CONCEPTION, FABRICATION ET CARACTÉRISATION PHOTONIQUES SUR SUBSTRAT DE VERRE

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique et de génie informatique
CONCEPTION, FABRICATION ET CARACTÉRISATION
D’UN BIOCAPTEUR SPR À BASE DE GUIDES D’ONDES
PHOTONIQUES SUR SUBSTRAT DE VERRE
Thèse de doctorat
Spécialité : génie électrique et informatique
Sandie DE BONNAULT
Jury : Jean-Emmanuel BROQUIN (codirecteur)
Paul G. CHARETTE (codirecteur)
Michel Meunier (externe)
Simon Fafard (Rapporteur)
Michael Canva (membre du jury)
Sherbrooke (Québec) Canada juin 2016

RÉSUMÉ
Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste
encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules
présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de
croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires.
Mu
Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur
optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être
combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance
plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de
surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la
cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour
une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs
correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les
matrices de polymères, présentés dans ce travail.
Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une
référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système
SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte.
Mu
Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le
dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes,
associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée
sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations
nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximations,
permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement.
Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments
et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques
entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D
du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité,
le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier.
Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral
adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif
est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont
proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés.
Mots clés : Résonance plasmonique de surface, optique intégrée sur verre, biocapteur, échange
d’ion, détection multi-analyte, microfabrication

ii
ABSTRACT
In spite of the growing number of available biosensors, many biochemical reactions and
biological components have not yet been studied in detail. Among them, some require the
combination of several detection techniques in order to retrieve enough information to
characterize them fully. An unknown reaction based, for example, on DNA hybridization could
be characterized with an electrochemical sensor, a mechanical sensor and an optical sensor, each
giving a different type of information.
Mu
The main objective of the work presented here is to design, fabricate and characterize a flexible
integrated optical biosensor based on surface plasmon resonance, intended to be then combined
with other detection techniques, and in particular, a microcalorimeter. Surface Plasmon
Resonance (SPR) is well known to be a sensitive technique for surface-based biochemical
detection. It has the advantage to be an unlabeled method and provides real time information on
the kinetics of a reaction. The flexibility of the proposed SPR biosensor comes from the fact
that it is designed for a large range of analyte refractive indices, from 1.33 to 1.48. These values
are suitable for most biological entities and their ligand layers, and especially for hydrophilic
polymer matrices used to trap DNA or protein entities and introduced in this work.
As several biochemical studies require the simultaneous comparison of measurements to a
reference or to another measurement, the second objective of this project is to study the potential
of multi-analyte detection in an integrated SPR device on glass.
b
The first three chapters of the thesis are focused on the main objective. The design based on two
different models is presented, at the same time as the related simulation tools. The first model
is based on the weak coupling approximation and permits to obtain most of the information for
the device’s design. The second model, having no approximation, is used to validate the first
model and complete and refine the design. The fabrication process of the glass chip is then
introduced, as well as the characterization instruments and protocols. A device is obtained, with
a volumetric sensitivity between 1000 nm/RIU and 6000 nm/RIU depending on the analyte
refractive index. The 3D integration of the waveguide within the glass substrate makes the
device extremely compact and adapted to the integration with the microcalorimeter in particular.
b
The last chapter describes the study of several spectral multiplexing techniques adapted to an
integrated SPR system using the glass technology. The goal is to provide at least two
simultaneous measurements. Several detection techniques are examined and the related devices
are designed, fabricated and characterized.
Key words: Surface Plasmon Resonance, Glass Integrated Optics, Biosensing, Ion Exchange,
Multianalyte Detection, Microfabrication