WO2012168589A1 - Biocapteur photonique multi-cible, procede de fabrication et de preparation - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a component or device for detecting or measuring one or more specific types of target products, biological or chemical.
  • a component comprises a group of one or more nanotubes selected and / or functionalized to interact with the target product, and which surrounds or co-operates with an optical waveguide on all or part of its periphery. This component thus produces an optical coupling between a portion of this optical waveguide and one or more optical characteristics of these nanotubes, the changes of which are evaluated in the presence of the target product.
  • the invention also relates to a method of manufacturing and preparing such a component or device, and a method of detection using them.
  • It also relates to a post-manufacturing preparation method comprising specific functionalization according to a plurality of different target products from the same type of pluripotential generic component not yet functionalized.
  • the qualitative and / or quantitative detection of specific biological or chemical substances is very interesting in many fields of research or industry, for example medical or chemical, and in particular to prevent or treat health problems by carrying out a diagnosis. early and accurate.
  • this detection can be for example a detection of cancer cells or toxins, or a measurement of biological parameters such as a glucose or insulin level for screening and monitoring diabetes, or any other biological substance or present in an organism or biological environment.
  • a detection makes it possible to carry out a therapeutic diagnosis, which allows rapid management of patients by screening for the disease in the early stages of its development. It is therefore useful to have powerful detection systems to highlight trace amounts biological agents in an extremely small volume. It is also important to have inexpensive and easy-to-use means to allow for numerous and easily accessible analyzes.
  • the chemical field it may be to detect particular substances that may affect a monitored medium, for example pollutants in air or water, or catalysts or contaminants within a reactive medium in the framework of a chemical process in the general sense.
  • Biosensors can be defined as the combination of a biological receptor (a molecule having a particular affinity with a single type of molecule or cell to be detected) with a physical or physicochemical transducer that provides a signal representing the presence or the quantity of these molecules or specific cells to be detected within a test medium.
  • a biological receptor a molecule having a particular affinity with a single type of molecule or cell to be detected
  • a physical or physicochemical transducer that provides a signal representing the presence or the quantity of these molecules or specific cells to be detected within a test medium.
  • biosensor should be understood as being adapted to molecules or cells in the biological domain, but also to other types of molecules or chemical groups to be detected that would be farther away from the domain usually referred to as “biological”. .
  • biosensors without markers are fewer and often more recent, but have a number of advantages. Not using a marker, they do not require a preliminary step of incorporating the markers in the test medium. This avoids damaging this medium, limits interference in detection, and avoids the risk of contamination especially in the case of in vivo detection. In addition, they often allow a faster detection of the detection and thus make it possible to measure in real time the molecular interaction, for example to study the kinetics of this interaction or of an ongoing biological mechanism.
  • Currently known optical technologies of biosensors without markers are based on optical circuits whose waveguide is functionalized by implanting on its surface receptor molecules specific to a product to be detected. When they bind with the product to be detected, these receivers modify the optical characteristics of the waveguide, which is detected by evaluation of an optical signal traveling through the waveguide.
  • this waveguide is a parallel groove diffraction grating carrying a thin optical layer with high refraction of a precise thickness, deposited before etching by a wet deposition method.
  • Antibodies sensitive to the antigens to be detected are fixed on this optical layer in the upper parts of the grooves, and modify the behavior of an optical signal passing through this network within a guided mode resonance filter.
  • the waveguide is a silica optical fiber (Si0 2 ) comprising a Bragg grating, on which carbon nanotubes aligned directly and perpendicular to the surface of the fiber are grown directly.
  • Si0 2 silica optical fiber
  • the growth of these nanotubes on the fiber requires a series of complex operations to be sometimes repeated several times, and which are only feasible in the laboratory or in the factory. This formation of nanotubes most often comprises at least:
  • a catalyst application which may require a complex process such as electrolytic deposition or plasma, and then
  • These nanotubes may be functionalized with carboxyl, amine, nitrate and hydroxyl chemical groups. When reacting to a biochemical element or a physical quantity such as a radiation or a sonic wave, these nanotubes modify the specific functional spectrum of the Bragg grating with which they are "infused".
  • a device allowing a multidetection in parallel becomes extremely complex to realize, since it is then necessary to functionalize each sensor one after the other with different receivers, within demanding production steps which all fall under very delicate manufacturing, for example requiring the use of clean room equipment and / or etching reactor and / or a specific receptor deposition reactor.
  • An object of the invention is to overcome the disadvantages and limitations of the prior art, and in particular on the following points:
  • the invention proposes for this purpose a component for detecting or measuring at least one determined type of target biological or chemical product, for example an organic cell, a macromolecule, or even a simple body or a simple chemical compound, in liquid or gaseous form.
  • This detection component is of the type providing a light or electronic signal representing a presence, or even an amount, of target product in a biological or chemical medium to be tested when this test medium is brought into contact with a part of this sensor comprising at least an optical waveguide element whose operation is modified by the presence of the target product in question.
  • this component further comprises a group of one or more nanotubes at least partly semiconductors, which are selected and / or functionalized to interact with this target product.
  • This group of nanotubes surrounds the optical waveguide over all or part of its periphery, for example at its contact or at least within an optical mode existing in this waveguide.
  • This group of nanotubes induces an optical coupling, in a so-called coupling portion of this guide, between
  • nanotubes for example photoluminescence, or fluorescence, or refractive index, or absorption, which are modified by the presence of the target product.
  • the nanotubes of the group are predominantly, for example more than 80%, or even exclusively semiconductors.
  • a good solution is to use semiconductor carbon nanotubes, for example but not necessarily of the single-wall type (SWCNT).
  • SWCNT single-wall type
  • the nanotubes of the group are functionalized to interact with the target product through receptors that are attached to these nanotubes.
  • These receptors are specifically selected to interact or bind specifically with the target product to be detected. It may be, for example, an antibody corresponding to an antigen present on biological cells to be detected, such as, for example, cancer cells or white blood cells infected with the HIV virus. It can also be all known types, present or future, of molecules or macromolecules binding specifically and / or easily with a specific chemical biological product that it is desired to detect, whether liquid or gaseous.
  • These receptors can be attached to the nanotubes in various ways, for example known methods such as chemical spacer grafting methods.
  • the invention further proposes to perform the selection and / or functionalization of the nanotubes using a polymer.
  • the receptors are attached to the nanotubes via chains of at least one so-called functionalization polymer, in particular a polymer derived from PFO, which is chosen or produced to be able to receive at least one type of receptor.
  • the long chains of such a polymer are fixed on the surface of these nanotubes, for example by surrounding them several times under the effect of their physicochemical properties.
  • the functionalization polymer is selected of a type capable of receiving a plurality of receptor types, specific to different target products.
  • PFO in the strict sense of the term is a homopolymer of fluorene groups, and is for example produced by Aldrich. Its chains tend to wrap around some nanotubes, for example depending on their nature and / or their chirality. Its use is known to select certain types of nanotubes, for example semiconductors, for example by mixing in gel form followed by centrifugation.
  • an original polymer comprising one or consisting of a copolymer predominantly based on fluorene type monomers, including functionalization monomers distributed for example in the form of a random copolymer.
  • the general structure of such a functionalization polymer can be represented in the following form:
  • the functionalization monomer is based on a fluorene group to which are added one or two functionalization groups "Fni" and "Fn 2 ".
  • a representation of the functionalization polymer, or PFO-f may then be the following:
  • the functionalization monomer can be obtained in one of the following ways and in one of the following forms:
  • the functionalization polymer can then be obtained, for example, as follows:
  • Fri! SH; NH 2 ; N 3 ; OCH 2 C0 2 R '; C 8 H 17.
  • Fn 2 SH; NH 2 ; N 3 ; OCH 2 C0 2 R '; C 8 H 17
  • such a functionalization polymer can be used to functionalize nanotubes in all the different embodiments described here, but also in other applications using a variation of the physicochemical (including optical) properties of the nanotubes in the presence of one or more target products.
  • the invention further provides a device for detecting one or more determined types of biological and / or chemical target products, comprising a plurality of sensors each including at least one component as set forth herein. These sensors are arranged to interact simultaneously and independently of one another with the same medium to be tested, for example by being integrated on the same substrate, contiguous to one another or united within a same surface of less than 5 cm 2 , or even 1 cm 2 .
  • These different sensors may for example be connected, multiplexed or in parallel, to an electronic device arranged to interpret and / or transmit their information and to control its operation and activation.
  • This device may in particular comprise at least two differently functionalized sensors for detecting or measuring two different target products.
  • the invention proposes in particular to use a waveguide comprising a coupling portion arranged to obtain an evanescent mode which confines the electromagnetic wave around all or part of the nanotubes of the group.
  • optical detection or amplification element may be for example a ring resonator, a Mach Zehnder interferometer or a Fabry-Perot cavity, with photonic crystals or conventional waveguides.
  • the invention is feasible in particular with an optical waveguide made of silicon, that is to say crystalline semiconductor silicon, or even silicon nitride and within a silicon photonic circuit, for example of the SOI type. (“Silicon On Insulator”), whose technology is economical, well controlled and widespread.
  • Nanotube Network Transistors “by Adam et al. in NanoLetters 2008, 8 (8) 2351-2355, has a multidirectional electroluminescent effect obtained in a field effect transistor produced by applying an electric field between a plurality of successive parallel electrodes arranged transversely to a track consisting of either a single nanotube (CNFET ), or an unorganized network of several nanotubes (NNFET).
  • CNFET single nanotube
  • NFET unorganized network of several nanotubes
  • the sensitivity of the nanotubes vis-à-vis their environment provides a modulation their optical properties in contact with such targets.
  • Nanotubes being extremely sensitive to their environment, the fixation of a molecule or biomolecule on their surface induces charge transfer, disrupting their photonic and electronic properties.
  • the interaction between the guided mode in the photonic structure and the nanotube network brings about an increase in the sensitivity and specificity of the entire detection system.
  • silicon photonic structures coupled to carbon nanotube arrays allow the detection of low concentrations of biological substances, with a sensitivity of less than 1 pg / mm2.
  • Such photonic biosensors make it possible to obtain an inexpensive solution, for example by producing single-use sensors which also provide good security; compact and compact with a surface of the order of mm 2 (for example between 0.5 and 5 mm 2 ); easy to use and allowing a parallel multi-analysis, for example allowing the simultaneous detection of several types of infectious or symptomatic molecules by several sensors integrated on the same substrate and functionally different.
  • the invention thus makes it possible to obtain a particularly sensitive and specific photonic biosensor of small dimensions, flexible and with varied uses, which can be produced in large quantities and at economic costs.
  • the invention also proposes a method of manufacturing or preparing a component or device for detecting at least one specific type of target product, of a biological or chemical nature in liquid or gaseous form, of the type providing a light or electronic signal representing a presence or even an amount of this target product in a biological or chemical medium to be tested, when this test medium is brought into contact with a part of this component comprising at least one optical waveguide element whose the operation is modified by the presence of this same target product.
