Brevet FR2783919A1 — publié le 20000331

-1 CAPTEUR OPTIQUE INTEGRE POUR DETECTER LES COMPOSANTS D'UN FLUIDE L'invention concerne les capteurs biochimiques qui sont utilisés pour détecter les composants d'un fluide et, plus particulièrement, des capteurs du type optique. Dans certains capteurs de ce type, par exemple, la vitesse de phase d'un faisceau lumineux dans un guide d'onde optique est modifiée par la variation de l'indice de réfraction de la paroi du guide due à la présence d'un composant du fluide à analyser, le fluide étant en contact avec la paroi du guide par l'intermédiaire d'une couche biochimique adaptée au composant à détecter. Les changements de la vitesse de phase peuvent alors être mesurés avec précision par un dispositif interférométrique tel que l'interféromètre Mach-Zehnder. Dans d'autres capteurs, la détection des composants du fluide mis en contact avec le guide d'onde met en oeuvre d'autres caractéristiques de ces composants telle que leur propriété d'absorption de certaines longueurs d'onde ou d'émission de fluorescence. Une structure de capteur biochimique selon l'art antérieur d'un certain type est représentée sur la figure 1 et comprend une partie ou bloc optique 10 et une partie ou bloc fluidique 12 pour le passage du liquide à analyser, ces deux parties 10 et 12 étant assemblées suivant leurs faces opposées 14 et 16 respectivement. Le bloc optique 10 comprend un substrat 18 en polymère sur lequel est réalisé un guide d'onde optique 20, une source de lumière (diode électroluminescente ou diode laser) 26 et un détecteur 30. Sur le substrat existent également deux réseaux de couplage 22 et 28 pour, respectivement, coupler le faisceau incident 24 au guide d'onde et diriger le faisceau de sortie sur le détecteur 30. La partie 12 est réalisée de manière à ménager un passage 32 pour le fluide à analyser, fluide qui entre par un conduit d'entrée 34 et sort par un conduit de sortie 36. La face du guide d'onde 20 en contact avec le liquide à analyser est recouverte sur une certaine longueur ou surface d'une substance de détection 38 adaptée au composant à détecter. Dans la structure de la figure 1, il est prévu une cavité 40 au-dessus du réseau de couplage 22 dans laquelle circule une solution tampon, ou fluide "neutre" vis-à-vis de la propagation des ondes. Cette solution tampon entre par un conduit 42 et sort par le conduit 36 sans se mélanger au fluide à analyser qui sort du passage 32. Par cette disposition, on évite que le réseau de couplage 22 soit en contact avec le fluide à analyser avec le risque que ce dernier en modifie les propriétés optiques. Bien entendu, la même disposition peut être appliquée pour le réseau de couplage de sortie 28. Une telle structure présente l'inconvénient de séparer les deux fonctions, optique d'une part et fluidique d'autre part, ce qui conduit à fabriquer les deux parties 10 et 12 séparément et avec une très grande précision en vue de leur assemblage précis. Il en résulte alors un coût de fabrication élevé, d'autant plus élevé que le nombre de chemins de mesure est grand dans les capteurs multi-analyse ou multi-composant. Un but de la présente invention est de réaliser une nouvelle structure de capteur optique intégré qui est simple à fabriquer et d'un coût nettement inférieur à celui des structures de l'art antérieur, ce qui permet de réaliser plus facilement des structures multichemin ou multipiste pour des capteurs multi- analyse ou multi-composant. Ce but est atteint en réalisant la partie optique et le canal ou conduit de passage du fluide sur un même côté d'un substrat, ce côté étant ensuite recouvert d'une partie plate formant couvercle. L'invention concerne un capteur optique intégré pour détecter au moins un composant d'un fluide à analyser comprenant: - au moins un canal ou conduit pour le passage du fluide à analyser, - un guide d'onde optique disposé sur toute ou partie de la longueur du canal, - une couche biochimique sensible à au moins ledit composant à détecter disposée sur la paroi du guide d'onde optique en contact avec le fluide à analyser, - des moyens d'entrée et de sortie du fluide à analyser dans le conduit, - des moyens de transport du fluide à l'intérieur du conduit, - un émetteur d'un faisceau de lumière laser, - des moyens de couplage optique à l'entrée et à la sortie du guide d'onde optique pour l'entrée du faisceau de lumière laser et pour l'en sortir, et - un détecteur du faisceau de lumière laser sortant du guide d'onde