Texte intégral de la thèse - Laboratoire national de métrologie et d

ENSC-( UMR 8537 )
THESE DE DOCTORAT
DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN
Présentée par
Yacouba SANOGO
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE
CACHAN
Spécialité : Physique
Sujet de la thèse :
Conception et fabrication de capteurs et de leur technique
d’interrogation pour des applications dans les domaines de la santé et
de l’environnement.
Thèse soutenue le 10 décembre 2012 devant le jury composé de :
Président : Marc HIMBERT Professeur au CNAM
Rapporteurs : Eric CASSAN Professeur à l’Université PARIS-SUD
Andrea MELLONI Professeur à l’Ecole Polytechnique de Milan
Directrices : Isabelle LEDOUX-RAK Professeur à l’ENS de Cachan
Anne-Françoise OBATON Docteur, Ingenieur de Recherche au LNE
Encadrant : Chi Thanh NGUYEN Docteur, Ingenieur de Recherche au CNRS
Examinatrice : Claude NOGUES Docteur, Chargée de Recherche au CNRS
Nom du Laboratoire : Laboratoire de photonique quantique et moléculaire
ENS CACHAN/CNRS/UMR 8537
61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN CEDEX (France)
Liste des domaines :
SCIENCES PHYSIQUES
CHIMIE ET SCIENCES DE LA VIE ET DE LA SANTE

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Remerciements
De prime abord je remercie vivement, Pr Andrea MELLONI et Pr Eric CASSAN, d'avoir
accepté d'assumer le travail de rapporteur de ce manuscrit, Pr Marc HIMBERT pour l'honneur
qu'il m'a accordé en acceptant de présider mon jury de thèse.
Je remercie également Pr Isabelle LEDOUX-RAK et Dr Anne-Francoise OBATON, co-
directrices, Dr Chi Thanh NGUYEN, encadrant de cette thèse. Malgré leurs nombreuses
autres responsabilités, ils se sont toujours montrés très disponibles et ont su m'orienter
scientifiquement dans les moments importants et décisifs de la thèse. Leurs qualités de
visionnaire en terme de nouveaux projets, associées à leur remarquable énergie mis à profit de
la recherche scientifique, font d’eux des directeurs et encadrant de thèse très enviés. De par
leur grande expérience dans les domaines de la recherche, ils m'ont permis de mener à bien
cette thèse de doctorat, tant sur un point de vue scientifique qu'humain. Ils ont toujours su être
présents, tout en me laissant une grande autonomie dans le choix de mes orientations. Que Dr
NGUYEN trouve particulière ici l'expression de toute mon amitié et de ma plus grande
reconnaissance. Je sais qu’il répondra par modestie « oh non je n’ai rien fait, je ne suis qu’un
simple aide soignant ». A mon tour je lui répond par avance « Merci d’avoir soigné
l’électronicien qui n’avait aucune notion de l’optique avant sa thèse ».
Je remercie très sincèrement Dr Claude NOGUES, chargée de recherche au CNRS, Pr
Malcolm BUCKLE, Directeur de recherche au CNRS, M. Joseph LAUTRU, Ingénieur de
recherche et responsable de la salle blanche de l’ENS Cachan et Camille DELOZOIDE, futur
docteur en physique, qui ont su m'accompagner au quotidien pour surmonter chaque moment
crucial, et m'ont ainsi permis de m'affirmer sur bien des points. Je les remercie grandement de
m'avoir fait profité de leurs compétences et surtout de leurs qualités humaines. J'exprime
vivement et singulièrement ma reconnaissance au Dr Claude NOGUES pour l'honneur
accordé en acceptant d'examiner ma thèse, pour ces nombreuses aides apportées pendant
toutes les expériences biologiques réalisées et pour son soutien indéfectible pendant les
moments pénibles.
Je tiens également à exprimer toute ma gratitude aux responsables du Laboratoire National de
Métrologie et d’Essais (LNE) et l’ENS Cachan, pour m'avoir accueilli dans des
établissements aussi prestigieux comme les leurs pour effectuer ce travail de thèse. Je
remercie tous mes collègues du pôle Photonique Energétique du LNE Trappes. En singulier,
Dr Jimmy DUBARD, responsable de ce pôle, pour ses qualités humaines, sa disponibilité et
surtout son soutien quotidien pour surmonter les nombreuses difficultés rencontrées durant
cette thèse. Je remercie également Mr Mohamed MALHI, Ingénieur au département
Informatique, pour ses conseils récurrents et Géraldine EBRARD, mathématicienne au LNE,
pour son aide dans les étapes de modélisation.
Je tiens également à remercier toute l’équipe du LPQM qui malgré la complexité et le volume
de leur travail garde le sourire, organise des débats scientifiques entre les doctorants. Votre
sympathie et vos qualités humaines ont eu raison des trois années de thèse qui sont passées de
façon inaperçue au vu du nombre incalculable de moments inoubliables. Je remercie tous les
doctorants de ce laboratoire avec en tête de proue, le futur Docteur en physique, Clément
LAFARGUE.
Je n'oublie pas mes amis de longues galères, Marina OUFFOUE, Lionel AKPAGNI, Ulrich
KOGUIA, Goy KOYAPALATA, Hervé NGUETTA, Daniel MUTTEBA, David
OUATTARA, Habiba COULIBALY, Adama KAMA, Moctar DIAW, Clément CISSE,
Daouda SAMB, Mardoché YEPOUA, Abou KONE, Moussa DOUKOURE, Florent