  • this manufacturing method comprises:
  • the operation of selecting and / or functionalizing at least one group of nanotubes comprises the following steps:
  • non-metallic semiconductor nanotubes preferably of a given chirality, for example depending on the desired gap and for example to obtain a gap of 1.5 microns;
  • the operation of selecting and / or functionalizing at least one group of nanotubes comprises the following steps:
  • the nanotubes by bonding or interaction of a plurality of nanotubes with at least one polymer, in particular a derivative of the PFO, chosen to be able on the one hand to receive one or preferably several types of receptors, and on the other hand to bind specifically with at least one determined type of nanotubes for example determined by their semiconductor nature and / or from the point of view of their chirality, thereby achieving a first initial so-called functionalization;
  • the invention makes it possible to carry out certain parts of the manufacture and preparation of the sensors in a much simpler, economical and less restrictive environment, for example without the need for a room white and specific and delicate elements such as etching and / or deposition reactors.
  • This final functionalization can then be done by "grafting" a generic sensor pre-functionalized or “initialized”, already provided with nanotubes but without receivers, using different types of receivers depending on the detection needs. It can also be done by integrating, on a virgin generic sensor without nanotubes, a small quantity of already functionalized nanotubes, chosen according to the detection needs within a stock of several varieties of fully functionalized nanotubes (with their specific receptors). .
  • FIGURE 1 and FIGURE 2 are respectively a block diagram and a flowchart illustrating the manufacture, preparation and use of a sensor according to the invention in a first embodiment, with specific functionalization after application of the nanotubes;
  • FIGURE 3 and FIGURE 4 are respectively a block diagram and a flowchart illustrating the manufacture, preparation and use of a sensor according to the invention in a second embodiment, with specific functionalization before application of the nanotubes;
  • FIG. 5, FIGURE 6 and FIGURE 7 are schematic diagrams illustrating examples of photonic sensor circuits according to the invention, according to configurations respectively: o FIGURE 5: with a Fabry-Perot cavity,
  • FIGURE 6 with a Mach-Zehnder interferometer
  • FIGURE 7 with a ring resonator
  • FIGS. 8a and 8b are schematic diagrams illustrating an example of configuration of the optical waveguide around the coupling portion in embodiments using coupling on a rectilinear portion of optical waveguide, with narrowing and respectively with crystals. photonics;
  • FIGURE 9 is a block diagram illustrating an exemplary configuration of the optical guide around the coupling portion in embodiments comprising a ring resonator
  • FIGURE 10 is a simplified curve illustrating an exemplary response of the sensor of FIGURE 9 in one embodiment using phase variation presence detection
  • FIGURES 11a and 11b are schematic diagrams illustrating the evanescent effect in a reduction in width of the optical waveguide, with examples of dimensions of the narrowed portion of the optical waveguide, for a sensor according to the invention
  • FIGURE 12a to FIGURE 12f are schematic diagrams in cross section to the coupling portion, illustrating different examples of positioning of the nanotubes with respect to the optical guide.
  • FIGURE 1 and FIGURE 2 are shown various stages of manufacture, preparation and use of a sensor according to the invention in a first embodiment.
  • a manufacturing process 21 is performed in a conventional manufacturing environment for photonic and electronic components, and by means known in these fields.
  • the optical circuit is produced, typically including an etching phase 211, for example on a SOI base or wafer, for example by known technologies for producing photonic integrated circuits or optronics.
  • an optical waveguide 111 is produced on a base or a substrate 110.
  • the operations 211, 411 for producing the optical circuit or circuits can be performed by the following techniques:
  • the materials used are silicon (Si) or silicon nitride
  • Si 3 N 4 for the material with a high refractive index, ie the core of the guide, and silica (Si0 2 ) for the low-index material, ie the coating; as well as silicon (Si) for the substrate.
  • the patterns may be insolated by electron beam lithography, and preferably in deep ultraviolet lithography and nano-printing.
  • Silicon or silicon nitride can be etched by RIE (Reactive Ion Etching) or ICP (Inductively Coupled Plasma).
  • Metal electrodes may optionally be deposited in order to subsequently align the nanotubes by dielectrophoresis, then removed if necessary by RIE or chemical attack.
  • nanotubes are provided with a first surface functionalization, here designated as “initial” functionalization and giving “initialized” nanotubes 122.
  • semiconductor nanotubes 121 for example possibly single-walled carbon nanotubes (SWNT), preferably chosen from the same determined chirality.
  • SWNT single-walled carbon nanotubes
  • These selected nanotubes 121 then receive a surface functionalization using polymeric chains 13 comprising anchoring sites to subsequently set the desired specific receptor 14 or 14.
  • the selection 121 and the initial functionalization 122 can be carried out together by making a medium 120 of nanotubes of various natures interact with a medium containing a functionalization polymer 13 chosen for its affinity with the carbon nanotubes. for example a polyfluorene derivative which will be called here: "PFO-f".
  • PFO-f a polyfluorene derivative which will be called here: "PFO-f”.
  • This "grouping" of nanotubes initialized 122 may optionally be fixed more strongly by complementary methods, for example by deposition of metal on the nanotubes 122 outside the coupling zone 112.
  • This combination of the nanotubes 122 and the coupling portion 112 thus forms a detection zone 113, which can be made in several copies and at several different locations of the same optical circuit 11, for example to combine a detection of several target products in one measure.
  • the same detection device or detector 191, 192 or 194 may furthermore comprise several detection zones 113a and 113b, respectively, made in several different optical circuits, independent in their amplification and measurement part, thus forming a plurality of sensors. independent units on the same multi-measure detector.
  • Such detection devices which may be called mono-measurement detectors 191 or multi-measurement detectors 192 and 194, may be made in a compact and simple form, for example strictly limited to the optical circuit alone or supplemented with only the optronic components providing the evaluation of the detection light signals.
  • Such minimal detectors for example fully integrated on a simple substrate board or on a chip or an electronic card, can then be connected to an electronic or optronic device 190 for controlling and operating the detection light signals.
  • detectors mono-measurement 191 with a single detection zone 113 or multi-measurement 192, 194 by example with two detection zones 113a, 113b and four detection zones respectively.
  • detectors can be manufactured in large quantities and at a very economical unit cost and for example adapted and intended for a single use in combination with a reusable operating device 190.
  • the preparation and the deposition of the nanotubes 122 do not require such complex and expensive installations as the embodiment 211 of the optical circuit itself, or even that the assembly and assembly 213 of the optical circuit within the mechanical and / or electronic elements 190 arranged to produce a detector 191, 192, 194.
  • the deposition 212 of the nanotubes on the coupling portion 112 can thus be made at different times in the manufacturing process 21, before or after this assembly 213, or even outside the process 21 and manufacturing facilities.
  • sensors and detectors thus manufactured and distributed are only initialized, but can still be used for several types of target products.
  • the number of models to be manufactured and managed is thus limited, and does not depend on the different types of target products for which they will be used.
  • a final preparation process 23 is performed to adapt the one or more sensors 113a and 113b of each detector 191, 192 or 194 before carrying out the detection 24 itself.
  • this preparation can be carried out during the manufacturing process 21, the characteristics of the invention make it possible to delay this preparation phase 23 up to the utilization process 22.
  • This preparation 23 can be done, for example, directly in the field. or possibly in a simpler laboratory or laboratory, without a clean room or etching reactor, by user personnel or by a technician with limited experience at the user or at a distributor or installer.
  • the adapted receiver or receivers 14a and 14b are used to perform a specific functionalization 233 of each of the sensors 113a and 113b of the selected detector 192.
  • receivers 14, 14a, 14b, 14c, 14d are of very different natures depending on the choice of the target products to be detected, and are known or will be developed independently of the present invention. Their definition and their obtaining are not within the scope of the present invention, which may moreover be implemented in a similar manner with future receivers not yet developed, since they will have similar characteristics of the present invention. affinity with the polymer (s) 13 used for the initial functionalization 221 of the nanotubes 121.
  • the selected receptor 14 is made to interact with the initialized nanotubes 122.
  • the receptor molecules 14 then bind to the anchoring sites of the polymer 13 which surrounds the surface of the nanotubes.
  • a so-called “finalized” detection zone 114 or “specifically functionalized” is thus obtained, that is to say specifically according to the choice of the target product 15.
  • the circle representing "finalized” sensors 114a and 114b is labeled with the letter "A" or "B” respectively corresponding to the target product 14a or 15b for which these sensors have been specifically functionalized.
  • this finalized detection zone 114 When this finalized detection zone 114 is brought into contact with a medium 150 containing the target product, the molecules of the target product will interact or bind with the receptor molecules present on the nanotubes 122. The presence of the target product 15 will then modify the photonic characteristics of the nanotubes 122 of the detection zone 114, which will be detected 19 through an evaluation of a determined optical signal injected into the optical circuit 11.
  • a detector 192 with several adjacent sensors on a small surface, for example two sensors 113a and 113b initialized but not yet specifically functionalized, it will be possible to finalize each of the initialized zones separately with different receivers 15a and 14b, respectively. We will thus obtain two finalized sensors 114a and 114b respectively for two different target products 14a and 15b respectively.
  • two independent measurements, controlled and operated independently of one another by one or more apparatuses 190, in parallel and / or in multiplexing, will thus be obtained, thus providing simultaneous and real-time detection of the different target products 15a and 15b in the same medium 150.
  • the invention allows great flexibility in manufacture, storage, distribution and use. This reduces costs and storage volumes and precautions for detectors and devices, and makes detection and multiple screening easy to implement in the field and easier and more cost-effective to implement on a large scale.
  • This first embodiment allows a particularly easy specialization of the sensors, limiting the operations of preparation of the user to the grafting of the receivers. Deposition operations and possibly fixation of the nanotubes on the sensors, which may have additional constraints or work, are already done in advance.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show different stages in the manufacture, preparation and use of a sensor according to the invention in a second embodiment, which will be detailed only in its differences with the first embodiment.
  • the optical circuit is realized
  • detectors 191, 192, 194 each provided with one or more sensors 112, 112a, 112b called “virgin", that is to say whose detection zone 112 has not yet received nanotubes .
  • These detectors are distributed and stored 414 in this blank form.
  • nanotubes 121 are selected 421 and receive
  • the preparation 421, 422 and 423 of the specific nanotubes 124 do not require installations that are as complex and expensive as the embodiment 411 of the optical circuit itself, or even that the assembly and the assembly 413 of the optical circuit within the mechanical and / or electronic elements arranged to produce a detector 191, 192, 194.
  • a final preparation process 43 is performed to adapt the one or more sensors 112a and 112b of each detector 191, 192 or 194 before performing the detection 44 itself.
  • This preparation can be carried out during the manufacturing process 41, the characteristics of the invention make it possible to delay this preparation phase 43 until the utilization process 42.