optique, caractérisé - en ce que le conduit, le guide d'onde optique et les moyens de couplage optique sont réalisés dans au moins une rainure gravée dans un substrat, et - en ce qu'un couvercle recouvre la face supérieure pleine du substrat de manière à fermer la rainure et à réaliser ainsi le conduit. Dans un tel capteur, les moyens de transport, qui doivent assurer le passage régulier du fluide à analyser dans le canal, feront avantageusement usage de la technique de l'électrophorèse; le champ électrique nécessaire étant alors créé au moyen d'électrodes réalisées, au niveau du canal, soit sur le substrat, soit sur le couvercle. D'autres techniques peuvent également être mises en oeuvre, telles celles utilisant des micropompes ou tout autre moyen pour engendrer une différence de pression entre l'entrée et la sortie du canal. Les moyens d'entrée et de sortie du fluide à analyser peuvent être réalisés dans le substrat ou dans le couvercle. Une telle structure du capteur selon l'invention permet de réaliser un capteur multi-composant en réalisant une pluralité de conduits en parallèle sur un même substrat, chaque conduit étant adapté, par l'intermédiaire de la couche biochimique sensible, à détecter un des composants du fluide à analyser. Le réseau de couplage optique d'entrée est, par exemple, unique tandis que le réseau de couplage optique de sortie peut être unique ou comprendre un réseau de couplage optique par composant à détecter. Les moyens d'entrée et de sortie du fluide peuvent être prévus pour faire circuler une solution tampon au niveau des réseaux de couplage optique, tandis que le fluide à analyser circule uniquement dans les conduits comprenant les couches biochimiques sensibles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples particuliers de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est une structure d'un capteur optique intégré selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en perspective cavalière d'une structure selon l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective cavalière d'une structure de base d'un capteur interférométrique Mach-Zehnder, - la figure 4 est une vue, en coupe simplifiée, d'un capteur dans lequel les conduits d'entrée et de sortie du fluide à analyser traversent le substrat, - la figure 5 est une vue en coupe simplifiée d'un capteur dans lequel les conduits d'entrée et de sortie du fluide à analyser traversent le couvercle, et - les figures 6, 7, 8 et 9 sont des schémas montrant des capteurs multi-analyse ou multi-composant. Une variante de capteur optique intégré du type interféromètre MachZehnder selon l'invention comprend (figures 2 et 3) un substrat 60 dans lequel sont réalisées au moins deux rainures 62 et 64 séparées par une paroi 46, ces deux rainures ayant une entrée commune 48 et une sortie commune 50. Le fond des rainures 62 et 64 est recouvert d'une couche diélectrique 52 qui constitue un guide d'onde pour un faisceau de lumière 24 (figure 1) non représenté sur les figures 2 et 3. Dépendant du procédé de fabrication qui sera décrit ci-après, une couche diélectrique 54 peut recouvrir également la face supérieure du substrat ainsi que la surface supérieure de la paroi 46 séparant les deux rainures 62 et 64. La face supérieure du substrat 60 reçoit un couvercle 56 dont la face inférieure est fixée sur la couche diélectrique 54 de manière étanche de sorte que les rainures 62, 64 en combinaison avec l'entrée 48 et la sortie 50 réalisent des canaux ou conduits pour le passage d'un fluide à analyser. Il est à noter que les couches diélectriques 52 et 54 ont la même épaisseur car elles sont issues d'une même opération de dépôt. Le fond de l'un des canaux 62 ou 64 constitué par la surface externe du guide d'onde comporte, sur une certaine longueur, un dépôt (non représenté) d'une substance biochimique sensible au composant à détecter dans le fluide. Selon une variante, des substances chimiques différentes peuvent être déposées dans les deux canaux. La fabrication de la structure décrite en relation avec les figures 2 et 3 peut comprendre les étapes suivantes: - prendre un substrat, par exemple, en quartz, - réaliser, dans le substrat, les rainures 62 et 64, l'entrée 48 et la sortie 50, ainsi que les réseaux de couplage d'entrée et de sortie 22 et 28, par des techniques de structuration, telles qu'utilisées pour la fabrication des circuits intégrés et faisant appel à la photolithographie et à la gravure par voie humide ou sèche, - à