Soutenance mémoire
Ce travail se situe à l’intersection des domaines de la biologie et de la nanophotonique. Il a impliqué Thales Research and Technology (TRT), l’Institut d’Optique Graduate School (IOGS) et le laboratoire de Biochimie de Polytechnique (BIOC). Pour mieux le décrire, nous rappelons brièvement les motivations des biologistes autour des biopuces et des protéines, puis le contexte spécifique autour de la détection UV par la technologie AlGaN (TRT) mais aussi autour de l’exaltation des interactions dans les nanostructures (IOGS).
La détection d’interactions biologiques est un besoin essentiel dans de nombreux domaines. Il peut par exemple s’agir du diagnostic médical, de la recherche de nouveaux médicaments, des contrôles environnementaux, du suivi de la pollution ou bien encore de la détection d’attaques bactériologiques dans le domaine de la défense.
La biodétection est loin d’être un domaine nouveau, et est utilisée depuis longtemps en laboratoire, et même dans le grand public pour des tests simples à base d’interaction anticorps-antigène ciblées (test de grossesse par exemple). Le besoin de tests plus complexes, dits aussi « multiplexes », existe dans tous les domaines cités: médical, environnemental, etc. Les nanotechnologies et la miniaturisation ont permis de voir se développer de nouvelles méthodes qualifiées de « laboratoire sur puce » ou « lab-on-chip ». En effet, la miniaturisation permet de développer des systèmes plus compacts, moins chers, plus sensibles, plus rapides, nécessitant ainsi moins de consommables. Ceci permet de réaliser des systèmes de détection portables sensibles et élargi de ce fait les applications.
Les technologies appliquées à la biodétection sont nombreuses, et certaines ont déjà vu le jour aujourd’hui sur le marché. Les méthodes de détection ne nécessitant pas de marquage et permettant une détection multiplexe sont particulièrement intéressantes. Elles permettent d’observer plusieurs réactions simultanément avec un unique appareil de mesure. Les méthodes d’imagerie 2D, qui permettent naturellement l’observation de plusieurs interactions en même temps sur différents points de l’image sont donc particulièrement intéressantes. Dans certaines méthodes, un marquage (fluorescent, radioactif) des molécules biologiques à détecter est nécessaire. Ceci rend difficile l’observation des interactions en temps réel, non pas tant à cause de l’étape de marquage, qui peut encore être intégrée au processus, mais à cause de la grande sensibilité des réactivités très spécifiques des protéines vis à vis des modifications moléculaires comme le marquage. Ainsi, les méthodes de détection sans marquage sont particulièrement intéressantes. Par exemple, la microscopie ou imagerie par plasmons de surface constitue une méthode de référence pour le suivi en parallèle d’interaction protéines-protéines en temps réel. Elle est basée sur les propriétés d’interaction entre une onde évanescente plasmonique à la surface d’un dépôt métallique et les molécules biologiques à la surface de la puce. Cependant, pour le couplage plasmon, une surface métallique est parfois le siège d’interactions non spécifiques. De plus, le couplage de l’onde avec le plasmon, le plus souvent réalisé avec un prisme, amène des difficultés de mise en oeuvre notamment au niveau de l’encombrement ou de la faisabilité d’un consommable bascoût. Ainsi, la biodétection basée sur l’imagerie de guides d’onde résonants peut offrir des perspectives intéressantes. La géométrie de la structure permet le choix de certaines propriétés, telles que les angles de couplage, ou bien encore le recouvrement de l’onde électromagnétique à la surface de la puce. On peut ainsi sonder des éléments de taille plus ou moins importante. Il s’agit d’un nouveau paramètre de liberté par rapport aux résonances plasmoniques. L’utilisation des guides d’ondes résonants en biologie a été jusqu’ici développée pour réaliser des mesures spectrales. Nous montrerons que l’imagerie de telles structures semble prometteuse tout en se distinguant de certaines caractéristiques plutôt plus figées des plasmons.