  • This preparation 43 can be done, for example, directly in the field. or possibly in a simpler laboratory or laboratory, without a clean room or etching reactor, by user personnel or by a technician with limited experience at the user or at a distributor or installer.
  • a detector 192 is chosen having the necessary number of sensors, for example two sensors 113a and 113b in the example of FIG. realization, the sensors 113a and 113b are still "virgin", as shown in the figure by the empty circle for each sensor, because they do not yet include their nanotubes.
  • the specific nanotube type or types 124a and 124b adapted to perform a specific functionalization 433 of each of the sensors 112a and 112b of the selected detector 192 are used.
  • a small quantity of the selected specific nanotubes is deposited and fixed on each sensor 112a and 112b. This produces a detector 192 with several sensors 114a and 114b finalized for different target products 15a and 15b.
  • this detector 192 with two sensors 114a and 114b can then be used to detect 44, 441 two products 15a and 15b simultaneously and in real time in the same test medium 15.
  • the production and storage of the detectors are here dissociated from their specialization by target products. Since the different types of finalized nanotubes 124a to 124d can be produced and stored independently of detectors 191 to 194, it can be seen that the invention allows great flexibility in manufacture, storage, distribution and use. This can reduce costs and storage volumes and precautions for detectors and devices, and make detection and multiple screening easier to implement in the field and easier and more cost-effective to implement on a large scale.
  • This second embodiment may make it possible, for example, to have virgin sensors capable of receiving nanotubes initialized with different polymers, for example to use a range of receiver types in which all the receivers are not compatible with the same polymer but require different polymers. Sensor configurations
  • FIGS. 5 to 12 show different sensor configurations according to the invention, which can be obtained according to different embodiments of the manufacturing and preparation method, including the first and second modes described above.
  • FIGURE 5 to FIGURE 9 are represented in block diagram examples of photonic circuits that can be used to produce a sensor according to the invention, in particular based on carbon nanotubes.
  • different types of circuits are used to convert the effects of target-receiver coupling in the vicinity of the carbon nanotubes into optical intensity variation.
  • the circuit comprises a rectilinear optical guide 511, including a coupling portion 512 between two mirrors 517 and 518, made for example by Bragg gratings, forming a Fabry-Perot cavity.
  • the detection zone 513 (initialized) or 514 (finalized) is formed by a group of functionalized or finalized nanotubes deposited on the coupling portion 512 of the guide 511.
  • a signal is for example injected on the left side and resonates in the Fabry cavity. Perot as a function of the photonic characteristics, for example the absorption, resulting from the optical coupling between the guide portion 512 and the nanotubes.
  • the characteristics of the output signal are modified by the presence or absence of molecules of the target product corresponding to the receptor grafted on the nanotubes.
  • the optical circuit comprises an optical guide 611 including a Mach Zehnder interferometer formed by two branches 617 and 618 parallel to each other, of the same refraction and of the same length.
  • One of these branches 618 includes the coupling portion 612 on which is deposited a nanotube group forming a detection zone 613 or 614.
  • a signal is for example injected on the left side and propagates in the two branches 617 and 618.
  • the photonic characteristics of the coupling portion 612 are modified, in particular the refractive index.
  • the optical signal in this branch 618 is thus modified, in particular in its phase, and interferes with the signal from the other branch 617 to provide a modified output signal, particularly in its intensity.
  • the coupling portion 512, 612 is preferably formed in a part of the optical guide 511, 611 which has a shape determining an evanescent optical mode, here a part of narrow constant section 519 located between a narrowing and an enlargement of a rectilinear guide 511, 611 of FIG. 5 or FIGURE 6.
  • FIGURE 8b illustrates a variant in which the evanescent optical mode is obtained by a coupling portion 812 which can be of the same width and having vertical through openings 819 arranged to form a photonic crystal in this coupling portion.
  • the circuit comprises a straight optical guide 711 adjacent to a closed loop and thus forms a ring resonator.
  • the closed loop serves as a coupling portion 712, in whole or in part, and comprises functionalized and finalized nanotubes, for example radially arranged as illustrated in FIGURE 9, thus forming a detection zone 714 annular or disk-shaped.
  • a signal is injected into the main guide 711, for example on the left side, and transmitted by optical coupling at a narrow portion 719 in the loop 712 where it resonates. This resonance depends on the photonic characteristics of this loop, for example the refractive index, resulting from the optical coupling between the guide portion 712 and the nanotubes of the detection zone 714.
  • the characteristics of the output signal are thus modified by the presence or not molecules of the target product corresponding to the receptor grafted on the nanotubes.
  • the finalized nanotubes 122 are preferably, but not necessarily, arranged transversely to the coupling portion 712, thus radially in the case of a circular loop, for example by dielectrophoresis.
  • FIG. 10 thus represents a type of response that can be obtained in a ring resonator sensor as illustrated in FIG. 7 or FIGURE 9.
  • the continuous curve 910 obtained in the absence of the antibodies to be tested has a decreasing peak 91.
  • the refractive modification of the loop 712 coupled to the nanotubes varies the phase of propagation of the signal in the loop, and produces a dashed curve 950 in which the decreasing intensity peak 95 is shifted by one ⁇ value.
  • the detection of this offset by an operating device 190 thus makes it possible to detect antibodies 15, or even to measure the quantity thereof.
  • These optical circuits 111, 511, 611, 711 preferably comprise a waveguide band with a variable width so as to control the evanescent field and optimize the interaction with the surrounding carbon nanotubes.
  • a reduction in half of the width makes it possible to obtain an optical mode whose field Mi l s' substantially widens M 19 in the direction of the height of the waveguide, which promotes coupling with the functionalized nanotube or nanotubes 122, 14 which surround it.
  • This reduction can be, for example, half, from 0.5 ⁇ m for the waveguide 511, 711 in FIGURE 11a up to 0.25 ⁇ m (or even 0.15 ⁇ m or less) for the narrow portion 519, 719 in FIGURE 11b.
  • the injected and / or detected wavelength is adjusted according to the chirality chosen for the carbon nanotubes, or conversely.
  • the wavelength to be chosen for example 1.3 microns, a value at which the optical absorption of the gels or aqueous solutions is limited or negligible, with which will be used for example nanotubes type (8.7).
  • FIGURE 12a to FIGURE 12e are illustrated various examples of positioning of the nanotubes 122 with respect to the coupling portion
  • the nanotubes 122 may be aligned with each other, for example by dielectrophoresis, in parallel for the coupling portions 112, 512, 612 that are rectilinear or radially in the case of a curved coupling portion 712.
  • certain embodiments may comprise a group A13 consisting of a single nanotube A22 entering the optical mode M 19 determined by the coupling portion A12, and in all the configurations described below.
  • the content of the "grouping" of nanotube (s) is represented by a neutral hatch as the number of nanotubes, and their alignment or not, may vary depending on the embodiments.
  • the group B13 is deposited over the coupling portion B12, which rests on the top of the substrate B10.
  • the C13 group is deposited on the coupling portion C12, and also penetrates below by a C18 undercutting performed in the CIO substrate.
  • the group comprises a first layer D131 of nanotube (s) deposited on the substrate D10 under the coupling portion D12, itself surmounted by a second layer D132 of nanotube (s).
  • the group E13 is deposited on the coupling portion E12, which is embedded wholly or partly in a groove within the substrate E10.
  • the coupling portion comprises two portions F121 and F122 substantially parallel to each other resting on the substrate FIO, on which the group F13 is deposited. This duplication of the coupling portion may also be used in all other configurations shown in FIGURE 12a in FIGURE 12e.

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Abstract

L'invention concerne un composant ou dispositif pour la détection ou la mesure en parallèle d'un ou plusieurs types déterminés de produits cibles, biologiques ou chimiques. Ce composant comprend un groupement de nanotubes sélectionnés et/ou fonctionnalisés pour interagir avec le produit cible, autour d'un guide d'onde optique. Il se produit ainsi un couplage optique entre le guide d'onde optique et une ou plusieurs caractéristiques optiques de ces nanotubes, dont on évalue les modifications en présence du produit cible. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication et de préparation d'un tel composant ou dispositif, et un procédé de détection les utilisant, ainsi qu'un procédé de préparation post-fabrication comprenant une fonctionnalisation spécifique pour produits cibles différents à partir d'un même type de composant générique pluripotentiel. Elle concerne aussi une famille de polymères de fonctionnalisation à base de PFO.

Description

« Biocapteur photonique multi-cible, procédé de fabrication et de préparation »
La présente invention concerne un composant ou dispositif pour la détection ou la mesure d'un ou plusieurs types déterminés de produits cibles, biologiques ou chimiques. Selon l'invention, un tel composant comprend un groupement d'un ou plusieurs nanotubes sélectionnés et/ou fonctionnalisés pour interagir avec le produit cible, et qui entoure ou côtoie un guide d'onde optique sur tout ou partie de sa périphérie. Ce composant produit ainsi un couplage optique entre une portion de ce guide d'onde optique et une ou plusieurs caractéristiques optiques de ces nanotubes, dont on évalue les modifications en présence du produit cible.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication et de préparation d'un tel composant ou dispositif, et un procédé de détection les utilisant.
Elle concerne en outre un procédé de préparation post-fabrication comprenant une fonctionnalisation spécifique en fonction d'une pluralité de produits cibles différents à partir d'un même type de composant générique pluripotentiel non encore fonctionnalisé.
Domaine technique
La détection qualitative et/ou quantitative de substances biologiques ou chimiques spécifiques est très intéressante dans de nombreux domaines de la recherche ou de l'industrie, par exemple médicale ou chimique, et en particulier pour prévenir ou traiter des problèmes de santé en réalisant un diagnostic précoce et précis.
Dans le domaine biologique, cette détection peut être par exemple une détection de cellules cancéreuses ou de toxines, ou une mesure de paramètres biologiques comme un taux de glucose ou d'insuline pour le dépistage et le suivi du diabète, ou toute autre substance biologique ou présente dans un organisme ou un milieu biologique. Une telle détection permet de réaliser un diagnostic thérapeutique, qui permet une prise en charge rapide des patients grâce au dépistage de la maladie aux premiers stades de son développement. Il est donc utile de disposer de systèmes de détection performants permettant de mettre en évidence des traces infimes d'agents biologiques dans un volume extrêmement faible. Il est important aussi de disposer de moyens peu coûteux et faciles à utiliser pour permettre des analyses nombreuses et facilement accessibles.
Dans le domaine chimique, il peut s'agir de détecter des substances particulières qui peuvent affecter un milieu surveillé, par exemple des polluants dans l'air ou dans l'eau, ou des catalyseurs ou des contaminants au sein d'un milieu réactif dans le cadre d'un procédé chimique au sens général.
On peut définir des biocapteurs comme la combinaison d'un récepteur biologique (molécule ayant une affinité particulière avec un seul type de molécules ou cellules à détecter) avec un transducteur physique ou physicochimique qui fournit un signal représentant la présence ou la quantité de ces molécules ou cellules spécifiques à détecter au sein d'un milieu à tester.
