Méta-surfaces à base de nanomatériaux 2D pour une détection plasmonique ultrasensible – 2DPS

Le projet s'est appuyé sur la complémentarité des deux partenaires (IEMN en France et CINTRA à Singapour) concernant les procédés technologiques pour la réalisation des capteurs SPR ainsi que les techniques de modélisation et de caractérisation leur étant associées.
Nous avons tout d’abord développé différents bancs d'interrogation optique des capteurs SPR basés sur des schémas de détection angulaire, de décalage de Goos-Hänchen (GH) et magnéto-plasmonique. Ces principes de détection ont été utilisés pour caractériser deux types de capteurs:
- des capteurs conventionnels (film plasmonique en or) sur lesquels ont été reportés des matériaux 2D (graphène, MoS2 et WS2) obtenus par dépôt plasma à CINTRA suivant diverses combinaisons.
- des capteurs MO-SPR incorporant différentes structurations de couches magnéto-optiques déposées par PVD à l’IEMN.
La fonctionnalisation des deux familles de capteurs a été menée à l’IEMN afin de pouvoir à terme capturer les molécules d’intérêt à détecter.

- L'utilisation d'un double greffage WS2/graphène peut améliorer d’un ordre de grandeur la sensibilité par rapport à un capteur conventionnel.
- Dans les capteurs MO-SPR, les matériaux magnétiques nano-structurés permettent une réduction du champ magnétique nécessaire au fonctionnement, un comportement plus linéaire et les propriétés magnétoélastiques de la couche offrent de nouvelles méthodes de modulation du signal plasmonique.
- Il est possible de fonctionnaliser les surfaces avec une chimie « click » permettant le greffage d’aptamères qui peuvent être conçus pour la détection d’un grand nombre de molécules.

Compte tenu de la situation sanitaire qui a limité les développements expérimentaux et n’a pas permis les déplacements prévus entre les deux partenaires, le bilan du projet et tout de même satisfaisant. L’étude de différentes combinaisons de matériaux 2D a permis de montrer que la combinaison WS2 + graphène améliore la sensibilité. De même, les résultats sur les capteurs MO-SPR ont donné lieu à de nouvelles perspectives. Dans la dernière partie du projet, des dispositifs SPR à matériaux 2D dédiés à la détection du SARS-CoV2 ont été étudiés à CINTRA. La solution de fonctionnalisation de surface du WS2 mise au point à l’IEMN est a priori compatible avec l’utilisation d’aptamères compatibles avec les protéines cibles dans la détection du virus.

Le projet ANR/NRF a donné lieu à 7 publications dans des revues internationales à comité de lecture et a fait l’objet de 3 communications dans des conférences internationales.

Le graphène est le matériau 2D le plus fin au monde. Sa grande mobilité de porteurs de charge est très intéressante pour les capteurs à plasmon de surface (SPR) qui sont très largement utilisés pour le contrôle en temps réel des interactions moléculaires. En recouvrant la couche métallique des capteurs SPR par une couche de graphène, une forte amplification du champ électrique a lieu à l’interface métal/graphène grâce à un transfert de charges effectives, mais le taux d’absorption d’une monocouche de graphène est de seulement 2,3% ce qui limite le transfert d’énergie lumineuse vers la résonance plasmonique. Dans ce projet, nous étudierons les nanomatériaux de type dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) en complément du graphène pour leur plus grande absorption et moindres pertes d’énergie électronique. Nous explorerons aussi la combinaison des matériaux 2D avec les capteurs SPR Magnéto-Optiques(MO-SPR).
Le but est d’atteindre une sensibilité suffisante pour détecter des quantités infimes de bactéries ou de biomarqueurs lors d’opérations de diagnostic, et ce avec des dispositifs compacts, faible-coût et transportables. Nous proposons ici de détecter l’antigène TNF-a, un promoteur tumoral endogène des premiers stades du développement cancéreux(poids moléculaire de 17 kDa).
Précédemment, nous avons réalisé des capteurs SPR graphène-or offrant une limite de détection de 1 aM du ssDNA 7.3kDa 24-mer, ce qui est meilleur que l’état de l’art tout type de capteur confondu: à base de graphène, de nanoparticules d’or associées à une technique de détection en phase, à résonance localisée à base de nano-piliers d'or voire de biocapteurs nanomécaniques.Dans ces «méta-surfaces» la concentration drastique du champ électrique plasmonique dans le plan 2D offre un nouveau type de détection. Cependant, le taux d’absorption d’une monocouche de graphène est faible et limite la capacité à atteindre la haute sensibilité nécessaire à la détection de cibles à faible poids moléculaire (<400 Da) dans les milieux complexes come la salive, l’urine, le sérum ou l’eau de mer. Fort de notre expérience, les principaux objectifs du projet sont : (i) de développer un nouveau capteur plasmonique basé sur des matériaux 2D optimisés pour atteindre une ultra-haute sensibilité capable de détecter les petites molécules évoquées précédemment ; (ii) d’explorer les nouveaux phénomènes physiques plasmoniques et magnéto-plasmoniques engendrés par le couplage entre nano-matériaux 2D et méta-surfaces telles que des empilements Au/Ferromagnétique/Au, réseaux de nanopiliers et nanocavités en or; (iii) de miniaturiser ces dispositifs pour une détection in-situ et augmenter leur potentiel commercial.
Ce projet sera réalisé dans le cadre d’une proche collaboration entre l’UMI CINTRA à Singapour (laboratoire commun entre le CNRS, la Nanyang Technological University (NTU) et Thalès) et l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) à Lille.
Le projet s’inscrit bien dans les thématiques de recherche en nanophotonique des deux laboratoires. Les membres impliqués à Singapour sont : Pr. Ken-Tye Yong, Dr. Shuwen Zeng et Pr. Philippe Coquet du CINTRA ainsi que le Pr. Ho Sup Yoon de la «School of Biological Sciences of NTU». Côté français: Dr. Nicolas Tiercelin, Dr. Rabah Boukherroub et Dr. Jean-Pierre Vilcot de l’IEMN. Le partenaire singapourien sera responsable du développement de bancs de mesure plasmoniques à l’état de l’art pour la caractérisation en intensité et en phase de signaux lumineux réfléchis en présence des solutions de test, et de la fabrication de capteurs à méta-surfaces basés sur les nanomatériaux 2D. Le partenaire français sera responsable de la caractérisation des nanomatériaux, du développement des capteurs MO-SPR et de la fonctionnalisation des surfaces pour leur conférer de la spécificité. Le National University Hospital, proche de NTU fournira des échantillons de biomarqueurs dans des matrices de type salive, urine et sérum.