N° d’ordre : ECL 2008–31 Année 2008 T H È S E présentée devant L’ÉCOLE CENTRALE DE LYON pour obtenir le grade de DOCTEUR Préparée au sein de L’ÉCOLE DOCTORALE ÉLECTRONIQUE, ÉLECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE DE LYON par Séverine MAGUIS Biocapteurs à fibres optiques fondés sur les réseaux de Bragg en angle fonctionnalisés soutenue le 4 décembre 2008 devant la commission d’examen J U R Y Nicole JAFFREZIC- Président, Directeur de Recherche CNRS RENAUD Directeur de thèse Dominique Chargé de Recherche CNRS Rapporteur PAGNOUX Tijani GHARBI Professeur Rapporteur Marie-Claude Professeur Examinateur MILLOT Geneviève BOURG- Professeur Examinateur HECKLY Pierre FERDINAND Directeur de Recherche CEA Examinateur Guillaume Ingénieur CEA Encadrant LAFFONT Remerciements Les travaux de recherche prØsentØs dans ce mØmoire ont ØtØ (cid:133)nancØs par une bourse du Commissariat (cid:224) l(cid:146)Ønergie atomique (CEA) dans le cadre d(cid:146)un contrat de formation par la recherche. Je tiens (cid:224) remercier : Guillaume La⁄ont, mon encadrant de thŁse au CEA Saclay, qui a initiØ cette thŁse et m(cid:146)a guidØ et conseillØ au quotidien. Il m(cid:146)a notamment fait dØcouvrir le domaine des capteurs (cid:224) (cid:133)bre optique et m(cid:146)a initiØ (cid:224) l(cid:146)inscription des rØseaux de Bragg en angle. L(cid:146)aboutissement de ce travail de thŁse tient en grande partie (cid:224) l(cid:146)autonomie et la con(cid:133)ance qu(cid:146)il a su m(cid:146)accorder. Pierre Ferdinand, responsable du Laboratoire de mesures optiques, pour ses conseils, son inventivitØ et sa grande culture scienti(cid:133)que. Marie-Claude Millot, professeur (cid:224) la facultØ des sciences de l(cid:146)universitØ Paris-Est, pour s(cid:146)Œtre intØressØe (cid:224) mes travaux et avoir acceptØ de faire partie du jury de thŁse. Nicole Ja⁄rezic, directeur de recherche CNRS de l(cid:146)UniversitØ Claude Bernard Lyon 1, pour avoir acceptØ de diriger mes travaux de thŁse. Dominique Pagnoux, chargØ de recherche CNRS (cid:224) l(cid:146)Institut Xlim, pour avoir acceptØ d(cid:146)Œtre rapporteur de ce travail. Tijani Gharbi, professeur de l(cid:146)universitØ de Franche-ComtØ, pour avoir acceptØ d(cid:146)Œtre rap- porteur de ce travail. GeneviŁve Bourg-Heckly, Maitre de confØrences (cid:224) l(cid:146)UniversitØ Pierre et Marie Curie, Paris 6, que j(cid:146)avais dØj(cid:224) c(cid:244)toyØe lors de mon stage de (cid:133)n d(cid:146)Øtudes, pour avoir acceptØ d(cid:146)examiner mon travail et de faire partie de mon jury. Tous les membres du Laboratoire de mesures optique du CEA Saclay, pour leur bonne hu- meur, leur soutien et les discussions fructueuses que nous avons eues sur des sujets divers. Lespersonnesquim(cid:146)ontaccueilli(cid:224)l(cid:146)InstitutdechimieetdesmatØriauxParis-Est,ettoutspØ- cialementlesmembresdel(cid:146)ØquipeSystŁmespolymŁrescomplexes, quim(cid:146)ontpermisd(cid:146)Øvoluer dans un environnement scienti(cid:133)que trŁs riche et diversi(cid:133)Ø. iii (cid:192) Christophe, (cid:224) ma famille, (cid:224) mes amis. Table des matiŁres Table des matiŁres v 1 Introduction 1 1.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structure de ce mØmoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 I (cid:201)tat de l(cid:146)art 5 2 Fibres optiques et rØseaux de Bragg 7 2.1 GØnØralitØs sur les (cid:133)bres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 DØ(cid:133)nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 Fibres optiques monomodes (cid:224) saut d(cid:146)indice : approche ondulatoire . . 9 2.1.2.1 Equation de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2.2 Notion de modes guidØs, de gaine, radiatifs . . . . . . . . . . 10 2.1.2.3 Notion d(cid:146)indice e⁄ectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Un nouveau type de guide : les (cid:133)bres microstructurØes . . . . . . . . . 11 2.1.3.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.3.2 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 Capteurs (cid:224) Fibres Optiques (CFO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4.2 Modulation de la lumiŁre et transduction . . . . . . . . . . . 14 v vi 2.2 RØseaux de Bragg dans les (cid:133)bres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Inscription de rØseaux de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2.1 PhotosensibilitØ des (cid:133)bres dopØes (cid:224) l(cid:146)oxyde de germanium . . 17 2.2.2.2 MØthodes d(cid:146)inscription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 Classi(cid:133)cation des rØseaux de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3.1 RØseaux de Bragg uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.3.2 RØseau (cid:224) pas court et traits inclinØs . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.4 Transducteurs (cid:224) rØseaux de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.4.1 SensibilitØ des rØseaux standard . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.4.2 SensibilitØ (cid:224) l(cid:146)indice de rØfraction environnant . . . . . . . . 