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OLOUSSOUMAI, Tahiri SYLLA. Je ne peux clore cette liste d’amis sans remercier la famille
Delay (Romain, Sandrine, Béatrice et son mari), la famille LIBESSART (Thierry et Céline,
Camille et surtout Laurent), Mr Jean PRUVOST et Mr Bernard SOLIVERES, sans qui je
n'aurais pu finaliser un tel travail.
Je tiens à remercier tous mes enseignants et Professeurs à qui je dois en grande partie ce
travail : des enseignants du primaire, de l’EPP Gbablasso-Yégolé-Kanta, en Côte d’Ivoire,
aux Professeurs des Universités, en particulier Dr Nicolas TENTILLIER qui m’a toujours
encouragé et soutenu dépuis mon stage de Master dont il était le Directeur.
Enfin, je remercie et dédie également ce travail à toute ma famille du coté de Yégolé, en Cote
d’ivoire, à ma famille versaillaise (les 5 FEIGNIER que remercie infiniment, béni soit le jour
où je les ai connu), à Mr et Mme SANOGO (Miamo et Naobly Marie Paule) du coté de Saint
Denis en région Parisienne, à mes oncles Famony et Vadroh DOSSO, Vassiaffa
DIOMANDE, Kobla, Sigui et Logoné SOUMAHORO, à mes parents que j’aime de tout mon
cœur.
Un grand merci à ceux qui de proche ou de loin ont participé à l’accomplissement de ce
travail.

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Résumé
Le besoin croissant de biocapteurs optiques compacts, sélectifs, ultrasensibles, rapides et bas
coût dans les domaines médical et environnemental a engendré une émergence de solutions
technologiques, notamment les capteurs à bases de microrésonateurs optiques. Ces types de
biocapteurs sont capables de fournir une détection sélective de très faibles concentrations de
biomolécules si leurs surfaces sont fonctionnalisées. En revanche, les deux méthodes optiques
d'interrogation actuelles, balayage spectral et variation de l’intensité, ne peuvent ni fournir la
sensibilité de la phase du signal optique propagé dans le capteur, ni les paramètres opto-
géométriques (perte par propagation, l'indice effectif, coefficient de couplage, etc) nécessaires
pour une modélisation de la réponse du capteur. Pour accéder à ces informations, nous avons
proposé d’utiliser l'interféromètre optique à faible cohérence sensible à la phase (PS-OLCI :
Phase Sensitive-Optical Low Coherence Interferometer) comme une technique alternative
d’interrogation et de caractérisation de microrésonateurs.
La première partie des travaux de cette thèse est consacrée à l’étude de conception et de
réalisation de microrésonateurs monomodes possédant un facteur est de qualité supérieur à
20000 dans l'eau. Cette étude a été validée par la réalisation technologique, à l'aide des
procédés de photolithographie classique et de gravure sèche au plasma d'oxygène, de
microrésonateurs polymères possédant des facteurs de qualité allant jusqu'à 38 200.
La deuxième partie des travaux de thèse est dédiée à l'adaptation du dispositif PS-OLCI,
initialement développé au Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) pour
interroger les composants des télécommunications optiques, pour la caractérisation de
microrésonateurs optiques. Les résultats obtenus en évaluant les performances spatiales et
spectrales de différents microrésonateurs ont montré que le dispositif PS-OLCI n'est pas
seulement un outil d'interrogation et de caractérisation mais aussi un véritable outil d’aide à la
conception de microrésonateurs optiques. Une modélisation, validée par l'ajustement des
mesures expérimentales, de la réponse PS-OLCI d'un microrésonateur, met en évidence la
relation existant entre l'interférogramme et les intégrales de Fresnel.
La dernière partie de nos travaux concerne l'association du dispositif PS-OLCI et d’un
composant optofluidique, constitué de microrésonateurs et d’un circuit microfluidique en
polymères, pour la détection d’espèces biologiques. A cet effet, la molécule de glucose a été
choisie pour démontrer la détection homogène ou volumique en solution aqueuse en obtenant
respectivement les limites de détection de l'ordre de 50 µg/ml et de 2 µg/ml en exploitant
l’intensité ou la phase des mesures PS-OLCI. Ces performances démontrent la capacité de
notre capteur à déceler des biomolécules en faible concentration ainsi que la pertinence de la
mesure de la phase, d'où l'intérêt du dispositif PS-OLCI. Pour remédier au problème de
sélectivité du capteur en détection homogène, la méthode de détection surfacique est utilisée.
La problématique de chimie de surface des polymères, c'est à dire la fonctionnalisation des
surfaces des guides polymères en vue d’une détection surfacique, a d'abord été effectuée. Les
limites de détection obtenues en détection surfacique sont ensuite évaluées à leur tour pour
différents types de molécules particulièrement les protéines telles que la streptavidine ou la
biotine. Les performances de détection de streptavidine obtenues, 0,02 pg/mm
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, sont au moins
10 fois meilleures que celles obtenues à l’aide de la technique de Résonance de Plasmons de
Surface considérée à ce jour comme la technique de référence en biodétection sans marqueur.
Ces premiers résultats, présentant des marges importantes d’amélioration, contribuent à
démontrer que les capteurs à base de microrésonateurs optiques sont des candidats potentiels
très prometteurs pour la détection de très faibles concentrations de biomolécules pour
l’analyse biochimique.

