Composition du transducteur

Dans cette partie, nous allons commencer la description pratique de l’élaboration d’un biocapteur SPR, couplé par prisme, par l’élaboration du transducteur, site des interactions biomoléculaires, sur la base de ce prisme.

II.1.1.

Composition du transducteur

Avant de simuler différentes couches métalliques, nous allons définir les différents critères faisant d’un métal un bon candidat pour notre biocapteur SPR à interrogation en réflectivité.

II.1.1.1. Critères de sélection du métal

Tout d’abord, la couche métallique du transducteur est destinée à être déposée sur le prisme. Il faut donc que le métal choisi puisse se fixer sur le verre et devienne ainsi une partie intégrante du capteur. Toutefois, certains métaux, comme l’or, n’adhèrent pas bien aux surfaces composées d’oxydes comme le verre ou le quartz [ 79 ]. Alors, pour faciliter l’adhésion du métal sur le verre, une couche ultrafine de chrome (1 à 2 nm [80], 2 nm [81], 5

nm [82]) ou parfois de titane (quelques nanomètres [51]) est souvent déposée sur le prisme. La fonction de ce métal (Cr ou Ti) est, d’un côté, de se lier de manière covalente aux oxydes à l’interface avec le verre et, de l’autre, de s’allier avec le métal choisi. L’insertion de cette couche ultrafine n’est cependant pas une obligation puisque le métal est parfois déposé directement sur le prisme [83].

Ensuite, la couche métallique choisie va être en contact avec les solutions contenant les produits biologiques intervenant dans les interactions mesurées. Le métal choisi doit donc être biocompatible, c’est-à-dire ne pas réagir avec les molécules mises en jeu dans les analyses et ne pas se détériorer au cours du temps suite aux contacts répétés avec ces milieux liquides (ne pas s’oxyder par exemple). Ce métal va aussi être le lieu de la fonctionnalisation de la surface et de greffage des sondes et doit donc avoir des propriétés physico-chimique compatibles avec cette nécessité. Le métal de choix répondant à tous ces critères est l’or. Toutefois, cela ne limite pas le choix final du métal qui sera compris entre 2 couches ultrafines : une première de chrome ou de titane facilitant sa fixation sur le verre et une seconde d’or facilitant la fonctionnalisation, la biocompatibilité et la stabilité de la surface. Ainsi, nous pouvons combiner les avantages du métal choisi avec ceux de l’or [84].

Enfin, le rôle principal de la couche métallique reste de rendre possible la résonance des plasmons de surface. Le choix de ce métal, toujours libre grâce à l’adjonction des deux couches ultrafines, doit être fonction de la sensibilité (en variation de réflectivité dans notre cas) qu’il permet d’obtenir. Cette sensibilité est fonction de l’indice de réfraction de ce métal. L’influence de la partie réelle et de la partie imaginaire de cet indice de réfraction sur les courbes de réflectivité en fonction de l’angle d’incidence est représentée sur la Figure 41, obtenue, comme dans la partie I.2, par des calculs fondés sur la méthode par récurrence de Rouard (Annexe 2). L’influence de ces paramètres est très claire : plus la partie réelle de l’indice de réfraction du métal est faible, plus le pic d’absorption dû à la SPR est étroit et, inversement, plus la partie imaginaire de l’indice de réfraction du métal est faible, plus le pic d’absorption dû à la SPR est évasé. Un métal sera donc un bon candidat pour un biocapteur SPR fonctionnant en interrogation en réflectivité si son indice de réfraction a une partie réelle la plus faible possible et une partie imaginaire la plus grande possible.

Figure 41 : Courbes de réflectivité en fonction de l’angle d’incidence extérieur à l’interface entre une couche métallique déposée sur un prisme en SF11 (np = 1,776) d’angle au sommet

AP = 32° et de l’eau (nc = 1,3316). A gauche, différentes valeurs, indiquées sur chaque

courbe, sont utilisées pour la partie réelle de l’indice de réfraction du métal (partie imaginaire constante Im(n) = 3,689). A droite, différentes valeurs, indiquées sur chaque courbe, sont utilisées pour la partie imaginaire de l’indice de réfraction du métal (partie

réelle constante Re(n) = 0,16).

En résumé, pour former le transducteur, nous devons déposer sur la base du prisme une couche d’un ou deux nanomètres de chrome ou de titane, une couche d’un métal se rapprochant d’un métal parfait (n = i⋅∞) et d’épaisseur restant à définir et une couche de quelques nanomètres (≈ 5nm) d’or.

