Matériel plasmonique nano ou microstructuré

Le développement de nouveaux matériaux pouvant servir de capteur optique tout en offrant une plus grande sensibilité et de plus faible limite de détection est un axe de recherche crucial pour la technique SPR. On peut comparer les performances de détection des capteurs SPR en comparant leur résolution respective à l’indice de réfraction (en RIU) et leur sensibilité à un changement d’indice de réfraction. La résolution sera généralement obtenue en calculant le bruit lié à une mesure (en % de réflectivité, en angle ou en longueur d’onde) divisée par la sensibilité du capteur en « unité de mesure »/RIU. La résolution en termes d’indice de réfraction sera donc dépendante du bruit généré par la bande SPR (en lien avec l’instrumentation) et des propriétés du matériel plasmonique utilisé (en lien avec le capteur).

Il a été démontré dans la littérature44 _{que la technique SPR tend actuellement vers sa limite} théorique de sensibilité en ce qui concerne l’instrumentation et l’appareillage optique utilisé. L’emploi de matériaux plasmoniques plus sensibles que les films d’or continu permettraient de repousser les limites actuelles de détection par SPR. L’utilisation de nouveaux algorithmes lors du traitement de données est une autre solution à exploiter pour réduire le bruit sur une mesure, améliorant par le fait même les limites de détection obtenues. Comme la sensibilité des matériaux plasmoniques dépend de leur composition et de leur morphologie, il est possible d’adapter ou de modifier leurs structures physiques afin de maximiser leur réponse à une variation de l’indice de réfraction.

Induire des modifications structurales à l’échelle nanométrique ou micrométrique sur le matériel plasmonique peut mener à l’excitation de modes de diffraction ou à la coexcitation du plasmon propagatif et du plasmon localisé45_{. Ces matériaux plasmoniques permettent d’augmenter} la sensibilité ou de réduire la limite de détection en améliorant le ratio signal sur bruit. Certaines structures plasmoniques exploitent la forme de réseau de diffraction pour améliorer les

performances de détection en SPR. L’excitation du plasmon de surface d’un réseau de diffraction recouvert d’un mince film d’or (Figure 1.7) a démontré une plus grande sensibilité dans ces

conditions de résonance27_{. La perturbation du plasmon propagatif par le réseau de diffraction}

explique cette augmentation de sensibilité pour ce type de structure. Une étude théorique de celle- ci prédit un facteur d’augmentation de sensibilité d’environ 6 ou 7 par rapport à un film mince

d’or46_{. Dans ce cas, un système à interrogation des angles était utilisé et l’amplification avait lieu}

pour une gamme d’indices de réfraction dépendante des caractéristiques du réseau de diffraction. Il est possible pour ce type de structure d’observer des sites précis dans la structure du matériel plasmonique où l’amplification sera localement plus importante. Cet aspect a été rapporté dans la

littérature47 _{lors de l’immobilisation d’anticorps pour faire la détection d’anti-TNF-Į sur des nano}

réseaux de diffraction. Positionner précisément le site de détection du biocapteur au point du substrat plasmonique où le champ électrique est le plus important permettrait de maximiser la sensibilité des nanostructures, mais reste un défi de taille à accomplir.

Figure 1.7 Matériaux plasmonique micro ou nanostructuré servant de capteur SPR (A – réseau de diffraction, B – nanofils, C – nano/microtrous, D – nanodisques)

Un autre exemple de surface nanostructurée consiste en un arrangement de nanofils métalliques séparés par des espaces de l’ordre du micromètre (Figure 1.7). Ce type de structure

peut être utilisé en réflexion total interne48 _{ou en transmission}49_{. Cet ensemble de nanofils supporte}

un plasmon de surface localisé pouvant être exploité dans le cadre de mesure impliquant un

biocapteur49_{. Les bandes d’absorption SPR très fines dues aux ordres de diffraction vont permettre}

Un film d’or mince avec un arrangement hexagonal de trou ayant des diamètres entre 0.5 - 2 —m et une périodicité d’environ 1 - 3 microns a également été étudié dans la littérature50_{. Un tel} film de microtrous (Figure 1.7) possède des propriétés d’un réseau de diffraction puisqu’il peut être associé à un arrangement de bande d’or mince se répétant à tous les 60° de rotation par rapport au centre d’un trou. La sensibilité à l’indice de réfraction pour un film d’or avec microtrous sera augmentée d’un facteur 2 ou 3 par rapport à un film d’or continu. La biodétection de protéine comme l’IgG avec ce type de structure sera également amplifiée par un facteur d’environ 2 ou 3 par rapport à ce qui est observé sur un film d’or continu 50_{. L’utilisation de ce type de matériel} plasmonique est au cœur de cette thèse et a été exploitée dans le cadre de la détection d’un biomarqueur du cancer de la prostate (PSA) avec des détections de l’ordre du ng/mL, soit le niveau ciblé pour effectuer le test de dépistage de ce cancer51-53_{. La résolution observée pour les microtrous} était similaire à celle obtenue pour un film d’or continu (1.5 x 10-6 _{RIU) pour le même type} d’instrument SPR de configuration Kretschmann basé sur un prisme dove à inversion d’image50_.

Des films d’or nanostructurés ont également été utilisés en transmission extraordinaire optique (Extraordinary optical transmission - EOT) comme capteur LSPR54 _{(Figure 1.7). En effet,} des films d’or dans lesquels on retrouve des nanotrous ayant des diamètres entre 100 et 200 nm ont été rapportés pour l’étude physicochimique de formation et de changement de conformation de bicouches lipidiques55_{. Ces films d’or nanotroués ont aussi été utilisés en EOT pour l’étude de} cinétique de liaison d’anticorps sur une bicouche lipidique56 _{et pour la détection de protéine}55_{. Ce} type de nanostructure expose une portion de verre qui est plus ou moins importante à la solution selon la méthode de fabrication utilisée. Il est possible d’exploiter la présence du verre exposé librement à la solution pour promouvoir l’adhésion de liposomes ou des lipides à étudier56_.

Un autre type de nanostructures pouvant être utilisées en EOT sont les nanodisques d’or ou d’argent. Certaines études rapportent leur utilisation pour la détection de l’antigène prostatique spécifique (PSA) qui est un biomarqueur utilisé pour le dépistage du cancer de la prostate57, 58_{. La} biodétection de la PSA nécessitait toutefois un minimum de 2 heures pour ces deux études. Il est également important de mentionner que les analyses effectuées en EOT nécessitent le passage du faisceau lumineux à travers de la solution à analyser. Les biocapteurs développés sur ce principe seront grandement limités dans le cas d’échantillons plus complexes (exemple : sang ou sérum) qui absorberont la lumière et interféreront avec la biodétection. Cette interférence pourrait poser

problème pour analyser un marqueur tel que la PSA puisqu’il se retrouve justement dans le sang. L’utilisation d’un capteur en réflexion totale interne pourrait toutefois pallier aux interférences d’un milieu d’analyse aussi complexe.