DS0104 - Innovations scientifiques et technologiques pour anticiper ou remédier les risques environnementaux

Capteur infrarouge intégré basé sur l'effet SEIRA pour une détection efficace d'une faible concentration d'espèces chimiques et biologiques – LOUISE

Capteur infrarouge : polluants dans l’eau et diagnostic précoce en médecine.

Dans un contexte de demande croissante de capteurs intégrés pour des applications environnementales et biologiques, l'objectif du projet LOUISE est de concevoir et d’évaluer un micro-capteur permettant de mettre en œuvre la spectroscopie infrarouge amplifiée par des effets de plasmonique de surface.

Détection de polluants chimiques à l'état de traces dans l’eau de mer ou de biomarqueur des maladies cardiovasculaires et du cancer du foie

Ces dernières décennies, les mers et les océans font l'objet d'une surveillance toute particulière compte tenu des intérêts socio-économiques et écologiques mis en jeu. La détection et le dosage de polluants chimiques à l'état de traces (tels que les hydrocarbures ou les pesticides) est la clé de voûte de nombreuses problématiques océanographiques tels que la surveillance environnementale ou l'étude et la prévision de la propagation d’espèces chimiques dans les écosystèmes complexes. Le développement de capteur et d'analyseur portable et compact est fondamental pour les études in situ très complémentaires des techniques de laboratoire. Toutefois, la conversion des techniques utilisées en laboratoire en dispositifs de terrain nécessite le développement de micro-composants intégrés capables d'effectuer des mesures précises, sensibles et de hautes résolutions dans des environnements sévères. La capacité de détecter rapidement, d’identifier et de surveiller des espèces (bio)-chimiques via l’utilisation de plateformes optiques intégrées de petites dimensions est également un impératif majeur dans le domaine de la santé où le développement d’outils de diagnostic précoce pour la médecine est devenu un enjeu de première importance.

Nous avons porté nos efforts, pour la plateforme optique intégrée, sur les verres chalcogénures pour leur flexibilité technologique nécessaire à la réalisation de micro-capteurs compatible et adaptée à la production de masse. L’autre aspect essentiel de ce projet réside dans les nanoantennes d’or qui exalte l’absorption infrarouge des molécules ciblées (hydrocarbures et biomarqueurs) par des phénomènes plasmoniques à la surface du guide d’onde où se propage l’onde évanescente moyen infrarouge. Ces nanostructures d'or ont ainsi été déposées à la surface du guide de chalcogénures pour améliorer l'absorption infrarouge et donc la détection des molécules ciblées. La modélisation développée dans le cadre de ce projet a permis d'optimiser le couplage entre les ondes évanescentes moyen infrarouge affleurant à la surface du guide d’onde de chalcogénures et les plasmons portés par les nanostructures métalliques afin d’augmenter la sensibilité et la résolution de ce capteur basé sur la spectroscopie infrarouge amplifiée par des effets de plasmonique de surface. Les nanoparticules ont ensuite été fonctionnalisées par une couche de polymère ou d'anticorps spécifiques pour augmenter encore la sensibilité et pour rendre la détection plus spécifique. En utilisant la technique de spectroscopie infrarouge amplifiée par des effets de plasmonique de surface (SEIRA) intégrée à un micro-capteur infrarouge tel que proposé par le projet LOUISE, nous pouvons nous attendre à atteindre de très faible concentration de l'ordre de quelques µg/L pour les molécules polluantes et de 10-12 mol/L dans les fluides corporels. Ce projet LOUISE offre ainsi la possibilité à un consortium français pluridisciplinaire de développer des micro-capteurs infrarouge d’une sensibilité amplifiée par une technologie de pointe d’effet plasmonique de surface.

