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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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Quelques exemples de biodétection
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3. Quelques configurations de capteurs plasmoniques sur fibres optiques
3.1 Fibres optiques multimodes
Nous venons de voir que les capteurs plasmoniques basés sur l'utilisation d'un prisme exploitent l'onde évanescente résultant de la réflexion interne totale à l'interface entre un prisme et une couche métallique lorsque l'angle d'incidence de la lumière à cette interface est supérieur à l'angle critique.
En pratique, les ondes évanescentes sont également présentes dans les fibres optiques étant donné que le guidage de lumière se base sur le mécanisme de réflexions internes totales à l'interface cœur-gaine optique. Ainsi, l'onde évanescente se propage-t-elle le long de cette interface. Le cœur de la fibre optique joue donc le rôle du prisme. L'obtention d'un capteur plasmonique s'obtient en ôtant la gaine optique sur une petite portion de la fibre, comme illustré à la figure 6, et en déposant directement sur le cœur une couche métallique nanométrique.
Dans cette configuration, lorsqu'une lumière polychromatique est injectée à une extrémité de la fibre, tous les modes guidés atteignent l'interface métallisée de sorte que c'est l'interrogation spectrale qui est intrinsèquement opérée, plutôt que l'interrogation angulaire. À l'instar du prisme de Kretschmann, l'onde évanescente produite par les modes guidés dans la fibre excite l'onde de plasmon de surface à l'interface métal-diélectrique extérieur. L'intensité de lumière transmise est détectée à l'autre extrémité de la fibre optique, en fonction de la longueur d'onde. Un spectre de résonance plasmonique similaire à celui de la figure 5 est ainsi obtenu. La détection s'opère en observant le décalage de la longueur d'onde de résonance plasmonique, correspondant au minimum du spectre transmis.
Le couplage entre l'onde évanescente et l'onde plasmonique dépend fortement de la longueur d'onde utilisée, des paramètres géométriques de la fibre optique ainsi que des propriétés de la couche métallique. Contrairement au prisme de Kretschmann, le nombre de réflexions pour la plupart des modes guidés est supérieur à 1. En pratique, plus l'angle d'incidence à l'interface est petit et plus le nombre de réflexions...
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Quelques configurations de capteurs plasmoniques sur fibres optiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(6) - TROUILLET (A.), RONOT-TRIOLO (C.), VEILLAS (C.), GAGNAIRE (H.) - Chemical...
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