Dans le présent document, le terme de biocapteur devra s'entendre comme adapté à des molécules ou cellules dans le domaine biologique, mais aussi à d'autres types de molécules ou groupements chimiques à détecter qui seraient plus éloignés du domaine habituellement dénommé « biologique ».
Parmi les différents types de biocapteurs existants, une grande part utilise une introduction de marqueurs à l'intérieur du milieu à tester, par exemple des isotopes radioactifs ou des molécules fluorescentes.
Les types de biocapteurs sans marqueur sont moins nombreux et souvent plus récents, mais présentent un certain nombre d'avantages. N'utilisant pas de marqueur, ils ne nécessitent pas d'étape préliminaire d'incorporation des marqueurs dans le milieu à tester. Cela évite de détériorer ce milieu, limite les interférences dans la détection, et évite les risques de contamination en particulier dans le cas de détection in vivo. De plus, ils permettent souvent une évaluation de la détection plus rapide et permettent ainsi de mesurer en temps réel l'interaction moléculaire, par exemple pour étudier la cinétique de cette interaction ou d'un mécanisme biologique en cours. Les technologies optiques actuellement connues de biocapteurs sans marqueur sont basées sur des circuits optiques dont le guide d'onde est fonctionnalisé en implantant sur sa surface des molécules récepteurs spécifiques à un produit à détecter. Lorsqu'ils se lient avec le produit à détecter, ces récepteurs modifient les caractéristiques optiques du guide d'onde, ce qui est détecté par évaluation d'un signal optique parcourant le guide d'onde.
Par exemple, dans le document WO200869454, ce guide d'onde est un réseau de diffraction par rainures parallèles portant une fine couche optique à haute réfraction d'une épaisseur précise, déposée avant gravure par un procédé de type dépôt humide. Des anticorps sensibles aux antigènes à détecter sont fixés sur cette couche optique dans les parties supérieures des rainures, et modifient le comportement d'un signal optique traversant ce réseau au sein d'un filtre à résonnance en mode guidé.
Dans le document WO200995710, avec une fonctionnalisation similaire, il est recherché une amélioration de la sensibilité et de la sélectivité en recouvrant partiellement de métal un guide optique résonnant en spirale au sein d'un cristal photonique à réseau de trous, pour utiliser en outre un effet de plasmons à la surface de la couche métallique.
Dans le document US 2010/259752, le guide d'onde est une fibre optique en silice (Si02) comportant un réseau de Bragg, sur lequel on vient directement faire croître des nanotubes de carbone alignés et perpendiculaires à la surface de la fibre. La croissance de ces nanotubes sur la fibre nécessite une suite d'opérations complexes devant être parfois répétée plusieurs fois, et qui ne sont réalisables qu'en laboratoire ou en usine. Cette formation de nanotubes comprend le plus souvent au moins :
- un dépolissage par plasma, puis
- une application de catalyseur, qui peut nécessiter un procédé complexe tel que dépôt électrolytique ou plasma, puis
- un chauffage à 500°C voire 1000°C, et
- formation des nanotubes par procédé CVD (Chemical Vapor Déposition).
Ces nanotubes peuvent être fonctionnalisés par des groupements chimiques carboxyle, aminé, nitrate et hydroxyle. Lorsqu'ils réagissent à un élément biochimique ou à une grandeur physique telle qu'une radiation ou une onde sonique, ces nanotubes modifient le spectre fonctionnel spécifique du réseau de Bragg avec lequel ils sont « infusés ».
Les technologies connues présentent toutefois des limites, par exemple en terme de sensibilité et aussi car elles ne permettent pas toujours une fabrication de masse simple et peu coûteuse et sont souvent limitées à la détection d'un seul type de cible. Lorsqu'elles permettent de réaliser plusieurs types de détection, le choix du produit à détecter est établi et figé à la fabrication sur les circuits, et il faut disposer de chacun des différents circuits lorsque l'on veut détecter des produits différents.
En outre, un dispositif permettant une multidétection en parallèle devient extrêmement complexe à réaliser, puisqu'il faut alors fonctionnaliser chaque capteur l'un après l'autre avec des récepteurs différents, au sein d'étapes de production exigeantes qui relèvent toutes de processus de fabrication très délicats, par exemple nécessitant l'utilisation d'équipement de salle blanche et/ou de réacteur de gravure et/ou un réacteur spécifique de dépôt des récepteurs.
Un but de l'invention est de pallier les inconvénients et limites de l'art antérieur, et en particulier sur les points suivants :
- fournir une détection sensible et spécifique ;
- à l'utilisation simple et au fonctionnement fiable ;
- dans des conditions simples et économiques de fabrication ;
- avec une bonne flexibilité lors de la mise en œuvre et au stade de la conception en fonction des besoins ;
- limiter les risques d'interférences et de contamination ;
- permettant une lecture rapide ou en temps réel, et/ou en parallèle ;
- pour une pluralité de cibles différentes en parallèle, voire simultanément ;
- dans un faible encombrement.
L'invention propose pour cela un composant de détection ou mesure d'au moins un type déterminé de produits biologiques ou chimiques dit cible, par exemple une cellule organique, une macromolécule, voire un corps simple ou un simple composé chimique, sous forme liquide ou gazeuse. Ce composant de détection est du type fournissant un signal lumineux ou électronique représentant une présence, voire une quantité, de produit cible dans un milieu biologique ou chimique à tester lorsque ce milieu à tester est mis en contact avec une partie de ce capteur comprenant au moins un élément de guide d'onde optique dont le fonctionnement est modifié par la présence du produit cible en question.
Selon l'invention, ce composant comprend en outre un groupement d'un ou plusieurs nanotubes au moins en partie semiconducteurs, qui sont sélectionnés et/ou fonctionnalisés pour interagir avec ce produit cible. Ce groupement de nanotubes entoure le guide d'onde optique sur tout ou partie de sa périphérie, par exemple à son contact ou au moins à l'intérieur d'un mode optique existant dans ce guide d'onde. Ce groupement de nanotubes induit un couplage optique, dans une portion dite de couplage de ce guide, entre
- d'une part un signal optique émis ou reçu dans cette portion de couplage du guide d'onde optique, et
- d'autre part une ou plusieurs caractéristiques optiques de ces nanotubes, par exemple photoluminescence, ou fluorescence, ou indice de réfraction, ou absorption, qui sont modifiées par la présence du produit cible.
Typiquement, les nanotubes du groupement sont majoritairement, par exemple à plus de 80%, voire exclusivement semiconducteurs.
Une bonne solution est d'utiliser des nanotubes de carbone semiconducteurs, par exemple mais non obligatoirement de type monoparoi (SWCNT).
Dans un mode de réalisation actuellement préféré, les nanotubes du groupement sont fonctionnalisés pour interagir avec le produit cible grâce à des récepteurs qui sont fixés sur ces nanotubes. Ces récepteurs sont choisis spécifiquement pour interagir ou se lier spécifiquement avec le produit cible à détecter. Il peut s'agir par exemple d'anticorps correspondant à un antigène présent sur des cellules biologiques à détecter, comme par exemple des cellules cancéreuses ou des globules blancs infectés par le virus VIH. Il peut s'agir aussi de tous types connus, présents ou à venir, de molécules ou macromolécules se liant spécifiquement et/ou facilement avec un produit biologique chimique déterminé que l'on souhaite détecter, liquide ou gazeux.
Ces récepteurs peuvent être fixés sur les nanotubes de différentes façons, par exemple des méthodes connues comme des méthodes de greffage par espaceurs chimiques.
Selon une particularité, l'invention propose en outre de réaliser la sélection et/ou la fonctionnalisation des nanotubes à l'aide d'un polymère.
Selon cette particularité, les récepteurs sont fixés aux nanotubes par l'intermédiaire de chaînes d'au moins un polymère dit de fonctionnalisation, notamment un polymère dérivé de PFO, qui est choisi ou produit pour pouvoir recevoir au moins un type de récepteurs. Les chaînes longues d'un tel polymère sont fixées sur la surface de ces nanotubes, par exemple en les entourant plusieurs fois sous l'effet de leurs propriétés physico- chimiques.
De préférence, le polymère de fonctionnalisation est choisi d'un type apte à recevoir une pluralité de types de récepteurs, spécifiques à des produits cibles différents.
Le PFO au sens strict du terme est un homopolymère de groupements fluorène, et est par exemple produit par la société Aldrich. Ses chaînes ont tendance à s'enrouler autour de certains nanotubes, par exemple en fonction de leur nature et/ou de leur chiralité. Son utilisation est connue pour sélectionner certains types de nanotubes, par exemple des semiconducteurs, par exemple par mixage sous forme de gel suivi d'une centrifugation.
Selon un aspect de l'invention, il est proposé un polymère original, comprenant un ou constitué d'un copolymère majoritairement à base de monomères de type fluorène, incluant des monomères de fonctionnalisation répartis par exemple sous la forme d'un copolymère statistique. La structure générale d'un tel polymère de fonctionnalisation peut être représentée sous la forme suivante :
Figure imgf000009_0001
avec une proportion de monomères de fonctionnalisation comprise entre 1% et 20% du total de la chaîne, et par exemple 10% soit un rapport de m/n sensiblement égal à 9.
De préférence, le monomère de fonctionnalisation est basé sur un groupe fluorène auquel sont adjoint un ou deux groupements de fonctionnalisation « Fni » et « Fn2 ».
Chacun de ces groupement « Fni » et « Fn2 » peut être choisi par exemple dans le groupe suivant :
SH ; NH2 ; N3 ; OCH2C02R' ; C8H17 ;
Figure imgf000009_0002
Une représentation du polymère de fonctionnalisation, ou PFO-f, peut alors être la suivante :
Figure imgf000009_0003
avec : l≤ x≤ 6 et l≤ m/n < 9 (typiquement x=6 et m/n=9). A titre d'exemple, le monomère de fonctionnalisation peut être obtenu de l'une des façons suivantes et dans une des formes suivantes :
Figure imgf000010_0001
(forme utilisable) (forme utilisable)
Le polymère de fonctionnalisation peut alors être obtenu, par exemple, de la façon suivante :
Figure imgf000010_0002
avec : l≤ x≤ 6 et l≤ m/n < 9 (typiquement x=6 et m/n=9) ; et
Fri! = SH ; NH2 ; N3 ; OCH2C02R' ; C8H 17 . Fn2 = SH ; NH2 ; N3 ; OCH2C02R' ; C8H17
Figure imgf000010_0003
Il est à noter qu'un tel polymère de fonctionnalisation peut être utilisé pour fonctionnaliser des nanotubes dans tous les différents modes de réalisations décrits ici, mais aussi dans d'autres applications utilisant une variation des propriétés physico-chimiques (y compris optiques) des nanotubes en présence d'un ou plusieurs produits cibles.
