Description du biocapteur

2.2.1 Cahier des charges du biocapteur réalisé

L’objectif de notre travail est de réaliser un capteur multicible sur une fibre unique ou, dit autrement dans le language développé au chapitre 1, nous souhaitons réaliser un biocapteur fibré

intrinsèque continu et multicible fonctionnant en direct. Ce type de biocapteur offre de nombreux

– la réalisation d’un biocapteur intrinsèque entraîne une intégration complète de la zone sensible dans la fibre (cf chapitre 1.3.3.2), et donc une miniaturisation extrême du cap- teur ;

– le fonctionnement en continu assure une mesure sur une certaine longueur de fibre et offre deux types de fonctionnements possibles : soit en réflexion, soit en transmission (cf chapitre 1.3.3.2). La résolution du capteur est alors directement reliée à la longueur de la zone sensible ;

– le biocapteur est utilisé de manière directe, c’est-à-dire sans marqueurs (cf chapitre 1.1). L’absence de marquage dans les biocapteurs optiques est extrêmement avantageuse. En effet :

? elle simplifie la procédure de préparation des échantillons et d’utilisation des biocap- teurs [66] ;

? la mesure s’affranchit de l’influence possible des marqueurs sur la fonctionnalité des molécules détectées ;

? elle permet de contrôler toutes les étapes de détection, de la fonctionnalisation à l’in- teraction biomoléculaire d’intérêt en passant par les interactions intermédiaires (les méthodes indirectes ne permettent que de contrôler l’étape mettant en jeu les molé- cules marquées).

Le caractère multicible de notre capteur sera d’autant mieux utilisé que la technique d’in- terrogation d’une de ses composantes sera souple. Ainsi, la possibilité d’effectuer une détection parallèle sur les différentes cibles de notre biocapteur peut être là aussi avantageuse. Elle offri- rait :

– un gain de temps en évitant de refaire plusieurs fois l’expérience avec des sondes diffé- rentes ;

– une réduction de la consommation de produits biologiques testés ;

– le suivi en parallèle et au même instant (i.e. dans les mêmes conditions) des réactions ; – une simplification dans la comparaison des résultats en fonction de la sonde (plus aisée

grâce à de plus faibles variations intra analyses).

Le cahier des charges relatif à notre système nous oblige à répondre à de nombreuses exigences. Dans ces conditions le choix des différents constituants du biocapteur est primordial

2.2 Description du biocapteur 39

et plus particulièrement celui du transducteur qui doit répondre aux différentes attentes énoncées. Nous allons nous attacher maintenant à expliquer les choix structuraux effectués compte tenu du cahier des charges développé ci-dessus.

2.2.2 Principe général

Comme nous l’avons vu dans le chapitre 1, un biocapteur est composé de trois éléments : – un système d’interrogation (chaîne d’amplification et de traitement du signal)

– un transducteur

– une bio-réaction (sonde/analytes)

Le choix du système d’interrogation est primordial. Il doit être précis, relativement simple à mettre en œuvre et d’un coût faible. Dans l’ensemble des techniques d’interférométrie classiques, la modulation de cohérence est une méthode qui répond parfaitement à ces différents critères.

Cette technique de détection repose sur l’utilisation d’interféromètres et plus particuliè- rement d’interféromètres à deux ondes. Les plus employés sont de types Michelson et Mach- Zehnder. Ces systèmes sont des interféromètres à deux voies ce qui nécessiterait dans notre cas l’utilisation de fibres optiques en parallèle. Cette solution est bien sûr à proscrire puisqu’elle ne correspond pas au cahier des charges. Dans ces conditions et dans le but d’obtenir une mi- niaturisation extrême, nous réaliserons un interféromètre en "ligne" sur une fibre unique. Cet interféromètre en "ligne" sera de type cavité Fabry-Pérot intrinsèque (figure 2.1).

Cavité

Fabry-Pérot

Miroir

{

Miroir

Coeur

Gaine

optique

FIG. 2.1 – Cavité Fabry-Pérot intrinsèque.

Les caractéristiques du Fabry-Pérot (réflectivité, finesse, longueur de cavité..) sont impo- sées par le système d’interrogation et seront définis par la suite.

L’interféromètre ainsi réalisé est la partie passive du transducteur. Il est sensible aux varia- tions d’indice effectif vu par l’onde guidée dans la fibre. De fait, pour rendre le capteur sensible aux paramètres extérieurs de la fibre, il faut que ceux-ci puissent modifier, par couplage, les conditions de guidage de l’onde dans le cœur de la fibre. Ce couplage sera dans notre cas obtenu en réalisant l’ouverture d’une fenêtre d’analyse (figure 2.2) à proximité du cœur de la fibre et située entre les deux miroirs composant la cavité Fabry-Pérot. Cette ouverture sur l’arête de la fibre confère au biocapteur un fonctionnement en continu.

