Projet ANR-11-BSV5-0017 – MIRODE : Micro-résonateurs organiques pour la détection d'éléments chimiques et biologiques sans label en milieu micro-fluidique
Programme : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Isabelle Ledoux-Rak (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR EST)
Partenaires : Laboratoire de Biologie et Pharmacologie Appliquée; Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire; Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires
Montant : 407743.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Capteur chimique et biologique sans marqueur à haute sensibilité et à faible temps de réponseeCe projet a pour objectif de concevoir, fabriquer et valider un nouveau type de capteur micro-fluidique sans marqueur à base de matériaux organiques qui sera adapté à des applications chimiques et biologiques, notamment d’une part pour des études en temps réel de la dynamique de protéines particulières et d’autre part pour la détection de faibles concentrations d’ions lourds dans l’eau.
Mettre au point un capteur multifonctions, ultrasensible et ultra-rapideIl s’agit ici de développer un capteur à hautes performances et à bas coût de fabrication, susceptible de détecter de très faibles quantités d’espèces chimiques (notamment des polluants de type ions lourds) et biologiques (protéine, ADN,…). La biologie impose en effet des contraintes expérimentales jusque là non intégrées dans les technologies de pointe existant dans d’autres domaines. Les quantités de matériau disponible dans les applications biologiques sont extrêmement faibles, avec des composants très diversifiés. Les techniques utilisées doivent donc à la fois progresser en termes de sensibilité lors des mesures, mais aussi de sélectivité et de reproductibilité. Elles doivent également limiter au minimum leur effet sur le matériel observé. D’où le développement de technologies sans marqueurs (label-free), permettant ainsi d’observer l’interaction de molécules sans marqueur fluorescent.Parmi les technologies en compétition, c’est principalement la SPR (pour Surface Plasmon Resonance) qui a conquis le marché jusqu’à maintenant. Cependant, ces technologies restent confrontées à des problèmes de sensibilité, liés à des bruits d’acquisition importants, ce qui limite leur progression, en particulier pour les applications intéressantes comme le diagnostic.Le dispositif proposé dans ce projet possède des performances hors pair par rapport à l’état de l’art, notamment une limite de détection extrêmement faible (de l’ordre de la centaine de molécules) et un temps de réponse en dessous de la milliseconde. Ces performances ouvrent des perspectives extrêmement importantes pour toutes sortes d’applications (détection de polluants), et en particulier  dans la compréhension des mécanismes de reconnaissance et d’action des objets biologiques impliqués dans la régulation de l’expression des gènes
Une approche pluridisciplinaire : de l’optoélectronique aux macromolécules biologiques-	Une technologie dérivée de l’optoélectronique polymère : photolithographie et gravures de guides et de résonateurs avec intégration verticale-	Des méthodes de fonctionnalisation de molécules biologiques ou de ligands d’ions lourds à la surface du capteur-	Une intégration dans des circuits optoélectroniques et microfluidiques
Résumé de la soumission : Ce projet a pour objectif de concevoir, fabriquer et valider un nouveau type de capteur micro-fluidique sans marqueur à base de matériaux organiques qui sera adapté à des applications chimiques et biologiques, notamment d’une part pour des études en temps réel de la dynamique de protéines particulières et d’autre part pour la détection de faibles concentrations d’ions lourds dans l’eau. Nous prêterons une attention particulière à l’intégration de plusieurs fonctionnalités (injection et détection du signal optique) à même la puce, afin de combler le fossé entre les démonstrateurs de laboratoire (très limités en termes d’intégration) et la miniaturisation nécessaire pour une production de masse et une utilisation à grande échelle en médecine et dans les études environnementales. Les deux facettes de ces applications reposent sur l’extrême sensibilité de la réponse spectrale de micro-résonateurs à une modification de l’indice de réfraction dans leur proche environnement (liquides) ou de la composition de leur interface avec le milieu extérieur. Les techniques génériques développées pour l’élaboration et les méthodes de caractérisation adaptées à des composants polymères ouvrent des perspectives intéressantes en termes de production