Selon un autre aspect, l'invention propose en outre un dispositif de détection d'un ou plusieurs types déterminés de produits cibles biologiques et/ou chimiques, comprenant une pluralité de capteurs incluant chacun au moins un composant tel qu'exposé ici. Ces capteurs sont agencés de façon à interagir simultanément et indépendamment l'un de l'autre avec un même milieu à tester, par exemple en étant intégrés sur un même substrat, contigus l'un à l'autre ou réunis au sein d'une même surface de moins de 5 cm2, voire 1 cm2.
Ces différents capteurs peuvent être par exemple connectés, multiplexés ou en parallèle, à un dispositif électronique agencé pour interpréter et ou transmettre leurs informations et en commander le fonctionnement et l'activation.
Ce dispositif peut en particulier comprendre au moins deux capteurs fonctionnalisés différemment pour détecter ou mesurer deux produits cibles différents.
On voit qu'il est ainsi possible d'obtenir de multiples mesures simultanées d'un même milieu à tester, par exemple pour plusieurs produits cibles différents, ou avec des calibrages ou des sensibilités de capteurs différents permettant d'obtenir une plus grande plage de quantités mesurables.
Dans un mode de réalisation préféré, l'invention propose en particulier d'utiliser un guide d'onde comprenant une portion de couplage agencée pour obtenir un mode évanescent qui confine l'onde électromagnétique autour de tout ou partie des nanotubes du groupement.
Elle propose aussi de prévoir une portion de couplage incluse dans ou connectée avec un élément optique d'un type connu réalisant une amplification optique ou une détection optique des modifications optiques des nanotubes qui sont issues de leur interaction avec le produit cible. Cet élément optique de détection ou d'amplification peut être par exemple un résonateur en anneau, un interféromètre de Mach Zehnder ou une cavité Fabry-Pérot, avec des cristaux photoniques ou des guides d'onde classiques. L'invention est réalisable en particulier avec un guide d'onde optique réalisé à base de silicium, c'est à dire de silicium semiconducteur cristallin, voire de nitrure de silicium et au sein d'un circuit photonique silicium, par exemple de type SOI (« Silicon On Insulator »), dont la technologie est économique, bien maîtrisée et très répandue.
Des études sur les nanotubes ont montré que ces matériaux peuvent présenter certaines propriétés de type semiconducteur du fait de leur échelle nanométrique, et de leur unidimensionnalité.
Ainsi, la publication « Electroluminescence from Single-Wall Carbon
Nanotube Network Transistors » de Adam et al. dans NanoLetters 2008, 8 (8) 2351-2355, présente un effet électroluminescent multidirectionnel obtenu dans un transistor à effet de champ réalisé en appliquant un champ électrique entre plusieurs électrodes parallèles successives disposées transversalement à une piste constituée soit d'un nanotube unique (CNFET), soit d'un réseau inorganisé de plusieurs nanotubes (NNFET).
Dans les publications « Carbon Nanotubes and Optical Confinement - Controlling Light Emission in Nanophotonic Devices » de Steiner et al. dans SPIE 2008 vol .703713 703713, et « A microcavity-controlled, current- driven, on-chip nanotube emitter at infrared wavelengths » de Fengnian et al. dans Nature Nanotechnology vol 3 octobre 2008, il a été proposé de capter un tel effet électroluminescent à l'aide d'une microcavité optique d'« amplification ».
Selon l'invention, en utilisant des nanotubes triés pour leurs propriétés optiques avec un habillage de surface sélectionné ou modifié pour induire une interaction sélective avec les cibles choisies, la sensibilité des nanotubes vis-à-vis de leur environnement permet d'obtenir une modulation de leurs propriétés optiques au contact de telles cibles.
Les nanotubes étant extrêmement sensibles à leur environnement, la fixation d'une molécule ou biomolécule à leur surface induit des transferts de charges, perturbant leurs propriétés photoniques et électroniques. L'interaction entre le mode guidé dans la structure photonique et le réseau de nanotubes amène une augmentation de la sensibilité et la spécificité de l'ensemble du système de détection. Les premières études montrent que les structures photoniques silicium couplées à des réseaux de nanotubes de carbone permettent la détection de faibles concentrations de substances biologiques, avec une sensibilité inférieure à 1 pg/mm2.
De tels biocapteurs photoniques permettent d'obtenir une solution bon marché, par exemple en réalisant des capteurs à usage unique qui apportent en outre une bonne sécurité ; compacts et de faible encombrement avec une surface de l'ordre du mm2 (par exemple entre 0,5 et 5 mm2) ; facile à utiliser et permettant une multi-analyse en parallèle, par exemple permettant la détection simultanée de plusieurs types de molécules infectieuses ou symptomatiques par plusieurs capteurs intégrés sur un même substrat et fonctionnalisés différemment.
On voit que l'invention permet ainsi d'obtenir un biocapteur photonique particulièrement sensible et spécifique et de faible dimensions, flexible et à usages variés, pouvant être produit dans des grandes quantités et à des coûts économiques.
Dans le même esprit, l'invention propose aussi un procédé de fabrication ou préparation d'un composant ou dispositif de détection d'au moins un type déterminé de produit cible, de nature biologique ou chimique sous forme liquide ou gazeuse, du type fournissant un signal lumineux ou électronique représentant une présence voire une quantité de ce produit cible dans un milieu biologique ou chimique à tester, lorsque ce milieu à tester est mis en contact avec une partie de ce composant comprenant au moins un élément de guide d'onde optique dont le fonctionnement est modifié par la présence de ce même produit cible.
Selon l'invention, ce procédé de fabrication comprend :
- d'une part au moins une opération de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement d'un ou plusieurs nanotubes par un processus choisi pour faire interagir ce groupement avec ce produit cible, et
- d'autre part au moins une opération de mise en place d'un tel groupement de nanotubes de façon à entourer ce guide d'onde optique sur tout ou partie de sa périphérie, et induire ainsi un couplage optique dans une portion dite de couplage de ce guide, entre un signal optique émis ou reçu dans cette portion de couplage du guide d'onde optique, et une ou plusieurs caractéristiques optiques de ces nanotubes, lesquelles caractéristiques optiques sont modifiées par la présence du produit cible visé.
De préférence, l'opération de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement de nanotubes comprend les étapes suivantes :
- sélection de nanotubes semiconducteurs non métalliques, de préférence d'une chiralité déterminée, par exemple en fonction du gap voulu et par exemple pour obtenir un gap de 1,5 pm ;
- fonctionnalisation de surface desdits nanotubes par fixation à leur surface de molécules dites récepteurs qui sont choisies pour interagir ou se lier spécifiquement avec ledit produit cible.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'opération de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement de nanotubes comprend les étapes suivantes :
- sélection des nanotubes par liaison ou interaction d'une pluralité de nanotubes avec au moins un polymère, notamment un dérivé du PFO, choisi pour être apte d'une part à recevoir un ou de préférence plusieurs types de récepteurs, et d'autre part à se lier spécifiquement avec au moins un type déterminé de nanotubes par exemple déterminé par leur nature de semiconducteur et/ou du point de vue de leur chiralité, réalisant ainsi une première fonctionnalisation dite initiale ;
- deuxième fonctionnalisation, dite spécifique, desdits nanotubes par fixation de molécules dites récepteurs spécifiques, choisies aptes à interagir ou se lier avec le produit cible, sur les chaînes de polymère liées à ces nanotubes.
Il est à noter que les opérations de dépôt des nanotubes et de fixation des récepteurs présentent des contraintes technologiques bien moindres que la réalisation des circuits optiques, voire même que l'assemblage et le montage de l'environnement électronique autour de ces circuits optiques.
Ainsi, l'invention permet de réaliser certaines parties de la fabrication et préparation des capteurs dans un environnement beaucoup plus simple, économique et moins contraignant, par exemple sans besoin de salle blanche ni d'éléments spécifiques et délicats tels que des réacteurs de gravure et/ou de dépôt.
Il est ainsi possible de fabriquer en usine des capteurs non fonctionnalisés, ou n'ayant subi que la fonctionnalisation « initiale ». Ces capteurs plus ou moins vierges, ou génériques, peuvent être ensuite être fonctionnalisés de façon finale dans un environnement moins contraignant et possiblement au dernier moment.
Cette fonctionnalisation finale peut alors se faire en « greffant » un capteur générique pré-fonctionnalisé ou « initialisé », déjà muni de nanotubes mais sans récepteurs, en utilisant différents types de récepteurs en fonction des besoins de détection. Elle peut aussi se faire en intégrant, sur un capteur générique vierge sans nanotubes, une petite quantité de nanotubes déjà fonctionnalisés, choisis en fonction des besoins de détection au sein d'un stock de plusieurs variétés de nanotubes complètement fonctionnalisés (avec leurs récepteurs spécifiques).
Liste des figures
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- les FIGURE 1 et FIGURE 2 sont respectivement un schéma de principe et un organigramme illustrant la fabrication, la préparation et l'utilisation d'un capteur selon l'invention dans un premier mode de réalisation, avec fonctionnalisation spécifique après application des nanotubes ;
- les FIGURE 3 et FIGURE 4 sont respectivement un schéma de principe et un organigramme illustrant la fabrication, la préparation et l'utilisation d'un capteur selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation, avec fonctionnalisation spécifique avant application des nanotubes ;
- les FIGURE 5, FIGURE 6 et FIGURE 7 sont des schémas de principe illustrant des exemples de circuits photoniques de capteurs selon l'invention, selon des configurations respectivement : o FIGURE 5 : avec une cavité Fabry-Pérot,
o FIGURE 6 : avec un interféromètre de Mach-Zehnder, et
o FIGURE 7 : avec un résonateur à anneau ;
- les FIGURE 8a et FIGURE 8b sont des schémas de principe illustrant un exemple de configuration du guide optique autour de la portion de couplage dans des modes de réalisation utilisant un couplage sur une partie rectiligne de guide optique, avec des rétrécissements et respectivement avec des cristaux photoniques ;
- la FIGURE 9 est un schéma de principe illustrant un exemple de configuration du guide optique autour de la portion de couplage dans des modes de réalisation comprenant un résonateur à anneau ;
- la FIGURE 10 est une courbe simplifiée illustrant un exemple de réponse du capteur de la FIGURE 9 dans un mode de réalisation utilisant une détection de présence par variation de phase ;
- les FIGURE l ia et FIGURE 11b sont des schémas de principe illustrant l'effet évanescent dans une réduction de largeur du guide optique, avec des exemples de dimensions de la portion rétrécie du guide optique, pour un capteur selon l'invention ;
- les FIGURE 12a à FIGURE 12f sont des schémas de principe en coupe transversale à la portion de couplage, illustrant différents exemples de positionnement des nanotubes par rapport au guide optique.
Réalisation et préparation : premier de mode de réalisation
En FIGURE 1 et FIGURE 2 sont représentées différentes étapes de la fabrication, préparation et utilisation d'un capteur selon l'invention dans un premier mode de réalisation.
