Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - Campus de Marcoussis
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Nanotechnologie et Dispositifs Microfluidiques > Nanophotonique et Optofluidique
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OptoFlu

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L'optofluidique se rapporte aux dispositifs qui intègrent des composants optiques. Manipuler la lumière et des liquides à l'échelle de quelques micromètres permet d'exploiter leurs intéractions tout en proposant des puces capables d'intégrer simultanément des sources et des détecteurs sensibles.
Il devient donc possible de combiner sur puce des composants optiques avec des outils simples de manipulation des fluides, comme des pompes, des vannes, des mélangeurs et des chambres de réactions. Dans cet axe émergent, nous étudions, d'une part, des nanostructures photoniques (réseaux et nanoboites plasmoniques) comme biodétecteurs et, d'autre part, des sources optofluidiques (microlaser à colorant) pour des études d'absorption en intracavité et des analyses spectroscopiques d'échantillons biologiques.

  1. Etudes plasmoniques sur puce

    La résonance localisée de plasmons de surface d'un réseau de nanostructures métalliques dépend fortement de la taille, de la forme de la nanostructure et du pas du réseau. Cette résonance étant extrêment sensible au changement d'indice optique au voisinage de la nanostructure, la détection d'espèce greffée en surface est donc possible. Ces réseaux plasmoniques peuvent être facilement intégrés dans des dispositifs microfluidiques.

    Nous avons développé plusieurs procédés basés sur la nanoimpression et la gravure ionique réactive pour fabriquer des réseaux simples (Figure 1) et des nanoboites. Dans le cas de réseaux de trous en Au, nous avons montré que la réponse spectrale en transmission est corrélée au diamètre du trou et au pas du réseau (Figure 2). Pour tester leur sensibilité à un changement d'indice, ces réseaux ont été immergés dans différentes solutions de sucrose. Nous observons un décalage vers le rouge du pic en transmission, qui varie linéairement avec l'indice croissant de la solution chimique (Figure 3). La sensibilité au greffage d'une monocouche de thiols d'épaisseur 2 nm confirme la haute sensibilité des réseaux de nanotrous comme biodétecteurs chimiques.

    Nanotrous Spectres en transmission Immersion dans le sucrose
    Fig. 1. Image MEB d'un réseau de nanotrous d'Au. Fig. 2. Spectres en transmission de trois réseaux de nanotrous avec différents diamètres (d) et pas de réseau (p). Fig. 3. Spectre en transmission du réseau au pas p=200nm après immersion dans les solutions de sucrose.

  2. Laser à colorant sur puce et absorption intra-cavité

    Des lasers microfluidiques accordables travaillant avec seulement quelques nanolitres de colorant Rhodamine 6G) ont été fabriqués par des procédés technologiques PDMS/résine/verre. Ils intègrent des éléments pour le contrôle des flux (Figure 4), un résonateur en anneau pour la dilution du colorant, un guide d'onde et une cavité laser en résine (Figure 5). L'émission laser est obtenue à 532 nm. L'accordabilité a été démontrée sur une gamme de quelques dizaines de nanomètres en variant la concentration de colorant dans la solution d'éthanol (Figure 6).

    Vue générale du laser à colorant microfluidique Cavité laser en résine réponse du laser
    Fig. 4. Vue générale du laser à colorant microfluidique. Fig. 5. Zoom sur la cavité et le guide d'onde en résine. Fig. 6. Spectre d'émission laser. L'insert montre l'évolution de la puissance de sortie du laser en fonction de l'énergie de pompage optique.

    L'absorption intra-cavité laser est une technique reconnue pour la détection ultra-sensible d'analytes faiblement concentrés. Pour mettre en oeuvre cette méthode, il suffit de rajouter un canal d'analyse en intra-cavité du laser fluidique. Le passage d'un analyte dans ce canal génère des pertes par absorption qui modifie considérablement l'intensité du laser. L'émission laser est aussi sensible à tout changement d'indice en intra-cavité. Nous avons élaboré de tels dispositifs avec une cavité constituée de deux fibres optiques métallisées, insérées et placées en vis à vis dans une puce PDMS/verre (Figures 7 and 8). Nous y avons intégré un système de génération de microgouttes produites en ajustant le flux de deux liquides non miscibles. Nous avons étudié les changements en intensité laser, lors du passage des gouttes dans le canal d'analyse (Figure 9).

    Appliquer cette technique aux gouttes devrait permettre à terme de suivre la dynamique de réaction intra-goutte, de quantifier un élement en mesurant son absorption ou même de détecter des traces d'une entité biologique. Cette méthode est non intrusive pour l'entité biologique, puisqu'il n'est pas nécessaire de marquer le détecteur, comme dans le cas des nanostructures plasmoniques.

    cavité laser schema du dispositif intracavité mesure d'absorption en intracavité
    Fig. 7. Image du dispositif laser avec un canal d'analyse, couplé au système de production des gouttes. Fig. 8. Schéma général du dispositif. Fig. 9. Emission laser avant (gauche) et pendant (droite) le passage d'une microgoutte.
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