26 3 Principe de fonctionnement des biocapteurs 31 3.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Les biorØcepteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Les anticorps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2.2 Les enzymes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2.3 L(cid:146)ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.4 Les cellules entiŁres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Les mØthodes de transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1 Les transducteurs thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2 Les transducteurs Ølectrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2.1 Capteurs potentiomØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2.2 Capteurs ampØromØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2.3 Capteurs conductimØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Les transducteurs acoustiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.3.1 Microbalance piØzoØlectrique ou (cid:224) quartz . . . . . . . . . . . 39 3.3.3.2 Capteur (cid:224) bras de levier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.4 Les transducteurs optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 TABLE DES MATI¨RES vii 3.3.4.1 La dØtection de (cid:135)uorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.4.2 Capteurs ellipsomØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.4.3 Capteurs (cid:224) ondes Øvanescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Les biocapteurs (cid:224) (cid:133)bres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1 DØ(cid:133)nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.2 Biocapteurs (cid:133)brØs (cid:224) ondes Øvanescentes « classiques » . . . . . . . . . 48 3.4.3 Biocapteurs (cid:133)brØs (cid:224) plasmons de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4.4 Biocapteurs (cid:133)brØs (cid:224) rØseaux de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.5 Biocapteurs (cid:224) (cid:133)bres microstructurØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Fonctionnalisation chimique de surfaces 53 4.1 Biofonctionnalisation directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.1 L(cid:146)adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.2 Le couplage covalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.3 La rØticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2 Fonctionnalisation intermØdiaire du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.1 Multicouches de polyØlectrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2.1.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2.1.2 MØthodes de dØp(cid:244)t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2.1.3 Multicouches (cid:224) croissance linØaire . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1.4 In(cid:135)uence des paramŁtres de construction . . . . . . . . . . . 59 4.2.2 PolymŁres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2.2.1 DØ(cid:133)nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2.2.2 PolymØrisation grafting from . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2.3 Silanisation des substrats de silice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.4 Immobilisation du biorØcepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.4.1 Adsorption de protØines par interactions Ølectrostatiques . . 64 4.2.4.2 Gre⁄age covalent de biomolØcules . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.4.3 A¢ nitØ avidine biotine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 viii 4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 II MØthodologie dØveloppØe 69 5 MatØriels et mØthodes de dØtection 71 5.1 Mesures spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.1.1 Description du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.1.2 Principe de fonctionnement de la source accordable . . . . . . . . . . . 72 5.1.3 CaractØristiques du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2 Inscription du rØseau de Bragg (cid:224) traits inclinØs . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2.1 Principe du montage (cid:224) miroir de Lloyd. . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2.2 Inscription des rØseaux standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2.3 Inscription des rØseaux (cid:224) traits inclinØs. . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.3 CaractØristiques de la rØponse spectrale en transmission d(cid:146)un rØseau de Bragg (cid:224) traits inclinØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3.1 Couplage du mode fondamental vers les modes de gaine . . . . . . . . 77 5.3.2 Couplage du mode fondamental vers le continuum de modes radiatifs. 78 5.3.3 Distance spectrale entre deux rØsonances consØcutives . . . . . . . . . 79 5.4 Analyse et traitement numØrique des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.4.1 Approche discrŁte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4.1.1 Suivi du dØcalage spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4.1.2 Suivi de l(cid:146)amplitude d(cid:146)une unique rØsonance spectrale . . . . 