b Mise en œuvre expérimentale end détection surfacique et résultats

L’application principale des capteurs optofluidiques étant l’étude de cinétiques de réactions chimiques ou la quantification de molécules cibles dans une solution d’analyte (106), il est donc important de montrer l’intérêt de la méthode aux points d’inflexions avec une réaction

spécifique sur notre microrésonateur fonctionnalisé (détection surfacique).

Afin d’identifier si la méthode de détection aux points d’inflexion est adaptée à la détection surfacique, nous comparons les différentes méthodes de détection avec notre capteur optofluidique, en suivant un protocole similaire à la section II.4.2.a Mise en œuvre

expérimentale en détection homogène et résultats, dans le cas de l’attachement de 2 nmol/L

d’ions cadmium (cf. Chapitre 3) à la surface du microrésonateur par l’intermédiaire d’un ligand de reconnaissance spécifique aux ions cadmium, le 2,2’-((4-Amino-1,2-Phenylene) Bis(Carboxylatoazanedyil))Diacetate (2,2’(4A-1,2-PBC)D) (synthétisé et fourni par l’équipe du Prof. I. Leray du laboratoire de Photophysique et Photochimie Supramoléculaire et Macromoléculaire PPSM, Institut d’Alembert, ENS Paris-Saclay), préalablement immobilisé sur la surface du microrésonateur. La concentration a été choisie pour être proche de la limite de détection du capteur (décalage spectral supérieur à 3[]) et loin de la saturation de détection du capteur ( autour de 5 nmol/L). Le protocole de fonctionnalisation de la surface du microrésonateur en SU-8 est présenté en détail dans le chapitre 3. Les étapes principales sont l’activation de la surface SU-8 par UV/Ozone et l’immobilisation du ligand de reconnaissance spécifique pour la détection d’ions cadmium dans l’eau sur cette surface activée par réaction d’amidation entre les groupes actifs en surface du SU-8 et l’amine du ligand. La solution de référence est l’eau déionisée. Nous avons mesuré le décalage spectral

II.4 Amélioration de la limite de détection du capteur par une optimisation de la mesure en temps réel du décalage spectral de la raie transductrice

151 (après rinçage du microrésonateur) dû à la fixation d’une concentration de 2nmol/L d’ions cadmium (Figure II 68). Après la fixation des ions cadmium, nous avons rincé la surface du microrésonateur à l’eau déionisée pour évacuer tous les ions résiduels qui ne sont pas fixés sur le ligand. Les ions cadmium fixés sur la surface peuvent être éliminés de leur ligand par protonation avec une solution d’acide perchlorique à pH3 afin de régénérer la surface pour une nouvelle détection d’ions cadmium (cf. Chapitre 3).

Pour cette expérience nous avons fonctionnalisé 3 microrésonateurs différents. Sur chaque microrésonateur fonctionnalisé, pour chaque raie transductrice sélectionnée pour la mesure, nous avons effectué 3 injections successives d’ions cadmium à lune concentration de 2nmol/L dans l'eau déionisée, avec régénération de la surface du microrésonateur après chaque mesure. Nous avons mesuré les décalages spectraux correspondants.

Sur la Figure II 68 est représentée une courbe de mesure du décalage spectral correspondant à une injection de solution aqueuse d'ions cadmium à la concentration de 2 nmol/L. Le décalage spectral effectif correspondant à la fixation d'ions cadmium sur le ligand de reconnaissance immobilisé sur la surface du résonateur _sig a été obtenu après rinçage de la surface du résonateur. Le niveau de bruit sur le signal de mesure est représenté par

b((t)). Nous observons que le signal effectif de mesure sig est bien supérieur au niveau de bruit b((t)) et à la résolution de mesure c=3b[].

Figure II 68. Décalage spectral en polarisation TM dû à l’injection de 2nM d’ions cadmium à la surface du microrésonateur

Avant d'effectuer la mesure de détection surfacique spécifique d'ions cadmium, nous avons caractérisé l'immobilisation du ligand de reconnaissance sur la surface du résonateur. Nous avons ainsi mesuré la résolution du capteur avec le ligand (c2) correspondant aux 4 méthodologies de détection. Nous avons ensuite mesuré la résolution du capteur ainsi que le décalage spectral effectif correspondant à la fixation spécifique des ions cadmium sur le ligand (c3). Les résolutions du capteur c2 et c3, le décalage spectral engendré par l’injection de 2 nmol/L d'ions cadmium (sig) et le rapport signal sur bruit sig/c3

152 correspondant à 4 différentes méthodologies sont présentés sur le Tableau II 8. On y observe un rapport signal sur bruit de 3,02 avec la méthodologie de détection aux points d’inflexion contre 2,95 et 3,08, respectivement pour les méthodologies utilisant un ajustement par une fonction Lorentzienne et la fonction de transmission du microrésonateur.