La fabrication de structure guidantes en chalcogénures dans le système Ge-Sb-Se de géométries variables adaptées pour la propagation dans le moyen IR dont le champ évanescent est optimisé dans le projet LOUISE. Une extension de la méthode de calcul numérique, non envisagée dans le projet initial, a pu être développée afin de modéliser des structures 3D périodiques permettant d’étudier des structures photoniques réelles, régulières et de grandes dimensions correspondant aux capteurs plasmoniques. Des puces optiques fonctionnalisées à l’aide de nanoparticules ou nanostructures résonantes ont été réalisées sur les structures guidantes en chalcogénures avant transfert du guide rendant possible l’utilisation des techniques de photolithographie et notamment la technique de lithographie par interférence laser combinée à la technique lift-off. De nombreuses mesures de détection des hydrocarbures par spectroscopie en réflexion totale atténuée ont été menées en flux après fonctionnalisation par des polymères du prisme chalcogénure démontrant la possibilité de les détecter dans des matrices complexes telles que l’eau de mer. Outre la fonctionnalisation par des films polymères, nous avons également travaillé sur la fonctionnalisation de surface des nanostructures d’or par des aptamères spécifiques de la protéine MnSOD qui est le biomarqueur ciblé par le projet. Ces études nous ont permis d’optimiser la fonctionnalisation de surface des nanostructures et des guides chalcogénures en vue de leur utilisation comme capteur SEIRA. Des tests de transduction ont été réalisés en phase liquide pour l’isopropanol et l'acide acétique et des tests optiques sont en cours pour évaluer l’efficacité des micro-capteurs fonctionnalisés. Parallèlement, un instrument portable est actuellement en développement à des fins de détection d'hydrocarbures et de biomarqueurs de maladie dans un objectif de transfert de technologie vers les utilisateurs finaux.

L’ensemble des résultats du projet LOUISE représente des étapes prometteuses vers le développement d’une plateforme optique en verres de chalcogénures pour des applications de transduction dans le moyen infrarouge et de traitement du signal optique. Une des perspectives concerne le développement de microcapteurs basés sur une association de technologies photoniques infrarouges et électrochimiques avancées combinées à un dispositif microfluidique, ce qui constitue en soi un défi scientifique et technologique original, visant à contrôler et à réduire l'impact environnemental des secteurs économiques produisant des polluants, des effluents et des déchets s'écoulant dans les eaux souterraines, de surface et marines. En outre, nous proposons également de développer un dispositif photonique innovant extrêmement sensible et miniaturisé dédié à la détection de contaminants alimentaires par la combinaison cette fois d'une optique intégrée, de spectroscopies vibrationnelles hybridées et de nanotechnologies. En réunissant les progrès récents dans le domaine des guides d'ondes plasmoniques et de l'optique non linéaire dans le proche et moyen infrarouge, nous pouvons ambitionner - sur la base des microcomposants et de la modélisation développés lors du projet LOUISE - de créer de nouveaux dispositifs optiques à faible consommation d'énergie, très compacts et entièrement intégrés pour le traitement du signal optique.

Dans le cadre du projet LOUISE nous pouvons souligner quelques productions scientifiques du consortium relative au projet tel un chapitre de livre du Springer Handbook of Glass concernant les dépôts de films amorphes (Amorphous Thin Film Deposition, V. Nazabal and P. Nemec, Springer Handbook of Glass, Editors : Musgraves, J. D., Hu, J., Calvez, L. (2019) ISBN 978-3-319-93728-1, pp 1293-1332), un article décrivant une étude théorique d'un capteur optique évanescent pour la détection de liquides dans l’infrarouge (A. Gutierrez-Arroyo, E. Baudet, L. Bodiou, V. Nazabal, E. Rinnert, K. Michel, B. Bureau, F. Colas, J. Charrier, Theoretical study of an evanescent optical integrated sensor for multipurpose detection of gases and liquids in the Mid-Infrared, Sensors and Actuators B-Chemical, 242 (2017) 842), un article en open source sur la modélisation développée dans LOUISE (Discontinuities in open photonic waveguides: Rigorous 3D modeling with the finite element method, Guillaume Demésy, Gilles Renversez (cf. pdf at arxiv.org/abs/1907.11540) ), une autre publication sur l’aspect fonctionnalisation (Arib C., Liu Q., Djaker N., Fu W., Lamy de la Chapelle M., Spadavecchia J., Influence of the aptamer grafting on its conformation and its interaction with targeted protein, Plasmonics, 14, 1029, 2019) sans compter plusieurs conférences invitées qui ont émaillées le déroulement du projet LOUISE.