Un processus de fabrication 21 est réalisé dans un environnement de fabrication classique pour des composants photoniques et électroniques, et par des moyens connus dans ces domaines.
Dans ce processus de fabrication 21, on réalise la fabrication du circuit optique, incluant typiquement une phase de gravure 211, par exemple sur une base ou « wafer » de SOI, par exemple par des technologies connues de production de circuits intégrés photoniques ou optroniques. Dans cette phase, on réalise un guide d'onde optique 111 sur une base ou un substrat 110.
A titre d'exemple, les opérations 211, 411 de réalisation du ou des circuits optiques peuvent être effectuées par les techniques suivantes :
Les matériaux utilisés sont le silicium (Si) ou le nitrure de silicium
(Si3N4) pour le matériau à indice de réfraction élevé, c'est à dire le cœur du guide, et de la silice (Si02) pour le matériau à indice bas, c'est à dire l'enrobage ; ainsi que du silicium (Si) pour le substrat.
Les motifs peuvent être insolés par lithographie à faisceau d'électrons, et de préférence en lithographie à ultra-violets profonds et nano-impression.
Le silicium ou le nitrure de silicium peut être gravé par procédé RIE (Reactive Ion Etching) ou ICP (Inductively Coupled Plasma).
Des électrodes métalliques peuvent être optionnellement déposées en vue d'aligner ultérieurement les nanotubes par diélectrophorèse, puis éliminées si besoin par attaque RIE ou chimique.
Au cours de ce processus de fabrication 21 ou en parallèle de façon indépendante, on prépare des nanotubes munis d'une première fonctionnalisation de surface, ici désignée comme fonctionnalisation « initiale » et donnant des nanotubes « initialisés » 122. Pour cela, on utilise des nanotubes semiconducteurs 121, par exemple des nanotubes de carbone possiblement simple paroi (SWNT), de préférence choisis d'une même chiralité déterminée.
Ces nanotubes sélectionnés 121, reçoivent alors une fonctionnalisation de surface à l'aide de chaînes polymériques 13 comportant des sites d'ancrage permettant de fixer ultérieurement le ou les récepteurs spécifiques 14 voulus.
A titre d'exemple non exclusif, la sélection 121 et la fonctionnalisation initiale 122 peuvent être réalisées ensemble en faisant interagir un milieu 120 de nanotubes de natures variées avec un milieu contenant un polymère de fonctionnalisation 13 choisi pour son affinité avec les nanotubes de carbone, par exemple un dérivé du polyfluorène qui sera alors appelé ici : « PFO-f ». En les faisant interagir entre eux, par exemple par un brassage des nanotubes 120 avec un gel 130 contenant ce polymère 13, on obtient des nanotubes semiconducteurs 121 fonctionnalisés 122. Ces nanotubes fonctionnalisés sont alors séparés des autres 120, par exemple en utilisant leur densité différente à l'aide d'un procédé tel qu'une centrifugation.
Une quantité plus ou moins importante, pouvant même être limitée à un seul nanotube 122, est ensuite déposée 212 sur le guide optique 111 en une portion spécifique qui devient ainsi, ou contient, la portion de couplage 112. Ce « groupement » de nanotubes initialisés 122 peut optionnellement être fixé de manière plus forte par des procédés complémentaires, par exemple par dépôt de métal sur les nanotubes 122 en dehors de la zone de couplage 112.
Cette association des nanotubes 122 et de la portion de couplage 112 forme ainsi une zone de détection 113, qui peut être réalisée en plusieurs exemplaires et à plusieurs emplacements différents d'un même circuit optique 11, par exemple pour combiner une détection de plusieurs produits cibles en une seule mesure.
Un même dispositif de détection ou détecteur 191, 192 ou 194 peut en outre comprendre plusieurs zones de détection 113a et respectivement 113b réalisées au sein de plusieurs circuits optiques différents, indépendants dans leur partie d'amplification et de mesure, formant ainsi une pluralité de capteurs unitaires indépendants sur un même détecteur multi-mesures.
De tels dispositifs de détection, pouvant être appelés détecteurs mono-mesure 191 ou détecteurs multi-mesures 192 et 194, peuvent être réalisés sous une forme compacte et simple, par exemple strictement limitée au circuit optique seul ou complété des seuls composants optroniques assurant l'évaluation des signaux lumineux de détection. De tels détecteurs minimaux, par exemple entièrement intégrés sur une simple plaquette de substrat ou sur une puce ou une carte électronique, peuvent alors être connectés à un appareil électronique ou optronique 190 de commande et d'exploitation des signaux lumineux de détection.
A la sortie du processus de fabrication 21, on peut ainsi obtenir et distribuer et stocker 214 un ou plusieurs types de détecteurs, mono-mesure 191 avec une seule zone de détection 113 ou multi-mesures 192, 194 par exemple avec deux zones de détection 113a, 113b et respectivement quatre zones de détection . Ces détecteurs peuvent être fabriqués en grande quantité et d'un coût unitaire très économique et par exemple adaptés et destinés à un usage unique en combinaison avec un appareil d'exploitation 190 réutilisable.
Il est à noter que la préparation et le dépôt des nanotubes 122 ne nécessitent pas des installations aussi complexes et coûteuses que la réalisation 211 du circuit optique en lui-même, ou même que l'assemblage et le montage 213 du circuit optique au sein des éléments mécaniques et/ou électroniques 190 agencés pour réaliser un détecteur 191, 192, 194.
Ainsi qu'indiqué en pointillés sur la FIGURE 2, le dépôt 212 des nanotubes sur la portion de couplage 112 peut ainsi être fait à différents moments du processus de fabrication 21, avant ou après ce montage 213, voire même en dehors du processus 21 et des installations de fabrication.
De plus, on notera que les capteurs et détecteurs ainsi fabriqués et distribués ne sont qu'initialisés, mais peuvent encore servir pour plusieurs types de produits cibles. Le nombre de modèles à fabriquer et à gérer est ainsi limité, et ne dépend pas ou peu des différents types de produits cibles 15 pour lesquels ils seront utilisés 24.
Un processus de préparation finale 23 est réalisé pour adapter le ou les capteurs 113a et 113b de chaque détecteur 191, 192 ou 194 avant de réaliser la détection 24 en elle-même.
Bien que cette préparation puisse être réalisée au cours du processus de fabrication 21, les caractéristiques de l'invention permettent de retarder cette phase de préparation 23 jusqu'au processus d'utilisation 22. Cette préparation 23 peut se faire par exemple directement sur le terrain ou possiblement dans un atelier ou un laboratoire plus simple, sans salle blanche ni réacteur de gravure, par le personnel utilisateur ou un technicien peu spécialisé chez l'utilisateur ou chez un distributeur ou un installateur.
En fonction du besoin de détection ou d'une commande particulière de l'utilisateur, on choisit 231 un détecteur 192 doté du nombre nécessaire de capteurs, par exemple deux capteurs 113a et 113b dans l'exemple de la FIGURE 2. Dans ce mode de réalisation, les capteurs 113a et 113b sont déjà « initialisés », comme indiqué en FIGURE 2 par le « i » à l'intérieur du cercle de chaque capteur, dès lors qu'ils comportent déjà chacun leur groupement de nanotubes 122 munis du polymère 13 et ses sites d'ancrage, c'est à dire avec leur fonctionnalisation initiale.
En fonction d'un choix 232 du ou des produits cibles 15a et 15b à détecter, on utilise le ou les récepteurs adaptés 14a et 14b pour réaliser une fonctionnalisation spécifique 233 de chacun des capteurs 113a et 113b du détecteur 192 choisi.
Ces récepteurs 14, 14a, 14b, 14c, 14d sont de natures très diverses selon le choix des produits cibles à détecter, et sont connus ou seront développés indépendamment de la présente invention. Leur définition et leur obtention n'entrent pas dans le cadre de la présente invention, qui pourra d'ailleurs être mise en œuvre de façon similaire avec de futurs récepteurs non encore développés à ce jour, dès lors qu'ils présenteront des caractéristiques similaires d'affinité avec le ou les polymères 13 utilisés pour la fonctionnalisation initiale 221 des nanotubes 121.
Ainsi qu'illustré en FIGURE 1, pour chacun des capteurs à fonctionnaliser, on fait interagir le récepteur 14 choisi avec les nanotubes initialisés 122. Les molécules de récepteur 14 se fixent alors sur les sites d'ancrage du polymère 13 qui entoure la surface des nanotubes. On obtient ainsi une zone de détection dite « finalisée » 114 ou « fonctionnalisée spécifiquement », c'est à dire spécifiquement en fonction du choix du produit cible 15. Sur la FIGURE 2, le cercle représentant des capteurs « finalisés » 114a et 114b est marqué de la lettre « A » ou « B » correspondant respectivement au produit cible 14a ou 15b pour lequel ces capteurs ont été fonctionnalisés spécifiquement.
Lorsque cette zone de détection finalisée 114 est mise en présence 241 d'un milieu 150 contenant le produit cible, les molécules 15 du produit cible vont interagir voire se lier avec les molécules de récepteur 14 présentes sur les nanotubes 122. La présence du produit cible 15 va alors modifier les caractéristiques photoniques des nanotubes 122 de la zone de détection 114, ce qui sera détecté 19 à travers une évaluation d'un signal optique déterminé injecté dans le circuit optique 11. Dans le cas d'un détecteur 192 à plusieurs capteurs adjacents sur une petite surface, par exemple deux capteurs 113a et 113b initialisés mais non encore fonctionnalisés spécifiquement, on pourra finaliser séparément chacune des zones initialisées avec des récepteurs différents 15a et respectivement 14b. On obtiendra ainsi deux capteurs finalisés 114a et respectivement 114b pour deux produits cibles différents 14a et respectivement 15b. On pourra alors tester un même milieu 150 avec les deux capteurs 114a et 114b du même détecteur 192, par exemple en versant une goutte sur la partie du détecteur 192 regroupant ces deux capteurs ou en injectant la solution à analyser à l'aide d'un système fluidique, ou en introduisant cette région du détecteur dans une enceinte ou à l'intérieur d'un corps vivant humain ou animal. On obtiendra ainsi en parallèle deux mesures indépendantes, commandées et exploitées indépendamment l'une de l'autre par un ou plusieurs appareils 190, en parallèle et/ou en multiplexage, fournissant ainsi une détection simultanée et en temps réel des différents produits cibles 15a et 15b dans le même milieu 150.
Du fait que les différents récepteurs 14a à 14d peuvent être produits et stockés indépendamment des détecteurs 191 à 194, on voit que l'invention permet une grande souplesse dans la fabrication, le stockage, la distribution et l'utilisation. Il est ainsi possible de diminuer les coûts et les volumes et précautions de stockage des détecteurs et des appareils, et de rendre une détection et un dépistage multiple facile à mettre en œuvre sur le terrain et plus facile et abordable à implémenter à grande échelle.
