Sarkar : Étudiant au post-doctorat, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique Graduate School, Université Paris-Saclay, CNRS, Palaiseau, France.

Mondher Besbes : Ingénieur de recherche au CNRS, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique Graduate School, Université Paris-Saclay, CNRS, Palaiseau, France.

Michael Canva : Professeur, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2)-CNRS UMI- 3463, Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada.

Paul G. Charette : Professeur, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2)-CNRS UMI-3463, Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Canada.

Date de l’acceptation : 9 avril 2018

Revue : Optics Express

Référence : Banville, F. A., Moreau, J., Sarkar, M., Besbes, M., Canva, M. et Charette, P. G. (2018). Spatial resolution versus contrast trade-off enhancement in high-resolution surface plasmon resonance imaging (SPRI) by metal surface nanostructure design. Optics Express, volume 26, numéro 8, p. 10616‑10630.

Titre français : Amélioration du compromis entre la résolution spatiale et le contraste en imagerie à résonance de plasmons de surface (SPRI) à haute résolution par la conception de surfaces métalliques nanostructurées.

Contribution au manuscrit :

De nombreuses techniques ont été proposées pour améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR [Banville et al., 2015; Huang et al., 2007; Watanabe et al., 2012]. Cependant, celles-ci entraînent une détérioration des autres paramètres d’imagerie. Dans cette publication, nous démontrons que les surfaces métalliques nanostructurées permettent de réduire efficacement la propagation des modes plasmoniques propagatifs, et qu’elles sont bien adaptées pour l’imagerie SPR de haute résolution.

Originalité des travaux :

Ces travaux présentent une analyse exhaustive des propriétés du mode « hybride » supporté par une surface métallique nanostructurée, en relation avec la géométrie du réseau de nanostructures. Nous démontrons que cette géométrie peut être optimisée de manière à réduire significativement la propagation du mode plasmonique sans atténuer les autres paramètres d’imagerie. Les résultats des simulations numériques sont ensuite validés expérimentalement à l’aide de structures synthétiques de test. La comparaison entre les surfaces métalliques uniformes et nanostructurées montre une nette amélioration de la résolution spatiale sans diminution du contraste dans les images acquises.

Contributions respectives des auteurs :

J’ai effectué les simulations numériques, fabriqué les échantillons utilisés dans cette étude, effectué les mesures en imagerie SPR et traité les résultats expérimentaux. Mondher Besbes a développé le logiciel d’analyse numérique et Mitradeep Sarkar a aidé dans l’analyse des résultats des simulations numériques. Les professeurs Michael Canva et Paul Charette, ainsi que mon encadrant en France Julien Moreau ont supervisé la direction des travaux. Tous les auteurs ont approuvé la version finale du manuscrit avant la soumission pour publication.

Résumé français :

L'imagerie à résonance de plasmons de surface (SPRI) est une technique optique de champ proche utilisée pour la cartographie des perturbations chimiques et physiques survenant au- dessus d'une surface métallique sans la nécessité de marquage. À ce jour, la majorité des systèmes SPRI sont employés pour la biodétection en temps réel et simultanée d’une matrice de zones d’analyse, et ne nécessitent qu'une résolution spatiale modeste. Il existe un intérêt croissant pour l’application de la SPRI pour l’imagerie sans marquage de cellules biologiques afin d’étudier les interactions entre cellules et surfaces. Cependant, la résolution nécessaire pour imager ces phénomènes de surface (inférieure au micron) dépasse largement ce que les systèmes actuels permettent. En effet, la longueur d’atténuation des plasmons polaritons de surface (SPP) limite fortement la résolution selon l’axe de propagation, typiquement de l’ordre des dizaines de micromètres. Les stratégies développées à ce jour pour améliorer la résolution spatiale en SPRI entraînent une détérioration des autres paramètres d’imagerie, notamment le contraste des images. Contrairement aux surfaces métalliques uniformes utilisées en SPRI supportant des modes de surface purement propagatifs, les surfaces métalliques nanostructurées supportent des modes plasmoniques dit « hybrides » qui partagent les propriétés de modes propagatifs et localisés. Dans cet article, nous montrons que ces modes hybrides sont particulièrement bien adaptés pour l’imagerie SPR de haute résolution. Nous démontrons comment la géométrie des réseaux métalliques peut être optimisée pour obtenir une résolution inférieure au micromètre tout en atténuant les compromis avec les autres propriétés d’imagerie.

Résumé anglais :

Surface plasmon resonance imaging (SPRI) is an optical near-field method used for mapping the spatial distribution of chemical/physical perturbations above a metal surface without exogenous labeling. Currently, the majority of SPRI systems are used in microarray biosensing, requiring only modest spatial resolution. There is increasing interest in applying SPRI for label- free near-field imaging of biological cells to study cell/surface interactions. However, the required resolution (sub-μm) greatly exceeds what current systems can deliver. Indeed, the attenuation length of surface plasmon polaritons (SPP) severely limits resolution along one axis, typically to tens of μm. Strategies to date for improving spatial resolution result in a commensurate deterioration in other imaging parameters. Unlike the smooth metal surfaces used in SPRI that support purely propagating surface modes, nanostructured metal surfaces support “hybrid” SPP modes that share attributes from both propagating and localized modes. We show that these hybrid modes are especially well suited to high-resolution imaging and demonstrate how the nanostructure geometry can be designed to achieve sub-μm resolution while mitigating the imaging parameter trade-off according to an application-specific optimum.