Modelling, Realization and Characterization of Optical fiber Plasmonic Sensor: Effects of roughness, surface reactions and kinetics in microfluidic systems
Modélisation, réalisation et caractérisation d'un capteur plasmonique à fibre optique :
Effets de la rugosité, des réactions de surface et de la cinétique dans un système microfluidique
Résumé
In the last decade, the surface plasmon resonance (SPR) has become a very sensitive technique for real-time detection in many application areas: chemistry, environmental studies, biological systems, etc. Considering the optic-fiber concept and the important needs for analyzing biomolecular reactions through automated and miniaturized components, optical fiber sensors based on the SPR technique are becoming the first choice in the field of sensing of different chemical and biochemical applications. However, such sensor does not provide yet reasonably high value of performance for an efficient detection fulfilling those needs. Therefore, an improvement of the values of performance parameters, like sensitivity and detection limit, is required. In the present work, the effect of key design factors on the response of the sensor is studied. To be done, we first manufactured optic-fiber sensor for conducting experiments and evaluating sensor's responses in particular. We also developed a tool to perform numerical response curves in conjunction with the experimental results to set up sensor's suitable framework. Furthermore, experimental characterizations of the deposited metallic layer have been investigated to evaluate the effect of the roughness and other parameters (dielectric constant, thickness...) of the metallic layer on sensor's responses. By comparing the experimental results with the simulated curves, a study is carried out in order to validate our numerical tool. On the other hand, the valid tool is then used to define the optimal geometry of a reliable sensor using numerical parametric simulation. Finally, microfluidic system associated with optic-fiber sensor based on SPR is accomplished for monitoring in real-time the variation of sensor's responses at each kinetic reaction occurring at the surface. Thereby, the introduction of kinetic parameters produced by experimental measurement into our numerical model enables us to demonstrate the potential of optic-fiber sensor based on SPR for biological analysis purposes
Actuellement une forte demande existe pour des dispositifs de détection chimique et biochimique en temps réel, miniatures, automatisés, bon marchés, et tout particulièrement pour l'étude des interactions biomoléculaires. Les capteurs à fibre optique basés sur la résonance des plasmons de surface (FO-SPR) peuvent répondre à cette attente sous réserve que leur fiabilité soit améliorée. En effet, pour rendre ces capteurs performants et compétitifs, il est nécessaire d'améliorer leur sensibilité et leur limite de détection. L'objectif de notre travail a consisté à optimiser la performance du capteur à fibre optique basé sur la résonance des plasmons de surface. Pour atteindre cet objectif, nous avons réalisé et étudié d'une part des fibres capteurs réalisées au laboratoire, et d'autre part, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis de déterminer les valeurs optimales des paramètres géométriques et physiques ajustables du capteur. Ainsi, des caractérisations de la surface métallique ont été réalisées afin d'en déterminer la rugosité et les permittivités diélectriques complexes puis d'en étudier l'influence sur la réponse du capteur FO-SPR. Finalement, le capteur a été utilisé dans une cellule microfluidique ce qui nous a permis de suivre en temps réel l'évolution de la réponse SPR en fonction de la cinétique des réactions de surface. L'implémentation de notre modèle numérique avec des paramètres cinétiques issus des mesures expérimentales met en évidence la capacité du capteur SPR à fibre optique à répondre aux attentes dans le domaine de la détection biochimique.
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