Comparaison de la détection en intensité et par balayage spectral

Comme nous l’avions évoqué dans la section I.2.4.c Transducteurs à microrésonateurs

optiques (49) I.2.4.b, il existe deux techniques de détection pour la mesure du décalage du

II.2 Dispositif de détection

127  une détection du décalage spectral par balayage spectral de la réponse optique  une détection du décalage en intensité à une longueur d’onde fixe

Figure II 50. Représentation de deux techniques de détection pour le décalage spectral de la raie transductrice : détection par un balayage spectral de la raie transductrice (à gauche) et détection à longueur d’onde fixe (à droite) La majorité de nos mesures ont été réalisées par la technique de détection du décalage spectral par balayage spectral de la réponse optique. Cependant, les avantages de la méthode du décalage en intensité sont à considérer. Cette technique n’effectue pas de balayage spectral et ne nécessite donc pas l’utilisation d’un laser accordable de coût élevé. Un laser peu accordable suffit. L’absence de balayage spectral permet surtout une détection plus rapide, qui ne dépend que de la fréquence de la carte d’acquisition du capteur (2,5 MHz pour notre carte d’acquisition) et des photodiodes (de 1 à 17 MHz suivant le gain choisi pour nos photodétecteurs InGaAs). En ce qui concerne la détection par balayage spectral, la rapidité dépend de la vitesse du balayage du laser accordable et du temps de traitement informatique.

Pour comparer ces deux techniques, nous avons réalisé un nouveau logiciel de pilotage pour la détection en intensité. Celui-ci présente la possibilité d’ajuster la fréquence d’acquisition et le nombre de points de moyennage Nmoyennage. Dans le Tableau II 4, nous avons comparé les temps d’exécution des deux méthodes :

Principe de détection Temps d’exécution entre chaque point

Détection par balayage spectral 0,45 - 1 s

Détection en intensité (sans moyennage) 2 ms

Détection en intensité (Nmoyennage = 100) 8 ms

Détection en intensité (Nmoyennage = 500) 28 ms

Détection en intensité (Nmoyennage = 1000) 47 ms

Détection en intensité (Nmoyennage = 10000) 0,5 s

128 Nous observons que le temps d’exécution de la méthode de détection en intensité sans moyennage est de 2 ms contre 0,45 à 1 s pour celle par balayage spectral. La détection en intensité peut donc être 50 à 500 fois plus rapide que celle par balayage spectral. S’ouvre alors la possibilité d’étudier des cinétiques de réaction de l’ordre de quelques millisecondes. Cependant, si l’on augmente le moyennage de la méthode en intensité à 10000 points, afin d’améliorer la résolution de la mesure, le temps d’exécution des deux méthodes est le même. Afin de comparer ces deux techniques de détection, nous avons calculé les sensibilités de chaque méthode pour le même temps d’exécution (0,5 s). Pour cela, nous avons étudié les décalages en longueur d’onde (détection par balayage spectral) et en intensité (détection en intensité) dus à la transition eau déionisée (EDI, utilisée comme solution de référence) - solution de glucose pour différentes concentrations de glucose (Figure II 51) sur ces deux méthodes.

Figure II 51. Décalage spectral (à gauche) et décalage en intensité (à droite) dû à la transition eau déionisée – solution de glucose pour une concentration de glucose de 0.142 mol/L

La dépendance des décalages spectraux avec la concentration est indiquée en Figure II 52. Pour le même temps d’exécution, nous avons des résolutions, sur 100 points, de 0,31 pm pour la détection par balayage spectral et de 43,8 mV pour celle en intensité, pour une sensibilité de 1062,4 pm/mol.L^-1 en détection par balayage spectral et 17,96 V/mol.L^-1 en détection en intensité. De cela, nous pouvons en déduire des détections limites de 53 mg/L en balayage spectral et 440 mg/L en intensité. La limite de détection par balayage spectral

II.2 Dispositif de détection

129 Figure II 52. Courbes de calibration du décalage spectral en fonction de la conecnetration en glucose

Néanmoins, sans moyennage du signal, le temps de réponse de la détection en intensité peut atteindre 2 ms. Il est donc possible d’avoir accès à des phénomènes assez rapides comme la réplication de l’ADN (cf. Figure II 53). Cependant, le temps de réponse pour l’étude de réaction chimique est limité par la diffusion de la solution à étudier dans l’eau déionisée (1 s à 10 µL/min ou 20 ms à 500 µL/min) (cf. II.3.1.b Minimisation du temps de

diffusion). Par ailleurs, avec un temps de réponse de 2 ms, il n’y a pas de moyennage du

signal et l’incertitude de mesure est élevée. La méthode en intensité reste cependant intéressante pour l’étude de phénomènes comme la photocommutation, réalisée à flux nul.

Figure II 53. Echelle des temps de réaction de différents phénomènes. Nous observons que le phénomène de réplication est de l’ordre de 10^-3 s [Malcolm Buckle, LBPA]

Par ailleurs, la détection en intensité présente une plage de mesure mes faible autour du point le plus adapté pour cette méthode, le point d’inflexion, là où la pente de la raie est maximale et le décalage en intensité le plus important (cf. Figure II 54). La gamme de concentrations mesurables est donc limitée. Cette méthode est, par ailleurs, plus sensible aux perturbations extérieures (variation d’intensité, choc sur la table optique, désalignement, changement de température). D’autre part, à terme, l’intérêt de cette méthode est d’être utilisable avec un laser peu accordable, moins coûteux qu’un laser accordable. Avec un tel laser, la plage spectrale pour choisir les raies est alors très faible.

Sensibilité S=1062.4 pm/mol.L^-1

Sensibilité S=17.96V/mol.L^-1

130 Figure II 54. Plage de mesure _{mes de la technique de détection en intensité autour du point d'inflexion}

En comparaison, la détection par balayage spectral apparaît robuste ; elle permet la mise en œuvre de traitements multiples pour améliorer l’incertitude de mesure, la mesure en parallèle ou différentielle (cf. Chapitre 4) et le suivi en temps réel de plusieurs raies de résonances. Un autre avantage est la possibilité de détecter simultanément les décalages spectraux en polarisation TE et TM.