Méthodes de détection Points d’inflexion (PI) Ajustement avec une Lorentzienn e Ajustement par la fonction de transmission Minimum d’intensité (Imin) c2=3b1[](pm) (avec ligand) 0,54 0,56 0,55 1,68 _c3=3_b2[](pm) (avec ligand et ions cadmium)

0,64 0,65 0,62 1,69

sig 1,93 1,92 1,91 0,48

sig/c3 3,02 2,95 3,08 0,29

Tableau II 8. Tableau comparatif des valeurs des incertitudes, du décalage spectral et des rapports signal sur bruit pour les quatre méthodes de détection proposées pour une concentration d’ions cadmium de 2 nmol/L

De la même manière qu’en détection homogène, la méthodologie de détection aux points d’inflexion possède un rapport signal sur bruit proche de celui des méthodologies avec ajustement. C’est donc une bonne alternative à ces méthodologies avec ajustement, avec un temps d’exécution mille fois plus rapide. Le décalage spectral mesuré par la méthodologie au minimum d’intensité est plus faible (δsig = 0,48 pm) que les décalages spectraux mesurés par les autres méthodologies. Cela est dû au fait que le signal détecté par la méthodologie au minimum d’intensité est noyé dans le bruit, la résolution de cette méthodologie étant de 1,68 pm. Avec cette méthode, il n’est alors pas possible d’assurer à 99,7% que le signal détecté corresponde bien à autres chose que du bruit. Ce résultat a confirmé ce que nous avions déjà observé en détection homogène pour de très faibles concentrations de glucose dans l'eau déionisée (2,2 mmol/L - Tableau II 7.A) dans laquelle le signal de transduction mesuré (sig = 1,05 pm) est plus faible que la résolution de mesure (c= 1,38 pm). Nous pourrions conclure que la méthodologie de détection du minimum d'intensité de la raie transductrice, que ce soit en détection homogène ou surfacique, est très sensible aux bruits de mesure et présente un très mauvais rapport signal sur bruit et n’est pas exploitable pour la mesure de faibles concentrations d'analyte avec le capteur optofluidique à base de microrésonateurs optiques.

On observe également que le bruit de mesure augmente avec la présence de molécules à la

surface du résonateur, avec (c3 de 0,62 pm à 0,65 pm, cf. Tableau II 8) ou sans présence d’ions cadmium à sa surface (_c2 de 0,54 pm à 0,56 pm) par rapport au bruit de la détection homogène (c1 de 0,49 pm à 0,52 pm, cf. Tableau II 7.B). Cette augmentation du bruit de la

II.4 Amélioration de la limite de détection du capteur par une optimisation de la mesure en temps réel du décalage spectral de la raie transductrice

153

détection surfacique pourrait s'expliquer par la contribution de fluctuations de molécules

immobilisées sur la surface du résonateur. Cette fluctuation moléculaire d'origine thermique (agitation thermique des molécules à la surface du microrésonateur) induit, via l’interaction avec l’onde évanescente du mode guidée, un changement aléatoire de l’indice effectif de ce dernier. Par conséquent, la position de la raie transductrice fluctue, ce qui augmente le bruit, qui tend à croître avec la densité surfacique de molécules immobilisées sur la surface du microrésonateur. C'est le cas du bruit surfacique causé par une simple couche moléculaire de ligand de reconnaissance immobilisée sur la surface du résonateur (c2 de 0,54 pm à 0,56 pm) comparé au bruit causé par cette couche au moment de la capture des ions cadmium venant se greffer sur elle (c3 de 0,62 pm à 0,65 pm) ; nous observons que c3 >

c2.

II.4.2.c Analyse et conclusion

La sensibilité aux ions cadmium (obtenue par une calibration) de notre microrésonateur fonctionnalisé est de 1.23x10⁹ pm/(mol/L), obtenue avec la méthodologie aux points d’inflexion (cf. Chapitre 3). Si l’on suppose les sensibilités des différentes méthodologies aux ions cadmium égales, on peut alors calculer les limites de détection des différentes méthodes. La limite de détection passe ainsi de 154 ng/L, en utilisant la méthodologie au minimum d’intensité de la raie transductrice, à 59 ng/L, en utilisant la méthodologie aux points d’inflexion. Nous avons ainsi pu améliorer la limite de détection du capteur d’un facteur 3 par rapport à la méthode au minimum d’intensité. L’analyse du rapport signal sur bruit, qui gouverne les performances générales du capteur(99), est encore plus claire : ce rapport est de 3,02 pour la méthodologie aux points d’inflexion contre 0,29 pour la méthodologie au minimum d’intensité. Le rapport signal sur bruit avec la méthode de détection aux points d’inflexion est donc 10 fois supérieur à celui de la méthode de détection au minimum d’intensité.

On peut légitimement se demander pourquoi les méthodologies par ajustement ne sont pas plus précises que la méthodologie aux points d’inflexion. Cela pourrait s’expliquer par le fait, que la valeur du minimum de résonance ne peut se situer exactement au centre de la courbe d’ajustement à cause du bruit en intensité, ce qui crée une déviation spectrale aléatoire de la longueur d’onde de résonance mesurée(50).