ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE PHYSIQUE DE STRASBOURG

Louis Pasteur

Description

Niveau: Supérieur

• dissertation

UNIVERSITE LOUIS PASTEUR ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE PHYSIQUE DE STRASBOURG LABORATOIRE DES SYSTEMES PHOTONIQUES THESE presentee pour obtenir le titre de Docteur de L'Universite Louis Pasteur Discipline: Physique et Photonique par Katrin SCHMITT Date de soutenance: 29 Juin 2006 UN NOUVEAU DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE POUR LA DETECTION DE BIOMOLECULES SANS ADJUVANT Directeur de these P. MEYRUEIS Co-Directeur de these A. BRANDENBURG Rapporteur interne J. FONTAINE Rapporteur externe E. WAGNER Rapporteur externe P. LAMBECK

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Sujets

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Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 juin 2006
• Nombre de lectures: 17
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

UNIVERSITE LOUIS PASTEUR
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE PHYSIQUE DE STRASBOURG
LABORATOIRE DES SYSTEMES PHOTONIQUES
THESE
pr´esent´ee pour obtenir
le titre de Docteur de L’Universit´e Louis Pasteur
Discipline: Physique et Photonique
par
Katrin SCHMITT
Date de soutenance: 29 Juin 2006
UN NOUVEAU DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE POUR
LA DETECTION DE BIOMOLECULES SANS ADJUVANT
Directeur de th`ese P. MEYRUEIS
Co-Directeur de th`ese A. BRANDENBURG
Rapporteur interne J. FONTAINE
Rapporteur externe E. WAGNER
Rapporteur externe P. LAMBECKUNIVERSITE LOUIS PASTEUR
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE PHYSIQUE DE STRASBOURG
LABORATOIRE DES SYSTEMES PHOTONIQUES
THESIS
presented to obtain the
Doctorate Degree in the Louis Pasteur University of Strasbourg
in Physics
by
Katrin SCHMITT
A NEW WAVEGUIDE INTERFEROMETER FOR THE
LABEL FREE DETECTION OF BIOMOLECULES
June, 29th 2006 before the doctoral committee:
Thesis supervisor P. MEYRUEIS
Co-supervisor A. BRANDENBURG
Rapporteur J. FONTAINE
Rapporteur E. WAGNER
Rapporteur P. LAMBECKAcknowledgements
Hereby I like to express my great gratitude to everyone who made this work possible.
I am deeply grateful to Prof. Patrick Meyrueis from the LSP in Strasbourg and to PD
Dr. Albrecht Brandenburg from the IPM in Freiburg for assuming the supervision of this
thesis as part of a joint project and for their unrestricted guidance and support. I also
thank Prof. Elmar Wagner, Prof. Jo¨el Fontaine and Prof. Paul Lambeck for their interest
in this work and for their support in completing this dissertation.
IalsoliketothankDr.ChristianHoffmannandDr.BerndSchirmerfromtheIPMfortheir
aid and support wherever needed during my thesis work and all their helpful discussions.
In particular for the final editing of this dissertation, I am indebted to Christian for his
detailed corrections that have greatly helped to improve this document.
At the IPM, I would like to thank all the colleagues, especially the bioanalytics group
and the OSS department, for the pleasant working atmosphere and their aid and support
for the project. I also like to thank Alfred Huber, Karl Kulmus, Heinrich Schulte and
JoachimFussforconstructingtheinstrumentsandtheiraidinassembling, MonikaStefan
for her help in the clean room, and Nicole Ebentheuer and Peter Oswald for carrying out
some of the test measurements and their contributing in the nice lab atmosphere.
Further I like to thank the following persons for test measurement collaborations:
Dr. Kristian Mu¨ller from the Biological Institute of the University of Freiburg for making
theBIACORE1000availabletousandDr.SteffenHartmannfromNovartis, Baselforhis
support during our measurement campaign with the BIACORE 2000. I also like to thank
Unaxis Optics in Liechtenstein for supplying the waveguide chips and Dr. J¨org Kraus and
Dr. Bernd Maisenh¨older for the supportive and friendly cooperation.
Finally I am deeply grateful for the love and support from my family. They have always
supported my decisions, no matter what. Most importantly, I like to thank Sebastian for