Cette fenêtre d’analyse est la partie "active" du transducteur. Une modification des proprié- tés de l’interface entraîne une perturbation du champ évanescent et donc une modification des propriétés de la cavité Fabry-Pérot. Ces modifications sont détectées par modulation de cohé- rence et permettent ainsi de remonter à l’information de base recherchée.

Un grand nombre de biocapteurs utilisent les propriétés de confinement des modes évanes- cents. L’onde évanescente, comme nous l’avons vu, a la propriété d’être confinée au voisinage de la sonde, siège des interactions biomoléculaires. Cette onde se révèle extrêmement sensible à de très petites variations d’indices ou d’épaisseurs optiques, ce qui autorise la mesure de très faibles concentrations chimiques.

Comme nous l’avons vu, pour ce type de biocapteur la sonde est obtenue en dégainant complètement la fibre à proximité du coeur. L’architecture retenue est donc une variante de celle des capteurs évanescents de type (a) présentés sur la figure 1.9. Cependant, du fait des nom- breuses contraintes mécaniques liées à la réalisation de notre biocapteur, la fibre ne sera pas complètement dégainée afin d’éviter une trop grande fragilité de celle-ci. Nous nous proposons de développer une nouvelle structure adaptée à nos différents travaux. Cette architecture est dé- taillée sur les figures 2.2, 2.3, 2.4.

Cavité

Fabry-Pérot

{

Coeur

{

fenêtre

active

2.2 Description du biocapteur 41

La sonde (ou biorécepteur) du biocapteur est alors obtenue par dépôt d’une monocouche d’un agent chimique (figure 2.3).

Cavité

Fabry-Pérot

Sonde

{

Coeur

FIG. 2.3 – Déposition de la sonde ou biorécepteur.

La sonde fixe de manière sélective les analytes dont nous voulons mesurer la concentra- tion(figure 2.4). L’assemblage des molécules sur l’interface perturbe la propagation de l’onde évanescente et entraîne des variations de phase et d’amplitude du faisceau réfléchi se propageant dans la fibre.

Cette fonctionnalisation du biocapteur permet alors une mesure directe sans marquage préalable des analytes.

Analytes

FIG. 2.4 – Schéma général de notre biocapteur.

La structure de notre biocapteur nous permet de répondre aux trois principales exigences du cahier des charges. Cette architecture bien particulière ainsi que le système d’interrogation nous offrent en prime la possibilité de satisfaire aux différentes attentes énoncées :

– le principe de fonctionnement du transducteur s’articulant autour de deux méthodes de métrologie optique (interféromètrie, perturbation du champ évanescent), il entraîne une augmentation de la sensibilité du biocapteur ;

– l’architecture du biocapteur ainsi que l’utilisation de la modulation de cohérence comme système d’interrogation ouvrent la voie à une détection parallèle, c’est-à-dire à la réali- sation d’un biocapteur multiparamétrique. Nous réalisons sur une même fibre plusieurs biocapteurs fonctionnalisés différemment, identifiés par des longueurs de cavités elles aussi distinctes (figure 2.5).

Cavité

Fabry-Pérot 1

Sonde 1

Analytes

Miroir

{

Miroir

Gaine

optique

Cavité

Fabry-Pérot 2

Sonde 2

{

_Cavité

Fabry-Pérot n

Sonde n

{

Coeur

L

L

L

FIG. 2.5 – Schéma général du biocapteur multiparamétrique.

Après avoir présenté la structure de notre biocapteur et son fonctionnement, il est intéres- sant de déterminer théoriquement les caractéristiques des différents éléments qui le composent (transducteur, chaîne d’amplification et de traitement du signal).

Nous nous intéresserons en premier lieu au système d’interrogation du biocapteur : nous rappellerons tout d’abord et de manière succincte ce qu’est la modulation de cohérence, afin d’en comprendre les implications sur les propriétés de notre interféromètre intrinsèque de Fabry-Pérot. L’étude se portera ensuite sur la partie passive du transducteur, avec une description complète de la cavité. Enfin nous décrirons la partie active du transducteur, c’est-à-dire la zone de transduction biologie-optique, et plus particulièrement les variations théoriques de l’indice effectif de l’onde guidée dans la fibre optique au cours de la réaction biochimique.