de masse à bas coût, offrant la possibilité de puces jetables utilisables sur des équipements portatifs.Nous proposons un capteur chimique et/ou biologique original et sans marqueur, reposant sur un système opto-fluidique polymère (ou sol-gel), qui peut présenter une haute sensibilité en présence d’ions lourds, et une réponse temporelle intrinsèque de l’ordre de la milliseconde, ce qui permettra de réaliser un contrôle en continu et/ou d’étudier les cinétiques d’interactions macro-moléculaires. Un tel laboratoire sur puce sera au cœur des futurs instruments portatifs destinés aux mesures in-situ.Le choix des matériaux polymères pour ce capteur micro-fluidique est motivé par les vastes possibilités d’intégration offertes avec divers matériaux inorganiques, permettant ainsi une construction simple d’un laboratoire sur puces. De plus de nombreuses surfaces polymères peuvent être facilement fonctionnalisées pour attacher des molécules cibles permettant une détection spécifique. La cellule opto-fluidique élémentaire est composée d’un micro-résonateur polymère, inclus dans un circuit d’optique intégrée comprenant essentiellement des guides monomodes « entré-sortie » permettant un coulage vertical avec le microrésonateur.. Le canal micro-fluidique est ensuite placé sur la surface supérieure du circuit optique, formant ainsi le système micro-fluidique. Le principe de détection repose sur un décalage spectral de la réponse optique du micro-résonateur induit par le changement d’indice effectif du micro-résonateur lui-même (état de surface) ou de son environnement. La forme du résonateur (en «hippodrome ») permet d’assurer une grande longueur de couplage avec les guides d’entrée/sortie, tandis que le couplage vertical avec le guide d’onde adjacent permet de transmettre et de détecter facilement sa réponse. Cette architecture combine trois avantages : grande sensibilité liée au processus physique fondamental, amélioration de l’intégration par le couplage vertical au guide d’onde du micro-résonateur et insertion du composant dans un circuit micro-fluidique.La sensibilité du dispositif aux changements de conformation moléculaire sera évaluée avec des micro-résonateurs à la surface fonctionnalisées par une couche de reconnaissance bio-moléculaire. Quant à la sensibilité à la concentration d’ions lourds, elle sera caractérisée dans le but d’atteindre la limite de l’état de l’art (100 ng/L) accessible seulement avec des dispositifs non-intégrés et difficilement déplaçables. Les développements futurs porteront sur l’élaboration de réseaux de puces pour une analyse simultanée d’ions ou de protéines sur le même composant.
Résultats : Nous avons réalisé la fonctionnalisation de la surface des micro-résonateurs en SU-8 en phase sèche (sans le circuit microfluidique). Nous avons ensuite réalisé l'immobilisation d'une molécule de test (la molécule TAMRA-cadavérine) sur cette surface fonctionnalisée. La caractérisation par spectroscopie IR et par fluorescence de cette fonctionnalisation a montré d’excellents résultats par rapport à la fonctionnalisation réalisée pour le SPR (dans notre cas, détection limite égale à 0.22 attogramme par microrésonateur).
D’autre part, un ligand à base de calixarène a  été mis au point pour la détection  du plomb .
Nous avons obtenu pour le LBPA et le LPQM (dans le cadre de l’Institut d’Alembert) un financement de 40 000 euros suite à l’appel à projet « Valorisation » lancé par les Labex PALM et NanoSaclay.
Perspectives : Une perspective désormais réaliste grâce à l’obtention d’un financement d’un projet « Valorisation » permettra de faire évoluer ce dispositif (qui fonctionne actuellement dans un régime purement « recherche », exigeant un savoir-faire de haut niveau tant du côté des aspects physiques et technologiques du capteur que de celui de la fonctionnalisation de sa surface) vers un outil utilisable à une échelle plus large, dans un environnement mixte physique-biologie dédié, qui pourrait à terme déboucher sur une stratégie de pré-industrialisation.
Publications et brevets : •	Vertically coupled polymer microresonators for optofluidic label-free biosensors ,Delezoide, C.; Lautru, J.; Zyss, J.; Ledoux-Rak, I ; Nguyen, CT., INTEGRATED OPTICS: DEVICES, MATERIALS, AND TECHNOLOGIES XVI  Book Series: Proceedings of SPIE   Volume: 8264, n° 826416   ( 2012). 
•	« Vertically Coupled Polymer Microracetrack Resonators for Label-Free Biochemical Sensors »,  C. Delezoide, M. Salsac, J. Lautru, H. Leh, C. Nogues, J. Zyss, M. Buckle, I. Ledoux-Rak and C.T. Nguyen, IEEE Photonics Technology Letters,  24, n° 4, 270-272 (2012).