Microparticles and cells manipulation on optical waveguides

Déplacement de particules et d'objets biologiques sur des guides d'ondes

Stéphanie Gaugiran (1)

1 Commissariat à l'Energie Atomique [Grenoble]

Optical manipulation of particles on the surface of an optical waveguide could be potentially interesting for the development of sorting microsystems. However, the use of these devices is today restricted both by limited propulsion performances and by a lack of knowledge of the physical phenomenon, specially for metallic particles. Up to now, these difficulties have not allowed the manipulation of biological cells on theses devices. To improve the waveguide propulsion efficiency, we developed a simulation code which allowed us to calculate the optical forces on a particle located on the surface of a waveguide. These simulations highlight the presence of repulsive gradient forces on metallic particles for some specific configurations. In the mean time, we developed an experimental set up dedicated to the optical manipulation of particles and we found a large influence of light polarisation on metallic micrometric particles velocities. These observations illustrated gradient forces sign inversion with light polarisation and validated the theoretical model. From a practical point of view, this model allowed the design of optical waveguides optimised for the particle propulsion and experimentally, the use of silicon nitride waveguides highly improved the device performances. These results enabled to extend the field of application of this technique to biology and to perform cell propulsion on optical waveguides.

La manipulation optique d'objets en surface d'un guide d'onde représente une approche potentiellement intéressante pour le développement de microsystèmes de tri de particules. Toutefois, la mise en oeuvre de ces dispositifs est actuellement freinée par des performances limitées en terme de propulsion mais aussi par une mauvaise maîtrise des interactions mises en jeu sur des objets métalliques. Ces difficultés ont jusqu'alors interdit la manipulation d'objets biologiques sur ces composants. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale de calcul des forces optiques s'exerçant sur un objet en surface d'un guide d'onde. Elle permet de mettre en évidence l'existence de forces de gradient répulsives, sur des billes métalliques, dans certaines conditions. L'élaboration d'un dispositif expérimental dédié à la manipulation de particules nous a permis de valider ce modèle et de mettre en évidence une forte dépendance des vitesses des billes métalliques micrométriques avec la polarisation de la lumière. Ces observations illustrent l'impact des forces de gradient sur le mouvement des particules. D'un point de vue plus appliqué, le modèle théorique développé nous a permis de concevoir des structures guidantes destinées à optimiser la propulsion des particules. Expérimentalement, l'utilisation de guides en nitrure de silicium a effectivement conduit à améliorer de façon conséquente les performances des dispositifs existants. Celles-ci nous ont permis d'élargir le champ d'application de cette technique au domaine de la biologie et de mettre en oeuvre le déplacement et la concentration de cellules sur des guides d'onde, sans aucun marquage.

Mots clés: Integrated optics; optical manipulation; waveguides; microsystem; cell manipulation

Mots clés: composants optiques intégrés; manipulation optique; guides d'ondes; microsystème; manipulation de cellules

Domaines: Biophysique [physics.bio-ph]

Stéphanie Gaugiran. Déplacement de particules et d'objets biologiques sur des guides d'ondes. Biophysique [physics.bio-ph]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010904⟩