déposer en une seule opération les couches diélectriques 52 et 54 sur une épaisseur suffisante pour obtenir un guide d'onde sur le fond des rainures, et à recouvrir le produit obtenu du couvercle 56 en scellant ce dernier sur la couche diélectrique 54 pour obtenir l'étanchéité des canaux obtenus à partir des rainures recouvertes par le couvercle. Selon une variante particulièrement intéressante de production en masse de composants bon marché, le substrat de quartz structuré est utilisé comme modèle pour une production par réplication de composants à base de polymère (par exemple, polycarbonate). Pour cela, un moule est réalisé par électrodéposition de Nickel sur le substrat structuré, pour reproduire les structures du modèle puis ce moule est utilisé pour la reproduction en quantité de composants identiques au modèle dans une matière polymère, ladite reproduction étant faite par estampage ou emboutissage à chaud (appelée "hot-embossing" dans la littérature anglo- saxone). D'autres techniques de réplication réalisant le transfert des structures d'un modèle dans un substrat bon marché peuvent également être utilisées. Une fois obtenus, les composants structurés (rainures et structures de couplage), les étapes de dépôt du matériau constituant le guide d'onde, du matériau constituant la couche sensible et de fixation du couvercle sont exécutées comme indiqué ci-dessus. Les schémas simplifiés des figures 4 et 5 montrent deux exemples de réalisation de l'entrée et de la sortie du fluide à analyser, un premier exemple (figure 4) dans lequel les conduits d'entrée 80 et de sortie 82 sont réalisés dans le substrat 60 et un deuxième exemple (figure 5) dans lequel les conduits d'entrée 84 et de sortie 86 sont réalisés dans le couvercle 56, leur orifice vers l'extérieur pouvant se terminer par un évasement ou entonnoir 68 et 70. Sur ces figures 4 et 5, les traits discontinus 72 indiquent la zone de détection constituée par le guide d'onde optique revêtu par la couche biochimique sensible, les éléments référencés 74 et 76 indiquent des électrodes qui sont connectées à des sources de potentiel positive ou négative et les éléments référencés 78 et 68 indiquent les réseaux de couplage optique d'entrée et de sortie du faisceau de lumière dans le guide d'onde 52. Dans les schémas des figures 4 et 5, il est supposé que le substrat 60 est en une matière transparente permettant le passage du faisceau incident depuis une source externe jusqu'au réseau de couplage d'entrée 78 et le passage du faisceau de sortie depuis le réseau de couplage de sortie 68 jusqu'à un détecteur externe. La réalisation de la source de lumière et du détecteur dans le substrat même du capteur est également envisageable pour une meilleure compacité de l'ensemble, le matériau du substrat devant dans ce cas être choisi en conséquence. Les électrodes 74 et 76 servent à déplacer, par électrophorèse, le fluide à analyser dans les conduits de passage. Comme indiqué précédemment, d'autres dispositions de ces électrodes peuvent être prévues en fonction des applications envisagées ou des impératifs de fabrication. Par suite de sa simplicité de fabrication, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour effectuer simultanément la détection de plusieurs composants quel que soit le phénomène physique mis en oeuvre pour détecter le composant: fluorescence, réfractométrie, interférométrie, absorption, etc... Ainsi, le dispositif de la figure 6 concerne la réfractométrie, les dispositifs des figures 7 et 8 concernent la mise en oeuvre du phénomène d'interférence tandis que le dispositif de la figure 9 concerne la mise en oeuvre du phénomène de fluorescence. Le dispositif de la figure 6 permet la détection simultanée de sept composants dans un même fluide en utilisant sept canaux ou voies 901 902, 903, 904, 905, 906 et 907, chaque voie comprenant une couche sensible biochimique particulière 921, 922, 923, 924, 925, 926 et 927. Le fluide à analyser rentre par l'entrée 102 et est distribué dans les sept voies ou canaux et sort par la sortie 104. Le faisceau de lumière 106 pénètre dans le guide d'onde par le réseau de couplage optique 108 et en sort par le réseau de couplage 110. Les moyens de transport (par exemple, électrodes) pour le déplacement du fluide n'ont pas été représentés. Chaque couche biochimique est adaptée à détecter un composant et il en résulte des angles de sortie différents des faisceaux de lumière de sortie, selon le composant qui est présent dans ce