Cette thèse porte sur l’étude des propriétés plasmoniques de réseaux nanostructurés dans
le but de développer des applications de bioanalyse. L'intérêt de travailler avec ces structures
est dû à leur grande sensibilité de surface, leur facilité de fabrication et leur simplicité d'analyse
par spectrophotométrie en transmission. L'objectif était de fabriquer un dispositif capable
d'effectuer du criblage à haut débit pour des fins biomédicales.
Le premier objectif de la thèse porte sur l’étude des propriétés plasmoniques des réseaux
de nanotrous. Une compréhension approfondie de ces structures a permis d’exploiter
efficacement leur performance pour des applications de bioanalyse plasmonique. Une solution
analytique fut établie pour étudier les modes de diffractions des polaritons de plasmons de
surface d’onde de Bloch (BW-SPP). Cette équation a permis de corroborer les observations
expérimentales avec des calculs théoriques par rapport au couplage plasmonique des réseaux de
nanotrous. De plus, la variation de l'angle d'incidence a permis de déplacer la fréquence à
laquelle les modes plasmoniques sont excités. Il était donc possible d'ajuster la position des BWSPP
de façon à maximiser un couplage à une longueur d'onde désirée. Cet effet a été exploité
avec la technique d'amplification de surface de diffusion Raman exaltée (SERS). Finalement, la
sensibilité en surface de réseaux de nanotrous a été amplifiée selon l’angle d’excitation en
transmission. Ce gain en sensibilité permet la détection de protéines d’IgG humain pour des
basses concentrations de l’ordre du nanomolaire (nM).
Le second objectif de la thèse traite du développement d’un lecteur multipuits couplé
avec la technologie des réseaux de nanotrous afin de créer une plateforme de détection
plasmonique pour du criblage à haut débit. Cet instrument offre une analyse en transmission
d’échantillons nanostructurés à l’aide d’une plaque 96-puits pour des angles d’incidence allant
jusqu’à 50°. Une nouvelle méthode de microfabrication de réseaux de nanotrous par
photolithographie fut établie. Cette technique a permis de fabriquer des réseaux de nanotrous
sur de grandes surfaces avec uniformité. L’efficacité du système fut démontrée pour la détection
de protéines d’IgG humain, du méthotrexate (MTX) et le criblage d’anticorps de l’antigène
prostatique spécifique (PSA).
Le dernier volet de la thèse discute de l’étude des propriétés plasmoniques de réseaux de
nanodisques recouverts d’un film d’or pour amplifier plus fortement la sensibilité des capteurs
plasmoniques. Cette section de la thèse a démontré la performance des réseaux de nanodisques
en tant que capteur plasmonique. En effet, les réseaux de nanodisques ont l’avantage d’exciter
un mode de Bragg (BM, Bragg modes) en transmission directe générant une bande plasmonique
fine ayant un facteur de mérite (FOM, figure of merit) élevé (sensiblité/réponse plasmonique).
L’excitation de ces structures en transmission directe a simplifié énormément l’utilisation du
robot multipuits par l’excitation à incidence normale tout en offrant une FOM supérieure aux
réseaux de nanotrous. Pour continuer, des simulations 3D et une image Raman du signal SERS
des structures ont démontré que le champ plasmonique des BM est grandement confiné autour
des nanodisques. Ce confinement du champ plasmonique des réseaux de nanodisques à générer
un facteur d’amplification SERS de l’ordre de 107.
En somme, cette thèse démontre une étude des propriétés plasmoniques de réseaux
nanostructurés pour des applications de bioanalyse par criblage à haut débit. Les études
rapportées dans cette thèse ont prouvés que le champ plasmonique des réseaux de nanotrous
peut être contrôlé afin d’amplifier leur sensibilité. De plus, la thèse rapporte la première
plateforme de bioanalyse plasmonique utilisant un lecteur multipuits. Finalement, la fabrication
de structures plasmoniques composés de nanodisques d’or a permis de mettre en évidence des
propriétés optiques qui peuvent être mises à profit pour des mesures optiques ultras sensibles. / This thesis describes the plasmonic properties of nanostructured arrays towards
development of biosensing applications. These structures exhibited several advantages such as
high surface sensitivity, ease of microfabrication and simple excitation setup in transmission
spectroscopy. The goal was to design a plasmonic device able to achieve high throughput
analysis for biomedical purposes.
The first section of the thesis covers a study of the plasmonic properties of nanohole
arrays. An analytical solution was derived to assess plasmonic properties of the diffraction
modes of Bloch-Wave surface plasmon polaritons (BW-SPP). Tuning of the excitation angle
allowed for a precise control of the plasmonic signal’s position and an optimal coupling at a
specific wavelength. This feature of nanohole arrays was demonstrated for applications in
surface-enhanced Raman scattering (SERS). Finally, this section described the enhancement of
the surface sensitivity of nanohole arrays through variation of the excitation angle in
transmission. Such enhancement of the sensitivity allowed for detection of the concentration of
human IgG proteins in the low nanomolar range.
The second section of the thesis discusses the development of a multi-well plate reader
coupled with the nanohole arrays technology. A custom-built plasmonic reader, designed at
University of Montreal, allowed analysis of plasmonic structures in transmission with a 96-well
plate for excitation where the incident angle is up to 50° relative to normal. A novel
microfabrication technique of nanohole arrays, based on photolithography, is described. This
technique allowed fabrication of nanohole arrays on a large scale with great surface uniformity.
The performance of the plasmonic reader is demonstrated for sensing of human IgG proteins,
methotrexate (MTX) and screening of prostate specific antigen (PSA) antibodies.
The final section of the thesis describes studies on the plasmonic properties of nanodisk
arrays coated with a gold film. This section described the performance of nanodisk arrays for
plasmonic sensing. This structure benefited from the excitation of Bragg modes (BM) in direct
transmission, which generated a sharp plasmonic band with a high figure of merit (FOM). The
excitation of nanodisk arrays in direct transmission simplified the design of the plasmonic reader
while providing a greater FOM than nanohole arrays. Furthermore, 3D simulations and a Raman image of the nanodisk arrays’ SERS intensity showed the confinement of the plasmonic field of the BM at the edges of the nanodisk. Such confinement of the plasmonic field of nanodisk arrays led to high SERS enhancements to a factor of 10^7.
In summary, this thesis studied the plasmonic properties of nanostructured arrays towards
development of applications for high throughput biosensing. These studies proved that the
plasmonic field of nanohole arrays can be tuned to enhance their surface sensitivity.
Furthermore, the thesis revealed the first plasmonic sensing platform using a multiwell plate
reader. Finally, the thesis describes a novel plasmonic structure with outstanding optical
properties; the gold coated nanodisk arrays.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/19517 |
| Date | 08 1900 |
| Creators | Couture, Maxime |
| Contributors | Masson, Jean-François |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse ou Mémoire numérique / Electronic Thesis or Dissertation |
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