Développement d'un biocapteur combinant la plasmonique et l'électrochimie

Les biocapteurs sont des outils de détection extrêmement puissants, utiles pour une grande variété d'applications dans plusieurs domaines tels que la recherche biomédicale, le système de santé, l'industrie pharmaceutique et plusieurs autres. Les techniques plasmoniques et électrochimiques possèdent chacune leurs avantages et leurs inconvénients pour les applications de biodétection. Un biocapteur combinant les deux types de mesures a été fabriqué dans le cadre de ce projet. Un peigne d'électrodes interdigitées en or sert de surface pour la résonance des plasmons de surface (SPR) et pour les mesures d'impédance. Différentes mesures simultanées peuvent être prises en temps réel dans une cellule de mesure fermée avec un système d'impédance à 2 électrodes et un système SPR. La limite de détection SPR est dans le même ordre de grandeur que les systèmes en vente sur le marché. Dans le cadre de ce projet, un laser ultrarapide (impulsions de 120 femtosecondes) a été utilisé pour le prototypage rapide du peigne d'électrodes interdigitées sur une lamelle de verre (BK7) recouverte de 50 nm d'or. Le procédé de fabrication a été optimisé afin qu'il soit possible de contrôler la largeur des électrodes et que la qualité de surface soit idéale pour la résonance des plasmons de surface. La période de l'échantillon utilisé est de 30 μm et la distance entre les électrodes est de 6 μm. Les dimensions obtenues sont compatibles avec des techniques de microfabrication, ce qui permettrait une fabrication à faibles coûts pour une entrée sur le marché. Une fois les échantillons optimisés, deux montages optiques basés sur la configuration Kretschmann ont été réalisés dans le but de faire des mesures SPR spectrales. Le premier de ces systèmes se servant de la réflexion spéculaire sur l'échantillon et le deuxième se servant du premier ordre de diffraction en réflexion de l'échantillon qui agit comme un réseau. Des limites de détections de 7.9×10-7 RIU (refractive index units) et 7.2×10-6 RIU ont étés obtenus pour ces deux systèmes respectivement pour des expériences avec de l'éthanol. Un modèle électrique est présenté pour le peigne d'électrodes interdigitées du système de mesure d'impédance. La compatibilité du modèle est vérifiée, basée sur des changements dans la résistance de la solution. La limite de détection pour des solutions de NaCl est de 1.3×10-3 mg/100ml. La combinaison des deux systèmes a permis de montrer que le système SPR est plus

Abstract

Biosensors are powerful tools that are used for a wide range of applications in fields like biomedical research, healthcare, pharmaceuticals and many more. Plasmonic and electrochemical techniques have each their advantages and their weaknesses for biodetection applications. A biosensor combining both these measurement techniques was fabricated for this project. Gold interdigitated electrodes (IDEs) were used as a surface plasmon resonance (SPR) propagation surface and as electrodes for impedance measurements. Different types of measurements are enabled in real time within a closed measuring cell with a two-electrode impedance system. The limit of detection of the SPR system compares well with commercial systems. For this project, an ultrafast laser (120 femtosecond pulses) was used for fast prototyping of the interdigitated electrodes on a glass slide on which a 50 nm thin film was previously deposited. The fabrication process was optimized in order to obtain the optimal electrode width and a good surface quality for the propagation of surface plasmons. The period of the sample that was used is 30 μm and the distance between the electrodes is of 6 μm. These dimensions are compatible with standard microfabrication techniques, which would enable fabrication at a low price for a market entry. Two optical setups based on the Kretschmann configuration were realised in order to take spectral SPR measurements once the sample was fabricated. The first of these systems used the specular reflection on the sample and the second used the first order of diffraction from the interdigitated electrodes which acts as a grating. The limit of detection of those systems, measured with a change between water and ethanol solution are 7.9×10-7 RIU (refractive index units) and 7.2×10-6 RIU respectively. An equivalent circuit model is presented for the electrical impedance system. Based on changes between solutions with different salt concentrations, the model was verified. The limit of detection for a NaCl solution is 1.3×10-3 mg/100ml. The combination of these two types of measurements showed that the SPR system as a better sensitivity to variations in ethanol concentration and the impedance system to variations in salt concentrations.