fluide. Selon une variante de réalisation, un réseau de couplage peut être prévu dans chaque bras de mesure 901 à 907, chaque réseau délivrant un faisceau de sortie à destination d'un détecteur donné. Le réseau d'entrée étant unique pour tous les bras de mesure, il devient même possible de calibrer le capteur pour tenir compte d'éventuelles pertes optiques. Les dispositifs des figures 7 et 8 permettent d'effectuer simultanément plusieurs détections de composants en mettant en oeuvre le phénomène d'interférence. Ainsi, sur la figure 7, le fluide à analyser pénètre par l'entrée 102 et est orienté ensuite vers trois voies 120, 122 et 124, chaque voie étant ensuite divisée en deux sous-voies parallèles égales (1201, 1202), (1221, 1222) et (1241, 1242) qui se recombinent ensuite pour permettre la sortie du fluide en 104. Le faisceau de lumière entre par le réseau 108 et sort par les réseaux 126, 128 et 130 disposés après la recombinaison des deux sous-voies. Dans chaque voie , 122 et 124, une sous-voie 1201, 1221 et 1241 sert de référence, représentée par un hexagone, tandis que l'autre sous-voie 1202, 1222 et 1242 sert de mesure et incorpore une couche sensible représentée par un rectangle. Dans cette structure de la figure 7, les réseaux de couplage optique 108, 126, 128 et 130 sont en contact avec le liquide à analyser, ce qui peut altérer les mesures et, pour y remédier, il est proposé la structure de la figure 8 dans laquelle les réseaux de couplage optique sont en contact avec une solution tampon. Cette structure, qui est identique à celle de la figure 7 du point de vue optique, est différente du point de vue des trajets fluidiques. En effet, il est prévu des trajets fluidiques qui ne concernent que les réseaux de couplage optique et des trajets fluidiques qui ne concernent que les trajets de mesure. Les réseaux de couplage 108, 126, 128 et 130 sont disposés dans des canaux séparés des canaux de mesure , 122 et 124. Ainsi, le fluide à analyser pénètre par l'entrée 132e disposée en aval du réseau de couplage d'entrée 108 et sort par trois sorties 132sl, 132s2 et 132s3 disposées en amont des réseaux de couplage de sortie 126, 128 et 130. La solution tampon pénètre par l'entrée 102e et sort par la sortie 102S pour le réseau de couplage 108 et elle pénètre par l'entrée 104e et sort respectivement par les sorties 104sl, 104s2 et 104s3 pour les réseaux de couplage 126, 128 et 130. Dans la structure de la figure 9, mettant en oeuvre la détection de fluorescence ou d'absorption, le fluide à analyser pénètre par l'entrée 102 et sort par cinq sorties 1041, 1042, 1043, 1044 et 1045 correspondant chacune à une voie ou conduit de passage. Le faisceau de lumière 106 pénètre par le réseau de couplage 108 et sort par cinq réseaux de couplage optique 1401, 1402, 1403, 1404 et 1405, chaque réseau de couplage optique étant associé à une couche biochimique sensible correspondant à un composant à détecter. Comme indiqué ci-dessus, chaque structure décrite en relation avec les figures 6, 7, 8 ou 9 met en oeuvre un seul phénomène physique: réfraction, interférence, absorption ou fluorescence. Cependant, l'invention permet de réaliser des structures qui mettent en oeuvre simultanément plusieurs phénomènes physiques pour la détection des composants. Ainsi, dans une structure semblable à celle de la figure 6, les voies 903 et 905, supposées de même longueur, peuvent mettre en oeuvre le phénomène d'interférence selon une cellule Mach-Zehnder à condition de prévoir un réseau de couplage optique à la sortie des deux voies 903 et 905. D'autres voies, par exemple les voies 901 et 902 peuvent être du type à fluorescence selon le schéma de la figure 9 avec un réseau de couplage de sortie par voie. Les avantages des capteurs selon l'invention sont, entre autres: - les structures sont faciles à réaliser et peu coûteuses, - ces structures permettent de réaliser un grand nombre de voies sur un même substrat, chaque voie, ou groupe de voies, permettant de détecter un composant particulier, - ces structures peuvent mettre en oeuvre simultanément plusieurs phénomènes physiques de détection, - tous les éléments critiques du capteur peuvent être réalisés sur un seul et même substrat, de sorte que le couvercle peut être une simple plaque ne requérant aucun positionnement précis. Bien qu'il ait été fait référence, dans la description précédente, à des réseaux de couplage réalisés sur le guide d'onde pour, respectivement, coupler le faisceau de lumière