Ce premier mode de réalisation permet une spécialisation particulièrement aisée des capteurs, en limitant les opérations de préparation de l'utilisateur au greffage des récepteurs. Les opérations de dépôt et possiblement de fixation des nanotubes sur les capteurs, qui peuvent présenter des contraintes ou du travail supplémentaires, sont déjà faites à l'avance.
Réalisation et préparation : deuxième de mode de réalisation
En FIGURE 3 et FIGURE 4 sont représentées différentes étapes de la fabrication, préparation et utilisation d'un capteur selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation, qui ne sera détaillé que dans ses différences avec le premier mode de réalisation.
Au cours du processus de fabrication 41, le circuit optique est réalisé
411 et assemblé 412 pour réaliser des détecteurs 191, 192, 194 munis chacun d'un ou plusieurs capteurs 112, 112a, 112b dits « vierges », c'est à dire dont la zone de détection 112 n'a pas encore reçu de nanotubes. Ces détecteurs sont distribués et stockés 414 sous cette forme vierge.
En parallèle, des nanotubes 121 sont sélectionnés 421 et reçoivent
422 une fonctionnalisation initiale. Ils sont ensuite fonctionnalisés de façon spécifique 423 par interaction avec un récepteur 14, choisi d'un type 14a-
14d ou d'un autre en fonction de différents produits cibles A-D.
Différents types nT.A, nT. B, nT.C et nt. D de nanotubes
« spécifiques » ainsi complètement fonctionnalisés sont stockés et distribués indépendamment les uns des autres.
II est à noter que la préparation 421, 422 et 423 des nanotubes spécifiques 124 ne nécessite pas des installations aussi complexes et coûteuses que la réalisation 411 du circuit optique en lui-même, ou même que l'assemblage et le montage 413 du circuit optique au sein des éléments mécaniques et/ou électroniques agencés pour réaliser un détecteur 191, 192, 194.
Un processus de préparation finale 43 est réalisé pour adapter le ou les capteurs 112a et 112b de chaque détecteur 191, 192 ou 194 avant de réaliser la détection 44 en elle-même.
Bien que cette préparation puisse être réalisée au cours du processus de fabrication 41, les caractéristiques de l'invention permettent de retarder cette phase de préparation 43 jusqu'au processus d'utilisation 42. Cette préparation 43 peut se faire par exemple directement sur le terrain ou possiblement dans un atelier ou un laboratoire plus simple, sans salle blanche ni réacteur de gravure, par le personnel utilisateur ou un technicien peu spécialisé chez l'utilisateur ou chez un distributeur ou un installateur.
En fonction du besoin de détection ou d'une commande particulière de l'utilisateur, on choisit 431 un détecteur 192 doté du nombre nécessaire de capteurs, par exemple deux capteurs 113a et 113b dans l'exemple de la FIGURE 4. Dans ce mode de réalisation, les capteurs 113a et 113b sont encore « vierges », comme indiqué sur la figure par le cercle vide pour chaque capteur, car ils ne comportent pas encore leurs nanotubes.
En fonction d'un choix 432 du ou des produits cibles 15a et 15b à détecter, on utilise le ou les types de nanotubes spécifiques 124a et 124b adaptés pour réaliser une fonctionnalisation spécifique 433 de chacun des capteurs 112a et 112b du détecteur 192 choisi. Pour cela, on dépose et fixe sur chaque capteur 112a et 112b une petite quantité des nanotubes spécifiques choisis. On obtient ainsi un détecteur 192 à plusieurs capteurs 114a et 114b finalisés pour des produits cibles 15a et 15b différents.
De la même façon que décrit précédemment, ce détecteur 192 à deux capteurs 114a et 114b peut alors être utilisé pour détecter 44, 441 deux produits 15a et 15b simultanément et en temps réel dans un même milieu à tester 15.
De façon similaire au premier mode de réalisation, la production et le stockage des détecteurs sont ici dissociés de leur spécialisation par produits cibles. Du fait que les différents types de nanotubes finalisés 124a à 124d peuvent être produits et stockés indépendamment des détecteurs 191 à 194, on voit que l'invention permet une grande souplesse dans la fabrication, le stockage, la distribution et l'utilisation. Il est ainsi possible de diminuer les coûts et les volumes et précautions de stockage des détecteurs et appareils, et de rendre une détection et un dépistage multiple plus facile à mettre en œuvre sur le terrain et plus facile et abordable à implémenter à grande échelle.
Ce deuxième mode de réalisation peut permettre par exemple de disposer de capteurs vierges pouvant recevoir des nanotubes initialisés avec des polymères différents, par exemple pour utiliser une gamme de types de récepteurs dans laquelle tous les récepteurs ne sont pas compatibles avec un même polymère mais nécessitent des polymères différents. Configurations de capteurs
En FIGURE 5 à FIGURE 12f sont représentées différentes configurations de capteurs selon l'invention, qui peuvent être obtenues selon différents modes de réalisation du procédé de fabrication et préparation, dont le premier et le deuxième mode décrits ci-dessus. En FIGURE 5 à FIGURE 9 sont représentés en schéma de principe des exemples de circuits photoniques pouvant être utilisés pour réaliser un capteur selon l'invention, en particulier à base de nanotubes de carbone. Dans ces circuits, on utilise différents types de circuits pour convertir en variation d'intensité optique les effets de couplage cible-récepteur au voisinage des nanotubes de carbone.
En FIGURE 5, le circuit comprend un guide optique rectiligne 511, incluant une portion de couplage 512 entre deux miroirs 517 et 518, réalisés par exemple par des réseaux de Bragg, formant une cavité de Fabry-Pérot. La zone de détection 513 (initialisée) ou 514 (finalisée) est formée par un groupement de nanotubes fonctionnalisés ou finalisés déposés sur la portion de couplage 512 du guide 511. Un signal est par exemple injecté du côté gauche et résonne dans la cavité Fabry-Pérot en fonction des caractéristiques photoniques, par exemple l'absorption, résultant du couplage optique entre la portion 512 de guide et les nanotubes. Les caractéristiques du signal de sortie sont modifiées par la présence ou non de molécules du produit cible correspondant au récepteur greffé sur les nanotubes.
En FIGURE 6, le circuit optique comprend un guide optique 611 incluant un interféromètre Mach Zehnder formé par deux branches 617 et 618 parallèles entre elles, de même réfraction et de même longueur. L'une 618 de ces branches inclut la portion de couplage 612 sur laquelle est déposé un groupement de nanotube formant une zone de détection 613 ou 614. Un signal est par exemple injecté du côté gauche et se propage dans les deux branches 617 et 618. En fonction de la présence ou non de molécules du produit cible correspondant au récepteur greffé sur les nanotubes, les caractéristiques photoniques de la portion de couplage 612 sont modifiées, en particulier l'indice de réfraction. Le signal optique dans cette branche 618 est ainsi modifié, en particulier dans sa phase, et interfère avec le signal issu de l'autre branche 617 pour fournir un signal de sortie modifié, en particulier dans son intensité.
Ainsi qu'illustré en FIGURE 8a, la portion de couplage 512, 612 est formée de préférence dans une partie du guide optique 511, 611 qui présente une forme déterminant un mode optique évanescent, ici une partie de section constante 519 étroite située entre un rétrécissement et un élargissement d'un guide 511, 611 rectiligne de la FIGURE 5 ou FIGURE 6. La FIGURE 8b illustre une variante dans laquelle le mode optique évanescent est obtenu par une partie de couplage 812 pouvant être de même largeur et présentant des ouvertures verticales traversantes 819 agencées pour former un cristal photonique dans cette portion de couplage.
En FIGURE 7 et FIGURE 9, le circuit comprend un guide optique rectiligne 711 adjacent à une boucle fermée et forme ainsi un résonateur à anneau. La boucle fermée fait office de portion de couplage 712, en tout ou partie, et comporte pour cela des nanotubes fonctionnalisés et finalisés, par exemple disposés radialement comme illustré en FIGURE 9, formant ainsi une zone de détection 714 annulaire ou en forme de disque.
Un signal est injecté dans le guide principal 711, par exemple du côté gauche, et transmis par couplage optique au niveau d'une partie étroite 719 dans la boucle 712 où il résonne. Cette résonance dépend des caractéristiques photoniques de cette boucle, par exemple l'indice de réfraction, résultant du couplage optique entre la portion 712 de guide et les nanotubes de la zone de détection 714. Les caractéristiques du signal de sortie sont ainsi modifiées par la présence ou non de molécules du produit cible correspondant au récepteur greffé sur les nanotubes.
Ainsi qu'illustré en FIGURE 9, les nanotubes finalisés 122 sont de préférence, mais non obligatoirement, disposés transversalement à la portion de couplage 712, donc radialement dans le cas d'une boucle circulaire, par exemple par diélectrophorèse.
La FIGURE 10 représente ainsi un type de réponse pouvant être obtenue dans un capteur à résonateur à anneau tel qu'illustré en FIGURE 7 ou FIGURE 9. La courbe en continu 910 obtenue en l'absence des anticorps à tester présente un pic décroissant 91 d'intensité d'une valeur ΔΙ en sortie du résonateur. En présence d'anticorps 15 se liant avec les récepteurs 14 portés par les nanotubes 122 de la zone de détection 714, la modification de réfractivité de la boucle 712 couplée aux nanotubes fait varier la phase de propagation du signal dans la boucle, et produit une courbe en pointillés 950 dans laquelle le pic décroissant 95 d'intensité est décalé d'une valeur Δλ. La détection de ce décalage par un appareil d'exploitation 190 permet ainsi de détecter des anticorps 15, voire d'en mesurer la quantité.
Ces circuits optiques 111, 511, 611, 711 comprennent de préférence une bande guide d'onde avec une largeur variable de façon à contrôler le champ évanescent et optimiser l'interaction avec les nanotubes de carbone environnants. Ainsi qu'illustré en FIGURE l ia et FIGURE 11b, pour une même hauteur de guide d'onde, par exemple de 220 nm, une réduction de moitié de la largeur, permet d'obtenir un mode optique dont le champ Mi l s'élargit notablement M 19 dans le sens de la hauteur du guide d'onde, ce qui favorise le couplage avec le ou les nanotubes fonctionnalisés 122, 14 qui l'environnent. Cette réduction peut être par exemple de moitié, depuis 0,5 pm pour le guide d'onde 511, 711 en FIGURE l ia jusqu'à 0,25 pm (voire 0,15 pm ou moins) pour la partie étroite 519, 719 en FIGURE 11b.
La longueur d'onde injectée et/ou détectée est ajustée en fonction de la chiralité choisie pour les nanotubes de carbone, ou inversement. La longueur d'onde pour être choisie par exemple de 1,3 pm, valeur à laquelle l'absorption optique des gels ou solutions aqueuses est limitée voire négligeable, avec laquelle on utilisera par exemple des nanotubes de type (8,7).