Par ailleurs, les récentes avancées dans les technologies de l’ultraviolet (composants à base de nitrure de gallium), et notamment à Thales Research and Technology permettent d’explorer l’imagerie de biopuces dans ce domaine de longueur d’onde. Ceci est particulièrement intéressant, puisque les sensibilités des méthodes d’optique linéaire sont inversement proportionnelles à la longueur d’onde. Dans le domaine de l’ultraviolet, il est aussi possible d’exploiter l’absorption des éléments biologiques. En effet, les brins d’ADN comme les protéines présentent des bandes d’absorption, respectivement à 260 nm et 280 nm. Il est possible d’utiliser des détecteurs AlGaN centrés à ces longueurs d’onde, et de largeur spectrale du même ordre de grandeur que la largeur du spectre biologique, c’est-à-dire de l’ordre de 20 nm. L’absorption de l’ADN et des protéines est classiquement utilisée pour mesurer leur concentration en solution. Un avantage majeur de cette propriété est que le coefficient d’absorption d’une molécule donnée peut être calculé à partir de sa séquence en nucléotides ou acides aminés respectivement, ce qui permet une quantification. Dans le cadre de l’imagerie sur biopuce, l’absorption sera, là aussi, responsable d’une diminution de signal. Un avantage de l’absorption est sa moindre dépendance à la température en comparaison à la partie réelle de l’indice optique (l’absorption résulte des transitions entre les différentes orbitales moléculaires proches alors que la variation d’indice dépend des choix stériques adoptés par la protéine, très liés à l’environnement, l’hydratation, etc.). Nous verrons en revanche que lors du rajout par hybridation d’une couche biologique, la variation de réflectivité est une combinaison des deux effets d’absorption et du déphasage induit par la partie réelle de l’indice optique. Cependant, même pour de très faibles absorptions, un effet de diminution non négligeable du signal est observé, et peut venir renforcer une variation de signal due à la composante réelle de l’indice optique.
Enfin, les connaissances de l’interaction lumière-matière montrent régulièrement depuis quelques décennies que la structuration de l’environnement optique, par des résonances, des renforcements des champs locaux, etc. apporte un fort potentiel dans le domaine des « senseurs » et des biosenseurs en particulier.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Etat de l’art en biodétection optique et composants dans l’ultraviolet
I – Biopuce
I-1. Définition
I-2. Propriétés
I-3. Interactions biologiques
I-3. a) Structure de l’ADN
I-3. b) Structure des protéines
I-3. c) Interactions
I-4. Modèle biologique considéré dans ce travail
I-5. Méthodes de détection
II – Biodétection optique
II-1. Critères de comparaison
II-2. Détection avec marquage
II-2. a) Tests Elisa
II-2. b) Fluorescence
II-2. c) Marqueurs absorbants
II-3. Méthodes optiques sans marquage
II-3. a) Méthodes optiques réflectométriques directes
II-3. b) Méthodes optiques à ondes évanescentes
III – Détection en absorption dans l’ultraviolet
III-1. Généralités
III-2. Absorption UV de l’ADN et des protéines
III-2. a) Absorption de l’ADN à 260 nm
III-2. b) Absorption des protéines à 280 nm
III-2. c) Absorptions surfaciques
III-2. d) Sensibilité
IV – Détection UV
IV-1. Détecteurs
IV-2. Filtres
IV-3. Différents types de sources
IV-3. a) Les lampes
IV-3. b) Diodes électroluminescentes (DEL)
IV-3. c) Lasers
IV-3. d) Comparaison de la puissance des différentes sources
IV-4. Sensibilité limite
V – Discussion
Chapitre II : Théorie des renforcements de contrastes
I – Contraste sur structures multicouches
I-1. Définition du contraste
I-2. Absorption
I-2. a) Approche dipolaire
I-2. b) Absorption en transmission
I-2. c) Absorption imagée en réflexion
I-2. d) Exaltation du contraste d’absorption
I-3) Absorption /Partie réelle de l’indice optique
II – Structures résonantes
II-1. Réseau résonant
II-1. a) Guide d’onde asymétrique
II-1. b) Réseau de couplage
II-1. c) Condition de résonance
II-2. Propriétés des réseaux résonants
II -2. a) Modes de Bloch
II-2. b) Matrices de diffusion
III – Contraste sur structures résonantes
III-1. Structures définies
III-1. a) Caractéristiques requises
III-1. b) Influence des différents paramètres du réseau
III-1. c) Propriétés
III-2. Contraste d’absorption en réflectivité
III-2. a) Spectre de réflectivité
III-2. b) Modes guidés
III – 3. Effet partie réelle/absorption de l’élément biologique
IV – Finesse de la résonance
IV-1. Position du problème
IV-2. Limites dues aux résolutions expérimentales
IV-3 Finesse et résolution instrumentale
IV-4. Finesse et résolution spatiale
V – Conclusion
Conclusion
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