80 5.4.2 Exemple d(cid:146)approche globale : « mØthode des aires » . . . . . . . . . . 81 5.4.3 Approche globale basØe sur l(cid:146)analyse frØquentielle du spectre . . . . . 82 5.5 Le systŁme BraggLight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6 RØalisation de biocapteurs mettant en (cid:156)uvre la technologie des rØseaux de Bragg 87 6.1 MØthode « tout Ølectrostatique » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.1 MatØriel et rØactifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 TABLE DES MATI¨RES ix 6.1.1.1 Cuve de fonctionnalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.1.2 PolyØlectrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.1.3 ProtØines biorØceptrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.1.2 Protocole de biofonctionnalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.1.2.1 DØcapage de la surface de la (cid:133)bre . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.1.2.2 Activation de la surface de silice . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.1.2.3 DØp(cid:244)ts d(cid:146)une multicouche de polyØlectrolytes . . . . . . . . . 91 6.1.2.4 Adsorption de la biomolØcule sonde . . . . . . . . . . . . . . 92 6.2 StratØgies visant (cid:224) augmenter la stabilitØ du biorØcepteur . . . . . . . . . . . 92 6.2.1 PolymŁres portant la fonction carboxyle . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2.1.1 Dextran carboxymØthylØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2.1.2 Acide polyacrylique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.2.2 GlutaraldØhyde : utilisation de la fonction aldØhyde. . . . . . . . . . . 94 6.2.3 Extravidine : utilisation de l(cid:146)a¢ nitØ avidine-biotine . . . . . . . . . . . 95 6.3 MØthode covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.3.1 MatØriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.3.2 Protocole de biofonctionnalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3.2.1 Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3.2.2 Silanisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.3.2.3 Gre⁄age de l(cid:146)amorceur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.3.2.4 PolymØrisation radicalaire sous UV . . . . . . . . . . . . . . 98 6.3.2.5 Gre⁄age covalent de l(cid:146)extravidine . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.3.2.6 Gre⁄age du biorØcepteur par a¢ nitØ avidine-biotine . . . . . 102 III ExpØrimentation : rØsultats et discussion 105 7 Elaboration d(cid:146)un biocapteur « tout Ølectrostatique » 107 7.1 Construction de (cid:133)lms de polyØlectrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.1.1 ParamŁtres relatifs (cid:224) la construction d(cid:146)une multicouche . . . . . . . . 108 x 7.1.1.1 Notion d(cid:146)indice moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.1.1.2 Activation de la silice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.1.2 CinØtiques des Øtapes de construction d(cid:146)une multicouche . . . . . . . . 110 7.1.2.1 Concentrationsettempsd(cid:146)incubation:casd(cid:146)unemulticouche PEI/DSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.1.2.2 Choix du solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.1.2.3 CinØtique de croissance des (cid:133)lms : « modŁle des trois zones » 113 7.1.3 Interaction des polyØlectrolytes avec le milieu extØrieur . . . . . . . . . 114 7.1.3.1 Indice de polymolØcularitØ et longueur des cha(cid:238)nes polymŁres 114 7.1.3.2 PolyØlectrolyte fort ou faible : SensibilitØ vis-(cid:224)-vis du pH . . 115 7.1.4 Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Adsorption d(cid:146)une biomolØcule sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.2.1 Adsorption de molØcules : modŁle de Langmuir . . . . . . . . . . . . . 118 7.2.1.1 DØ(cid:133)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.2.1.2 LinØarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.2.2 Adsorption de l(cid:146)Albumine de SØrum Bovin (BSA) . . . . . . . . . . . 120 7.2.2.1 Choix de la concentration en BSA . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.2.2.2 CaractØrisation de la surface fonctionnalisØe par microscopie (cid:224) force atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.2.2.3 CinØtique d(cid:146)adsorption de la biomolØcule sonde . . . . . . . . 122 8 Performances et limites du biocapteur « tout Ølectrostatique » : intro- duction de l(cid:146)extravidine 125 8.1 Performances du biocapteur « tout Ølectrostatique » . . . . . . . . . . . . . . 126 8.1.1 Reconnaissance anticorps-antigŁne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.1.2 DØtection quantitative d(cid:146)anti-BSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.1.3 Analyse des performances du biocapteur « tout Ølectrostatique » . . . 129 8.1.3.1 SensibilitØ et limite de dØtection . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.1.3.2 A¢ nitØ et concentration limite . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.2 Limites du « tout Ølectrostatique » et utilisation de l(cid:146)a¢ nitØ avidine-biotine . 132