En FIGURE 12a à FIGURE 12e sont illustrés différents exemples de positionnement des nanotubes 122 par rapport à la portion de couplage
112, 512, 612, 712 du guide optique.
Les nanotubes 122 peuvent être alignés entre eux, par exemple par diélectrophorèse, parallèlement pour les portions de couplage 112, 512, 612 rectilignes ou radialement dans le cas d'une portion de couplage 712 courbe.
Ainsi qu'illustré en FIGURE 12a, certains modes de réalisation peuvent comprendre un groupement A13 constitué d'un unique nanotube A22 entrant dans le mode optique M 19 déterminé par la portion de couplage A12, et ce dans toutes les configurations décrites ci-après.
Pour ces différentes configurations, le contenu du « groupement » de nanotube(s) est représenté par un hachurage neutre car le nombre des nanotubes, et leur alignement ou non, peuvent varier selon les modes de réalisation. En FIGURE 12b, le groupement B13 est déposé par dessus la portion de couplage B12, qui repose sur le dessus du substrat B10.
En FIGURE 12c, le groupement C13 est déposé sur la portion de couplage C12, et pénètre aussi en dessous par une sous gravure C18 réalisée dans le substrat CIO.
En FIGURE 12d, le groupement comprend une première couche D131 de nanotube(s) déposée sur le substrat D10 sous la portion de couplage D12, elle-même surmontée d'une deuxième couche D132 de nanotube(s).
En FIGURE 12e, le groupement E13 est déposé sur la portion de couplage E12, qui est encastrée en tout ou partie dans une rainure au sein du substrat E10.
En FIGURE 12f, la portion de couplage comprend deux parties F121 et F122 sensiblement parallèles entre elles reposant sur le substrat FIO, sur lesquelles est déposé le groupement F13. Ce dédoublement de la portion de couplage peut aussi être utilisé dans toutes les autres configurations représentées aux FIGURE 12a à FIGURE 12e.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant de détection ou mesure d'au moins un type déterminé de produit biologique ou chimique dit cible (15), par exemple sous forme liquide ou gazeuse, du type fournissant un signal lumineux ou électronique représentant une présence dudit produit cible dans un milieu biologique ou chimique à tester (150) lorsque ledit milieu à tester est mis en contact avec une partie dite capteur dudit composant comprenant au moins un élément de guide d'onde optique (111, 511, 611, 711) dont le fonctionnement est modifié par la présence dudit produit cible, caractérisé en ce que ledit composant comprend en outre un groupement (114, 514, 614, 714) d'un ou plusieurs nanotubes (124) au moins en partie semiconducteurs, fonctionnalisés pour interagir avec ledit produit cible grâce à des molécules dites récepteurs (14) qui sont choisies pour interagir ou se lier spécifiquement avec ledit produit cible et sont fixées sur lesdits nanotubes (122), par l'intermédiaire de molécules ou de chaînes de molécules (13) d'au moins un polymère dit de fonctionnalisation fixé sur la surface des nanotubes, notamment un dérivé du PFO,
et en ce que ledit groupement entoure ledit guide d'onde optique sur tout ou partie de sa périphérie et induit un couplage optique dans une portion dite de couplage (112, 512, 612, 712) dudit guide, entre
- d'une part un signal optique émis ou reçu dans ladite portion de couplage du guide d'onde optique, et
- d'autre part une ou plusieurs caractéristiques optiques desdits nanotubes modifiées par la présence dudit produit cible.
2. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le polymère de fonctionnalisation est d'un type apte à recevoir une pluralité de types de récepteurs, spécifiques à des produits cibles différents.
3. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanotubes (124) du groupement sont majoritairement voire exclusivement semiconducteurs, par exemple des nanotubes de carbone monofeuillets de type semiconducteur.
4. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion de couplage (112, 512, 612, 712) du guide d'onde optique est agencée pour obtenir un mode évanescent qui confine l'onde électromagnétique autour de tout ou partie des nanotubes (124) du groupement (114, 514, 614, 714).
5. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d'onde optique (111, 511, 611, 711) est réalisé en silicium ou en nitrure de silicium.
6. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion de couplage (112, 512, 612, 712) est incluse dans ou connectée avec un élément optique réalisant une amplification optique ou une détection optique des modifications des propriétés optiques des nanotubes (124) issues de l'interaction avec le produit cible (15).
7. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d'onde optique 111 est réalisé sur une base ou un substrat (110) par un procédé de fabrication de circuits intégrés photoniques ou optroniques.
8. Dispositif de détection (192) d'au moins un type déterminé de produit biologique ou chimique dit cible (15), par exemple sous forme liquide ou gazeuse, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteurs (114a, 114b) incluant chacun au moins un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 agencés de façon à interagir simultanément et indépendamment l'un de l'autre avec un même milieu à tester (150).
9. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins deux des capteurs (114a, 114b) sont fonctionnalisés pour détecter ou mesurer deux produits cibles (15) différents.
10. Polymère (13) de sélection de nanotubes (121) d'un type semiconducteur et/ou d'une ou plusieurs chiralités déterminées pour un composant ou un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, destiné à se fixer sur lesdits nanotubes et à les fonctionnaliser en recevant des molécules d'un ou plusieurs types dites récepteurs (14), choisis pour interagir ou se lier spécifiquement avec au moins un type déterminé de produit biologique ou chimique dit cible (15), les propriétés physicochimiques desdits nanotubes (124) variant ainsi en fonction de la présence ou non dudit produit cible, caractérisé en ce que ledit polymère est un copolymère formé majoritairement de monomères fluorènes et en ce qu'il comprend une proportion de monomères fonctionnels comprise entre 1% et 20%, de préférence entre 5% et 15% et notamment 10%, lesdits monomères fonctionnels comprenant au moins un groupement issu du groupe suivant :
SH ; NH2 ; N3 ; OCH2C02R' ; C8H17 ;
Figure imgf000030_0001
11. Polymère (13) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le monomère fonctionnel est dérivé d'un groupement fluorène, la structure dudit polymère pouvant être représentée sous la forme suivante :
Figure imgf000030_0002
avec : l≤ x≤ 6 et l≤ m/n < 9, et dans laquelle Fr\ et Fn2sont lesdits groupements chimiques fonctionnels.
12. Procédé de fabrication ou préparation d'un composant ou dispositif de détection d'au moins un type déterminé de produit biologique ou chimique dit cible ( 15), par exemple sous forme liquide ou gazeuse, du type fournissant un signal lumineux ou électronique représentant une présence dudit produit cible dans un milieu biologique ou chimique à tester ( 150) lorsque ledit milieu à tester est mis en contact avec une partie dite capteur ( 114, 114a, 114b) dudit composant comprenant au moins un élément de guide d'onde optique ( 111, 511, 611, 711) dont le fonctionnement est modifié par la présence dudit produit cible, caractérisé en ce qu'il comprend :
- d'une part au moins une opération (221 , 222, 233, 421, 422, 423) de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement d'un ou plusieurs nanotubes par un processus choisi pour faire interagir ledit groupement avec ledit produit cible, et
- d'autre part au moins une opération de dépôt (212, 434) d'un tel groupement de nanotubes ( 122) de façon à entourer ledit guide d'onde optique sur tout ou partie de sa périphérie, et induire ainsi un couplage optique dans une portion dite de couplage (112, 512, 612, 712) dudit guide, entre un signal optique émis ou reçu dans ladite portion de couplage du guide d'onde optique, et une ou plusieurs caractéristiques optiques desdits nanotubes modifiées par la présence dudit produit cible.
13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'opération (221, 222, 233, 421, 422, 423) de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement de nanotubes comprend les étapes suivantes :
- sélection (221, 421) de nanotubes semiconducteurs ( 121), et optionnellement d'une ou plusieurs chiralités déterminées ;
- fonctionnalisation (233, 423) de surface desdits nanotubes ( 122) par fixation à leur surface de molécules dites récepteurs ( 14) qui sont choisies pour interagir ou se lier spécifiquement avec le produit cible (15).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que l'opération (221, 222, 233, 421, 422, 423) de sélection et/ou de fonctionnalisation d'au moins un groupement de nanotubes comprend les étapes suivantes :
- sélection (221, 421) des nanotubes par liaison ou interaction d'une pluralité de nanotubes avec au moins un polymère (13), notamment un dérivé du PFO, choisi pour être apte d'une part à recevoir un ou plusieurs types de récepteurs (14) et d'autre part à se lier spécifiquement avec au moins un type déterminé de nanotubes (121) notamment du type semiconducteur et optionnellement d'une ou plusieurs chiralité déterminée, réalisant ainsi une première fonctionnalisation dite initiale (222, 422) ;
- deuxième fonctionnalisation, dite spécifique (233, 423), desdits nanotubes par fixation de molécules dites récepteurs spécifiques (14), choisies aptes à interagir ou se lier avec le produit cible (15), sur les chaînes (13) dudit polymère liées auxdits nanotubes (121).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'opération (221, 222, 421, 422, 423) de sélection et/ou fonctionnalisation précède l'opération (212, 434) de mise en place des nanotubes sur le guide optique.
16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'opération (212) de mise en place des nanotubes sur le guide optique est réalisée entre l'étape de fonctionnalisation initiale (222) et l'étape de fonctionnalisation spécifique (233).
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un processus de fabrication (21) en usine incluant la fabrication (211, 212, 213) d'au moins tous les éléments optiques d'un composant ou dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et
d'autre part un processus de préparation post-fabrication (23) incluant :
- soit une mise en place (434) d'au moins un groupement de nanotubes (124) préalablement fonctionnalisés spécifiquement (124), choisis en fonction d'au moins un produit cible à détecter (15), sur un guide optique (111, 511, 611, 711) non fonctionnalisé ;
- soit une fonctionnalisation spécifique (233) d'au moins un groupement de nanotubes (122) ayant préalablement subi une fonctionnalisation initiale (222) et déjà en place sur un guide optique (111, 511, 611, 711), par au moins un type de récepteurs spécifiques (14) choisis en fonction d'au moins un produit cible à détecter (15).
18. Procédé de détection ou mesure (24, 44) d'au moins un type déterminé de produit biologique ou chimique dit cible (15), par exemple sous forme liquide ou gazeuse, comprenant une utilisation d'un composant ou dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou réalisé par un procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 17.
19. Procédé de détection ou mesure (24, 44) d'une pluralité de types différents de produits biologiques ou chimiques dits cibles (15), par exemple sous forme liquide ou gazeuse, comprenant une utilisation d'une pluralité de composants réalisés par un procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 17 et fonctionnalisés à l'aide de récepteurs de types différents interagissant chacun avec l'un desdits produits cibles ; ou comprenant une utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que le polymère de fonctionnalisation (13) est un polymère selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, ou un dérivé du polyfluorène présentant une structure pouvant être représentée sous la forme suivante :
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000034_0002
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