Ces dernières décennies, les mers et les océans font l'objet d'une surveillance toute particulière compte tenu des intérêts socio-économiques et écologiques mis en jeu. La détection et le dosage de polluants chimiques à l'état de traces (tels que les HAP-hydrocarbures aromatiques polycycliques- ou les pesticides) est la clé de voûte de nombreuses problématiques océanographiques tels que la surveillance environnementale ou l'étude et la prévision de la propagation d’espèces chimiques dans les écosystèmes complexes. Le développement de capteur et d'analyseur portable et compact est fondamental pour les études in situ très complémentaires des techniques de laboratoire. Toutefois, la conversion des techniques utilisées en laboratoire en dispositifs de terrain nécessite le développement de micro-composants intégrés capables d'effectuer des mesures précises, sensibles et de hautes résolutions dans des environnements sévères. La capacité de détecter rapidement, d’identifier et de surveiller des espèces (bio)-chimiques via l’utilisation de plateformes optiques intégrées de petites dimensions est également un impératif majeur dans le domaine de la santé où le développement d’outils de diagnostic précoce pour la médecine est devenu un enjeu de première importance.
Dans un contexte de demande croissante de capteurs intégrés pour des applications environnementales et biologiques, l'objectif du projet LOUISE est de concevoir et d’évaluer un microcomposant permettant de mettre en œuvre une technologie innovante : la spectroscopie infrarouge par ondes évanescentes amplifiée par des effets de plasmonique de surface, nommée SEIRA-EWS.

Nous portons nos efforts, pour la plateforme optique, sur les verres chalcogénures pour leur flexibilité technologique nécessaire à la réalisation de ces micro-capteurs : plateforme intégrée avec propagation dans le moyen-IR qui soit compatible avec la technologie CMOS et adaptée à la production de masse. L’autre aspect essentiel de ce projet réside dans les nanoantennes d’or qui vont exalter l’absorption infrarouge des molécules ciblées (HAP et biomarqueurs) par des phénomènes plasmoniques à la surface du guide d’onde où se propage l’onde evanescente m-IR. Ces nanostructures d'or sous forme d’un réseau de nanofils seront ainsi déposées à la surface du guide de chalcogénures pour améliorer l'absorption IR et donc la détection des molécules ciblées. La modélisation développée dans le cadre de ce projet permettra d'optimiser le couplage entre les ondes évanescentes m-IR affleurant à la surface du guide d’onde de chalcogénures et les plasmons portés par les nanostructures métalliques afin d’augmenter la sensibilité et la résolution de ce capteur. Les nanoparticules seront ensuite fonctionnalisées par une couche de polymère ou d'anticorps spécifiques pour augmenter encore la sensibilité et pour rendre la détection plus spécifique. Le micro-capteur SEIRA-EWS sera intégré dans un instrument portable et évalué pour la détection d'hydrocarbures et de biomarqueurs de maladie lors des campagnes de validation sur le terrain. A l’issu du projet, le microcapteur devra permettre de détecter deux composés considérés comme représentatifs, le fluoranthène, (un HAP) et le toluène, avec des limites de détection respectives de 0,1µg/L et 70µg/L. Sur le volet Santé, nous allons nous concentrer sur les protéines qui sont connues pour être des biomarqueurs des maladies cardiovasculaires ou du cancer du foie (superoxyde dismutase de manganèse). En utilisant la technique SEIRA-EWS intégrée à micro-capteur IR tel que proposé par ce projet, nous nous attendons à atteindre de très faible concentration de l'ordre de 10^-12 mol/L dans les fluides corporels.

Ce projet LOUISE offre ainsi la possibilité à un consortium français pluridisciplinaire de développer des capteurs dans le moyen infra-rouge d’une sensibilité amplifiée par une technologie de pointe.

Coordinateur du projet

Madame Virginie NAZABAL (Institut Sciences Chimiques de Rennes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CSPBAT Chimie, Structure et Propriétés de Biomatériaux et D'Agents Thérapeutiques
CNRS-DR12_IF CNRS délégation Provence et Corse_Institut Fresnel_UMR7249
UTT/ICD/LNIO Université de Technologie de Troyes-ICD/LNIO
ISCR Institut Sciences Chimiques de Rennes
IFREMER Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer

Aide de l'ANR 469 955 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 36 Mois

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