DOSSIER
agrophotonique
autonomie représente cependant un des freins à leur adoption à plus grande échelle.
Les biocapteurs photoniques sont utilisés pour l’ analyse chimique ou biologique dans de nombreux domaines tels que la santé comme aide au diagnostic médical ou dans la surveillance des milieux environnementaux. Nous nous intéressons ici à des capteurs sensibles à la variation de l’ indice de réfraction du milieu considéré. La performance de ces capteurs est caractérisée par la sensibilité optique brute qui correspond au décalage en longueur d’ onde de la réponse spectrale rapporté à une variation unitaire de l’ indice du milieu, en nm / RIU [ Refractive Index Unit ]. Un autre critère de performance est la limite de détection qui, pour un système complet donné, représente la plus petite variation d’ indice détectable
( en RIU). Du point de vue de l’ utilisateur, cela peut se traduire par une valeur de concentration seuil, dont l’ estimation n’ est toutefois valable que pour un système biologique donné( elle dépend du choix du bio-récepteur et de son taux de couverture) et pour des conditions de flux donnée( géométrie de canal fluidique, débit).
Les capteurs optiques à base de fibres optiques exploitent l’ interaction d’ une onde incidente avec le milieu à analyser. Ils sont fiables mais généralement peu sensibles, ils nécessitent ainsi une distance d’ interaction relativement élevée, ce qui limite leur compacité. A contrario, les guides plasmo-photoniques intégrés sur puces sont très miniaturisables et permettent d’ atteindre des sensibilités records. Le terme « plasmo- » fait référence aux plasmons de surface, une onde optique de surface capable
Figure 1. Principe de la puce biocapteur plasmo-photonique interférométrique bimodal et de la mesure. La puce peut contenir plusieurs centaines de capteurs individuels, chacun étant constitué d’ une zone plasmonique sur laquelle les bio-récepteurs ont été déposés. Plusieurs capteurs sont excités, donnant une image qui encode les spectres d’ interférence de ces différents canaux. de se propager à l’ interface entre certains métaux( or, aluminium …) et le milieu( diélectrique) à analyser. Nous présentons ici un prototype d’ instrument de mesure exploitant ces guides intégrés plasmo-photoniques aux performances uniques.
LE CAPTEUR PLASMONIQUE BIMODAL L’ architecture des capteurs que nous développons est présentée sur la Figure 1. Nos travaux antérieurs avaient démontré ce concept avec des guides photoniques en TiO 2 ou SiN [ 1,2,3 ]. Ici, des guides photoniques en polymère( résine SU-8) sont couplés à des rubans en aluminium, un choix de matériaux nous permettant de proposer une puce à bas coût et compatible CMOS [ 4,5 ]. La résine SU-8 est une résine de lithographie éprouvée qui a démontré sa capacité à faire des guides photoniques à faibles pertes( quelques dB / cm). La zone active du capteur est intégrée dans une configuration d’ interféromètre de type Mach-Zehnder( MZI) qui peut être à double chemin ou à chemin unique [ 6 ] comme c’ est le cas ici. Les deux branches du MZI sont ainsi superposées verticalement, ce qui simplifie la fabrication et permet d’ améliorer encore la compacité.
Le guide photonique monomode est excité par une source extérieure de polarisation transverse( TM) permettant l’ excitation des plasmons de surface. Deux modes plasmon d’ interface se propagent, un sur chaque face du métal. Dans la configuration dite « bimodale », le plasmon de référence se propageant sur la face inférieure est insensible au milieu d’ analyse tandis que le mode supérieur est en contact avec lui. Une épaisseur de 80 nm d’ aluminium suffit à éviter que les deux modes plasmon n’ interagissent, préservant ainsi l’ intégrité du signal de référence. Les biomolécules captées induisent une variation d’ indice et donc un déphasage du plasmon de la branche de détection. Les deux plasmons guidés se recombinant en sortie de structure métallique, ils produisent un spectre interférentiel
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