Analyse polarimétrique de transductions optiques de surface pour applications en biodétection

Les biocapteurs sont actuellement des outils de plus en plus utilisés dans diverses applications telles que l'analyse moléculaire pour la recherche et l'industrie pharmaceutique, le contrôle environnemental dans l'industrie agroalimentaire et surtout dans la détection de marqueurs biologiques pour le diagnostic de maladie ou de cancer. Les technologies utilisant les transductions optiques de surface prennent de plus en plus d'espace dans ces domaines, car elles amènent plusieurs avantages : rapidité de la mesure, sensibilité à l'échelle moléculaire, possibilité de miniaturisation, et sans modification de la substance à étudier (fluorophore ou autres types de marqueurs)… Cependant, elles sont peu présentes dans le domaine médical du fait de leurs méconnaissances et qu'elles peuvent présenter certaines restrictions d'un point de vue de la sensibilité et de la gamme dynamique, ainsi qu'en matière de multiplexage. Le propos de cette thèse est l'élaboration de biocapteurs à analyse polarimétrique basés sur des transductions optiques de surface telles que la réflexion totale interne ou les phénomènes plasmoniques; afin de proposer une plateforme permettant la détection de marqueurs pour une application biomédicale ou biochimique spécifique. Cette plateforme devra présenter les conditions nécessaires quant à la limite de détection, la gamme dynamique et le multiplexage nécessaire à ce type de test. Le choix de la polarimétrie a été motivé par le fait que les méthodes de mesure de la polarisation et de la phase sont stables et présentent de faibles niveaux de bruits. Elles reposent sur l'analyse comparative entre deux polarisations orthogonales d'un même faisceau. Cela permet un autoréférencement de la mesure et une immunisation contre le bruit environnemental (dont les variations en température, en pression...). Cette propriété propre à l'étude polarimétrique permet de concevoir des instruments de meilleure résolution et donc d'obtenir une meilleure limite de détection. Du choix de la polarimétrie découle le choix des transductions optiques de surface, qui présentent généralement une asymétrie dans leurs réponses entre deux polarisations orthogonales. Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de sélectionner plusieurs transductions optiques de surface présentant les meilleures capacités en matière de sensibilité. La première est le cas de la réflexion totale interne où les polarisations parallèles et perpendiculaires au plan d'incidence présentent des réponses différentes lors d'un évènement biologique (dépôt de molécule sur une surface, changement de solution).

Abstract

Biosensors are currently tools increasingly used in diverse applications such as molecular analysis for academic research and pharmaceutical industry, environmental monitoring in the food industry, and also in the detection of biomarkers for disease diagnosis or cancer. Technologies using surface photonic transduction for bio - detection are taking more space because they bring several advantages such as speed measurement, sensitivity at the molecular level, possibility of miniaturization, label free (fluorophore or other types of markers) ... However, they are not used in medical applications as they are unrecognized and they could present some limitations in terms of sensitivity and dynamic range, as well as multiplexing. The purpose of this thesis is the development of biosensors with polarimetric analysis based on optical transduction occurring at surfaces, such as total internal reflection or plasmonic phenomena; in order to provide a platform for the detection of a specific marker for biomedical application. The proposed platform will must present sufficient limit of detection, dynamic range and multiplexing required for this type of test. Choice of polarimetry is motivated by the fact that these methods for measuring polarization and phase are stable and present low level of noise. They are based on the comparative analysis between two orthogonal polarizations of a same beam. This permits a self-referencing measurement and immunization against environmental noise (temperature, pressure). These properties enable the design of instruments with better resolution and thus a better detection limit. Choice of surface photonic transductions is driven by the use of polarimetry. They typically have an asymmetry in their responses between two orthogonal polarizations. Initially, a literature study is performed to select multiple optical transductions occurring at surfaces with the best capabilities for leukemia detection. In the case of total internal reflection, parallel and perpendicular polarizations to plane incidence have different response during a biological event (molecule deposition on a surface, changes in solution). The surface plasmon resonance and the nanoplasmonics (with a nanostructure grating) affect only one polarization after a biological event, leaving the other one inert and suitable for use as a reference. Finally, these three transductions are selected because they all have sensitivity and dynamic range that can meet the needs of the proposed measurement.