II.1.1.2. Résonance des plasmons de surface sur Ag, Au, Cu et Al

D’après les critères définis précédemment pour sélectionner le métal, nous nous sommes limités à l’étude de quatre métaux différents : l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium. Les indices de réfraction de ces métaux à λ = 660 nm valent [175] : nAu = 0,145 + i⋅3,689 ;

nAg = 0,140 + i⋅4,209 ; nCu = 0,211 + i⋅3,761 ; nAl = 1,535 + i⋅7,900. Nous avons simulé quatre

configurations différentes composées d’un prisme en SF11, recouvert d’une couche d’un nanomètre de chrome et, suivant le cas, de 58 nm d’or, de 54 nm d’argent, de 52 nm de cuivre ou de 16 nm d’aluminium. Ces différentes épaisseurs ont été choisies pour donner la meilleure sensibilité (données non représentées sauf pour l’or en page 62). La comparaison de ces quatre configurations est représentée sur la Figure 42 où nous avons calculé la variation

de réflectivité causée par la fixation d’une couche de 1 nm d’épaisseur et d’indice de réfraction nb = 1,41.

Figure 42 : Influence sur la SPR de la nature du métal déposé sur un prisme en SF11 (np = 1,776), d’angle au sommet AP = 32° et recouvert sur sa base d’une couche de 1 nm de

chrome. A gauche, les courbes de réflectivité en fonction de l’angle d’incidence extérieur à l’interface entre cette couche métallique, dont la nature est indiquée sur chaque courbe, et l’eau (nc = 1,3316). A droite, la variation de réflectivité provoquée par l’adsorption d’une

couche de 1 nm d’épaisseur et d’indice de réfraction nb = 1,41 est représentée en fonction de

l’angle d’incidence pour chaque assemblage.

Sachant que nous avons défini l’or comme le meilleur candidat pour être au contact des produits biologiques à cause de sa bonne stabilité chimique, l’utilisation de l’aluminium et du cuivre ne semble pas appropriée. En effet, un empilement d’un de ces deux métaux avec une couche de 5 nm d’or donnerait un capteur de sensibilité moindre qu’un capteur avec une simple couche d’or alors qu’il serait plus compliqué à réaliser. La comparaison préliminaire réalisée dans la Figure 42 nous permet donc de nous limiter maintenant à l’étude de deux empilements :

- Cr (1 nm)/Au (58 nm)

- Cr (1 nm)/Ag (49 nm)/Au (5 nm).

Nous allons maintenant comparer la sensibilité de ces deux systèmes en fonction de la longueur d’onde par le même procédé que celui utilisé dans la Figure 42, mais, au lieu de représenter les variations de réflectivité pour chaque incidence, nous allons directement

représenter la variation de réflectivité maximale ∆Rmax. Nous pouvons donc maintenant

comparer ces deux systèmes pour différentes longueurs d’onde.

Figure 43 : Comparaison des propriétés SPR d’une couche simple d’or et d’une couche bimétallique argent/or. La variation maximale de réflectivité provoquée par l’adsorption

d’une couche de 1 nm d’épaisseur et d’indice de réfraction nb = 1,41 est représentée en

fonction de la longueur d’onde pour chaque assemblage.

Sur la Figure 43, nous voyons que le gain apporté par la bicouche Ag/Au par rapport à une couche d’or diminue lorsque la longueur d’onde augmente : nous passons d’un gain de 100 % pour λ = 600 nm à un gain de 10 à 15 % pour des longueurs d’ondes supérieures à λ = 700 nm. Pour la longueur d’onde que nous utilisons dans notre montage (voir partie II.2.1), c’est-à-dire λ = 650 nm, la bicouche Ag/Au apporte un gain de 30% en sensibilité mais, ayant toujours eu en vue un changement ultérieur de longueur d’onde de travail vers le proche infrarouge où le gain de cette bicouche ne serait pas très important par rapport à la complexification du capteur, nous avons choisi, pour notre capteur, d’utiliser le système simple comprenant 1 nm de chrome suivi de 58 nm d’or.

Bien sûr, la sensibilité des deux systèmes étudiés dépend fortement de l’épaisseur d’or dans le cas Cr/Au et de l’épaisseur d’argent dans le cas Cr/Ag/Au. Les épaisseurs utilisées dans les différentes simulations précédentes proviennent d’une optimisation de ce paramètre

représentée sur la Figure 44. En pratique, ces simulations montrent que, pour le système Cr/Au, la sensibilité sera optimale pour une épaisseur d’or eAu = 58 ± 2 nm et que, pour le

système Cr/Ag/Au, la sensibilité sera optimale pour une épaisseur d’argent eAg = 49 ± 2 nm.

Figure 44 : Optimisation des propriétés SPR d’une couche simple d’or et d’une couche bimétallique argent/or à λ = 660 nm. La variation maximale de réflectivité provoquée par

l’adsorption d’une couche de 1 nm d’épaisseur et d’indice de réfraction nb = 1,41 est

représentée en fonction de l’épaisseur pour chaque assemblage.

Nous avons à présent défini et justifié l’empilement de couches métalliques déposées sur le prisme pour former un capteur SPR : 1 nm de chrome recouvert de 58 nm d’or. Une fois ce capteur recouvert d’une chimie de surface adéquate, il pourra alors servir en tant que biocapteur.