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RÉSUMÉ
Grâce à leurs très faibles dimensions, les capteurs à fibres optiques présentent de nombreux atouts pour la biodétection dans de très faibles volumes. De plus, ils permettent la réalisation de mesures in situ avec un système d'analyse déporté. Parmi les différentes réalisations, les capteurs de type plasmonique ont été fortement développés. Ces derniers sont obtenus par l'association d'un tronçon de fibre optique rendu sensible à un changement de l'indice de réfraction du milieu extérieur avec une couche nanométrique d'or. Cet article résume le principe physique de la génération de résonance de plasmon de surface à l'interface couche métallique-diélectrique extérieur. Il s'étend ensuite sur les principales configurations de biocapteurs plasmoniques à fibres optiques et s'attarde enfin sur des exemples concrets de réalisation.
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Christophe CAUCHETEUR : Docteur en sciences de l'ingénieur - Chercheur qualifié du F.R.S.-FNRS à la Faculté Polytechnique de l'université de Mons
INTRODUCTION
La détection rapide et précise d'analytes (protéines, brins d'ADN, marqueurs tumoreux…) en faibles concentrations est cruciale dans de nombreux domaines comme le diagnostic médical, le monitoring environnemental ou encore le contrôle de qualité dans la chaîne alimentaire.
Les capteurs à fibres optiques répondent élégamment à cette problématique étant donné qu'ils fournissent une plate-forme sensible, compacte à l'échelle de la centaine de micromètres et qu'ils offrent la possibilité de réaliser des mesures in situ avec une instrumentation déportée qui peut se situer à plusieurs mètres voire plusieurs centaines de mètres de l'endroit de mesure.
En sus de ces atouts très prisés, ce type de capteurs possède l'ensemble des avantages inhérents à l'emploi des fibres optiques. Ils sont donc, entre autres, insensibles aux interférences électromagnétiques, résistants aux hautes températures et à la corrosion chimique et offrent la possibilité d'adresser simultanément plusieurs points de mesure.
Cependant, une fibre optique n'est pas intrinsèquement sensible et sélective à des composés biochimiques ou biologiques. Dans la pratique, il convient tout d'abord de la rendre localement sensible à un changement d'indice de réfraction du milieu extérieur. Cette aptitude peut résulter de différentes configurations, comme la diminution de l'épaisseur de la gaine optique ou encore la photo-inscription dans le cœur de la fibre d'une structure périodique radiative. Cette partie sensible est alors traitée en surface afin qu'elle présente à la fois une affinité et une sélectivité avec les espèces biochimiques à détecter. Dans le cas des capteurs de type plasmonique, la surface de la fibre optique est d'abord recouverte d'une couche nanométrique d'or, dans le but de générer une résonance de plasmon de surface. Des biorécepteurs sont ensuite greffés sur l'or, lesquels présentent une affinité avec les espèces chimiques à détecter également appelées « ligands », selon un modèle anticorps-antigènes. Ainsi, par adsorption des ligands, la couche bioréceptrice subit une modification de son indice de réfraction, ce qui impacte la résonance de plasmon de surface et affecte en retour l'onde lumineuse propagée au sein de la fibre optique.
Ce dossier a pour objectif de présenter le principe physique sous-jacent à la génération de résonances de plasmon de surface dans les fibres optiques. Il s'attarde ensuite sur les principales configurations de biocapteurs plasmoniques à fibres optiques. Des exemples concrets de réalisation sont finalement discutés.
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Principe physique de la génération d'onde de plasmon de surface
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1. Généralités
1.1 Principe de fonctionnement des fibres optiques
Une fibre optique est un guide d'onde cylindrique de lumière constitué de deux couches concentriques : le cœur, au centre, entouré d'une enveloppe appelée « gaine optique ». La grande majorité des fibres optiques disponibles commercialement est réalisée en verre ou en polymère (le plus souvent en polyméthacrylate de méthyle ou PMMA). Ce dossier s'attarde exclusivement sur les fibres à base de silice. Pour ces dernières, le cœur est généralement dopé avec de l'oxyde de germanium dans le but d'accroître légèrement son indice de réfraction par rapport à celui de la gaine optique, elle-même constituée de silice pure. Par ce moyen, la lumière injectée dans la fibre optique est confinée dans le cœur et s'y propage avec une atténuation très faible. Une fibre optique est dite « monomode »/« multimode » selon qu'elle propage la lumière dans le cœur via un/plusieurs modes optiques (cf. théorie de propagation au sein des fibres optiques pour la définition de ces modes ). Cette caractéristique est liée aux dimensions du cœur ainsi qu'à la longueur d'onde utilisée pour la lumière véhiculée par la fibre optique. Un diamètre de cœur limité à 5-8 microns entraîne une propagation monomode de la lumière pour des longueurs d'onde généralement supérieures à 1 μm. Au-delà, la propagation est multimodale. Pour les fibres multimodes, les dimensions du cœur avoisinent généralement les 50 microns. La figure 1 présente, à l'échelle, une comparaison entre les coupes transverses des fibres monomodes et multimodes. Dans les deux cas, la gaine optique possède un diamètre externe de 125 microns. Les deux couches concentriques constitutives d'une fibre optique sont généralement entourées d'une couche protectrice en polyacrylate de 250 microns de diamètre dans le but de conférer à l'ensemble une bonne tenue mécanique. Une fibre optique est ainsi plus résistante à la traction mécanique...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MEUNIER (J.P.) - Physique et technologie des fibres optiques - Traité EGEM, sérieOptoélectronique, Hermès Science Publication, Paris (2003).
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(2) - WOOD (R.W.) - On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum - Proceedings of the Physical Society of London 18, 269 (1902).
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(3) - FANO (U.) - The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves) - Journal of the Optical Society of America 31, 213-222 (1941).
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(4) - KRETSCHMANN (E.), RAETHER (H.) - * - . – Z. Naturforsch 23a, 2135 (1968).
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(5) - JORGENSON (R.C.), YEE (S.S.) - A fiber-optic chemical sensor based on surface plasmon resonance - Sensors and Actuators B : Chemical 12, 2123-220 (1993).
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(6) - TROUILLET (A.), RONOT-TRIOLO (C.), VEILLAS (C.), GAGNAIRE (H.) - Chemical...
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