Sondes à fibres photoniques nano-fonctionnalisées pour la prochaine génération de capteurs biochimiques – FUNSENS

La demande croissante de méthodes fiables et robustes de détections biochimiques appelle à un développement de nouvelles technologies de capteurs. Les principaux critères d’une plateforme de bio-détection sont une sensibilité extrême et une très grande fiabilité des mesures, pour permettre la détection de biomarqueurs de maladies, en très faibles concentrations, dans un très faible volume. La détection simultanée de multiples biomarqueurs dans les fluides corporels est un avantage supplémentaire pour diagnostiquer une maladie et pour surveiller le traitement. Les capteurs chimiques dédiés à la surveillance environnementale, la sécurité militaire et industrielle, et le contrôle des aliments et des procédés doivent avoir une détection élevée, être bon marché, rapide, et portable. De plus, de nouvelles techniques de détections biochimiques émergent pour répondre à la nécessité de simplifier les protocoles de préparations d'échantillons. Le marché des capteurs biochimiques est porté par la nécessité d'une extrême sensibilité, d’une grande fiabilité, et d'une facilité d'utilisation, même pour de très faibles volumes d’analytes.

Dans ce contexte, le projet FUNSENS vise à développer une plate-forme de détection biochimique ultra-sensible fondée sur la diffusion Raman de surface exaltée (SERS) associée à de nouvelles nanostructures plasmoniques incorporées dans une sonde à fibre photonique (PCF) spécialement conçue. La technologie SERS permet la détection multiplex simultanée de plusieurs analytes avec une sensibilité élevée, ce qui est difficilement réalisable avec les autres méthodes. La détection SERS conventionnelle, développée sur des substrats nanostructurés plans ou des nanoparticules métalliques colloïdales (NP), ne permet pas d’atteindre la sensibilité et la fiabilité requises pour de nombreuses applications de détection biochimiques. Les PCF étant composées de canaux d'air, elles sont d’excellentes plateformes pour incorporer des analytes liquides.
Nous proposons de développer pour la première fois une fibre optique PCF spécialement conçue pour exploiter les avantages de la diffusion Raman (signature spectrale moléculaire) et l'exacerbation du signal SERS sur une grande distance, et ceci en proposant un design de PCF en rupture. Nous proposons également d’associer les propriétés de cette PCF avec les dernières avancées dans le domaine des nanoparticules plasmoniques et des algorithmes de traitements avancés des mesures SERS fondés sur des méthodes de Machine-Learning. Cette combinaison originale permettra d’améliorer significativement la sensibilité et la fiabilité des mesures.

Ainsi, nous envisageons de développer une nouvelle sonde SERS qui peut être utilisée avec des spectromètres Raman portables commerciaux (associé à un logiciel d'analyse avancé des spectres Raman) pour une utilisation pratique dans la vie réelle, à un coût abordable. Notre vision est de concevoir une sonde composée d’une aiguille (de seringue) dans laquelle est insérée une PCF nano-fonctionnalisée qui agira comme une sonde opto-fluidique « deux en un » (pour la collecte et la détection d'échantillons) avec une réelle compatibilité de transfert vers l'industrie médicale et chimique.
Notre nouveau concept de sonde SERS-PCF devrait permettre la détection de molécules biochimiques dans un volume d'échantillon extrêmement faible (~ nano-litre), avec une sensibilité (pico-Mole) et en fiabilité (std <5%) records, et facilement utilisable avec des spectromètres Raman portables. Les nouvelles performances de détections offertes par notre sonde SERS seront démontrées en réalisant plusieurs détections biochimiques dans des conditions pertinentes. Le choix des biomarqueurs et de molécules chimiques pertinentes seront réalisés en lien avec nos collaborateurs cliniques et nos collaborateurs industriels.
Le Singapore Bioimaging Consortium et l'institut de recherche XLIM (France) associent leurs expertises multidisciplinaires pour réaliser ces ambitieux objectifs.