incident dans ce dernier ou extraire de celui-ci le faisceau de sortie, on comprendra que d'autres moyens peuvent être utilisés sans limiter la portée de la présente invention. On mentionnera, à titre d'exemple, le couplage direct consistant à injecter, par une optique adaptée, la lumière incidente dans une paroi transversale du guide d'onde et à extraire de la même façon le faisceau de sortie. Concernant la source de lumière, son choix dépendra de l'application envisagée. Ainsi, une source laser sera requise lorsqu'une longueur d'onde précise et un mode de propagation défini sont nécessaires, alors qu'une diode électroluminescente pourra être utilisée dans des capteurs utilisant des guides d'onde multi-modes. Enfin, les détecteurs devront être prévus pour détecter l'information de sortie, que celle-ci consiste en une intensité, une longueur d'onde, une frange d'interférence ou une position angulaire. Parmi les détecteurs utilisables, on peut mentionner les dispositifs à couplage de charge (CCD) et les réseaux de photodiodes. R E V E N D I C A T IONS 1. Capteur optique intégré pour détecter au moins un composant d'un fluide à analyser comprenant: - au moins un canal ou conduit (48) pour le passage du fluide à analyser, - un guide d'onde optique (52) disposé sur toute ou partie de la longueur du conduit, - une couche biochimique (72) sensible à au moins ledit composant à détecter disposée sur la paroi du guide d'onde optique en contact avec le fluide à analyser, - des moyens d'entrée et de sortie (80, 82, 84, 86) du fluide à analyser dans le canal, - des moyens de transport (74, 76) du fluide à l'intérieur du conduit, - un émetteur (26) d'un faisceau (24) de lumière, - des moyens de couplage optique (68, 78) à l'entrée et à la sortie du guide d'onde optique pour l'entrée du faisceau de lumière et pour l'en sortir, et - un détecteur (30) du faisceau de lumière sortant du guide d'onde optique (52), caractérisé - en ce que le conduit (48), le guide d'onde optique (52) et les moyens de couplage optique sont réalisés dans au moins une rainure réalisée dans un substrat (60), et - en ce qu'un couvercle (56) recouvre la face supérieure pleine du substrat (60) de manière à fermer la rainure et à réaliser ainsi le conduit (48). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transport du fluide à analyser comprennent des électrodes (74, 76) réalisés sur le couvercle (56) ou sur le substrat, lesdites électrodes recevant des tensions propres à engendrer un champ électrique entraînant le déplacement dudit fluide. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'entrée et de sortie du fluide à analyser comprennent des conduits (80, 82) réalisés dans le substrat (60). 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'entrée et de sortie du fluide à analyser comprennent des conduits (84, 86, 68, 70) réalisés dans le couvercle (56). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, caractérisé: - en ce que le substrat (60) comprend une pluralité de conduits (90, 120, 122, 124) disposés en parallèle par rapport aux moyens d'entrée et de sortie du fluide à analyser, - en ce que chaque conduit est adapté, par l'intermédiaire de la couche biochimique sensible à détecter un des composants du fluide à analyser, et - en ce que les moyens de couplage optique à l'entrée comprennent un seul réseau de couplage (108). 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de couplage optique à la sortie comprennent un seul réseau de couplage (110). 7. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de couplage optique à la sortie comprennent un réseau de couplage optique (126, 128, , 1401 à 1405) par composant à détecter dans le fluide à analyser. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 à 7, caractérisé: - en ce que les moyens d'entrée du fluide à analyser sont disposés en aval du réseau de couplage optique d'entrée, et - en ce que les moyens de sortie du fluide à analyser sont disposés en amont du réseau de couplage optique de sortie. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 à 7, caractérisé: - en ce que les moyens d'entrée du fluide à analyser sont disposés en avant du réseau de couplage optique, - en ce que les moyens de sortie du fluide à analyser sont disposés en aval du réseau de couplage optique, et - en ce que les réseaux de couplage optique d'entrée et de sortie sont chacun dans un conduit dans lequel circule un fluide neutre vis-à-vis de la propagation des ondes dans le guide d'onde optique.