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ABSTRACT
The increasing need for compact, selective, ultrasensitive, fast and affordable optical
biosensors in the medical and environmental sectors gave rise to new technological solutions,
especially regarding sensors based on optical microresonators. If their surfaces are
functionalized, these biosensors can provide a selective detection of low concentrations of
biomolecules. However, two common optical interrogation methods – spectral scanning and
intensity variation – cannot provide the same sensitivity as the method using phase detection
of the guided modes nor the opto-geometrical parameters (propagation loss, effective
refractive index, coupling coefficient), needed for the modeling of the sensor response. To get
this information, we proposed to use the Phase Sensitive-Optical Low Coherence
Interferometer (PS-OLCI) as a new alternative technical solution for interrogation and
characterization of microresonators.
The first part of this thesis is dedicated to the conception and fabrication of single mode
microresonators with a quality factor higher than 20 000 in water. This work was validated by
the manufacture of polymer microresonators with a quality factor up to 38 200, using UV
photolithography and Reactive Ion Etching (RIE) processes.
The second part of this work covers the adaptation of PS-OLCI setup, initially developed at
Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE), to interrogate optical telecommunication
devices, for the characterization of optical microresonators. The results, obtained through the
analysis of spatial and spectral performances of various microresonators, showed that the PS-
OLCI setup is not only an interrogation and characterization tool but also a real support tool
for designing optical microresonators. The performed modelling of the PS-OLCI and
microresonator association response, validated by the fitting of the experimental data,
demonstrated the relation between PS-OLCI measurements and Fresnel integrals.
The last part of this work is dedicated to label free biosensing experiments using PS-OLCI
setup associated to an optofluidic component, made of polymer optical microresonators and
polymer microfluidic circuit, to detect biological species. The glucose molecule was chosen to
demonstrate the homogeneous sensing experiments in aqueous solution. The obtained
detection limits are around 50 µg/ml when we exploited intensity and around 2 µg/ml when
we exploited the PS-OLCI measurements phase. These results demonstrate the high
sensitivity of the proposed biosensor as well as the value of the optical phase measurement,
hence the interest of PS-OLCI set up.
To address the problem of sensor selectivity in homogeneous sensing method, surface sensing
experiences were performed. The first step of this method was the functionalization of the
sensor surface, by binding adequate recognition molecular sites to the sensor surface in order
to immobilize target molecules. Proteins were then chosen to perform this very same type of
experiences. The preliminary results in the 0.02 pg/mm
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range clearly show that our sensors is
ten times more sensitive than Surface Plasmon Resonance, which is actually considered
among the most successful label free sensing methods.
These first results, which can be improved, demonstrate that the sensors based on optical
microresonators are promising candidates for the detection of low concentrations of
biomolecules for biochemical investigation.