sharing many joyful years with me and all his help and patience in completing this work.
vRe´sume´
Le d´eveloppement rapide des sciences et technologies de la vie n´ecessite de nouvelles
m´ethodesetdenouveauxdispositifsminiaturis´espourl’analysedesinteractionsbiomol´ecu-
laires. Lessyst`emesoptiquesded´etectiondebiomol´eculesbas´essurlad´etectiondechamps
´evanescents pour l’analyse de liaisons biomol´eculaires font l’objet d’un accroissement
rapidede leursapplications enmati`ere dediagnostic, monitoring desoins, d´eveloppement
denouveauxm´edicaments. Pourˆetreefficaceunnouveaubiocapteurphotoniquedoitˆetre
un instrument `a haute sensibilit´e, pr´ecis et fiable, tout en´etant adapt´e ou adaptable `a un
large spectre d’application.
Dans le chapitre 1, nous pr´ecisons nos objectifs : proposer un microdispositif original `a
haute sensibilit´e de type biochip, op´erant sans adjuvant exploitant le principe d’un micro
interf´erom`etre de Young. Nous d´ecrivons l’architecture, le fondement technologique, et la
n´ecessaire caract´erisation th´eorique et exp´erimentale du dispositif cibl´e.
Dans le chapitre 2 nous pr´esentons les bases th´eoriques que nous avons exploit´ees pour
d´evelopper le microsyst`eme cibl´e particuli`erement la propagation de la lumi`ere dans
les guides d’onde planaires. Un r´esum´e des points essentiels concernant les biocap-
teurs est ensuite introduit en le compl´etant par une pr´esentation des m´ethodes de calcul
d’optimisation que nous proposons d’utiliser. Une partie de ce chapitre est donc d´evolue
auxbasesdesm´ethodesinterf´erom´etriquesquenousavonsmisesenœuvre. Uneautrepar-
tie concerne le traitement du signal, nous rappelons le principe du traitement de Fourier
rapide et la m´ethode que nous avons s´electionn´ee pour sa mise en œuvre. Nous intro-
duisons ensuite le processus d’impl´ementation de cette m´ethode du traitement du signal
concernant notamment des r´eductions du bruit par filtrage.
Le chapitre 3 est d´edi´e aux consid´erations th´eoriques ayant trait aux connaissances en
biochimie n´ecessaires pour la fonctionnalisation des effets biophotoniques. Nous traitons
ensuitedelath´eoriecin´etiquedesinteractionsbiochimiquescommelesr´eactionsanticorps-
antig`enes. Les mises en liaisons sont d´ecrites en d´etail en pr´eparant ainsi les mesures de
validations d´ecrites au chapitre 5. Une introduction est ensuite donn´ee `a la strat´egie de
mesure exp´erimentale que nous avons retenue.
L’architecture finale du biocapteur interf´erom´etrique que nous proposons est pr´esent´ee
dans le chapitre 3 avec 2 variantes : un syst`eme `a d´ebit `a deux canaux d’´ecoulement et
unesyst`emestatiqueMTP(microtiterplate). Lechoixdel’architectureetdescomposants
s´electionn´es sont justifi´es en d´etail. Nous en faisons de mˆeme pour la m´ethode d’analyse
viiviii
et de discussion des performances. Il en r´esulte un certain nombre de conclusions qui
nous permettent d’´etablir le choix d´efinitif du mat´eriau substrat de la source de lumi`ere
et du d´etecteur. Nous exposons comment nous avons optimis´e l’architecture finale `a par-
tir de l’analyse des cons´equences des diff´erents choix que nous avons eu `a effectuer, pour
obtenir des performances globalement optimales. Des compl´ements de caract´erisation
par des tests r´efractom´etriques sont ensuite d´ecrits. Ce qui nous permet d’acc´eder `a une
comparaison pertinente entre les r´esultats th´eoriques et exp´erimentaux. Nous avons ainsi
−8obtenu une r´esolution en indice de 6?10 dans le cas des ´ecoulements dynamiques avec
un taux d’´echantillonnage de 1 Hz. Cette r´esolution a ´et´e ensuite am´elior´ee en intro-
duisant un nouveau CCD. Nous avons pu en d´eduire que en ce cas le facteur limitant est
en fait le CCD en ce qui concerne le bruit de phase. Le bruit de phase est par contre´egal
pour les 3 sources de lumi`ere test´ees. Ces sources peuvent donc tre exclues comme orig-
ines majoritaires de bruit de phase. Nous compl´etons notre optimisation par l’adjonction
de filtres dont nous discutons le processus d’exploitation. La sensibilit´e exp´erimentale
globale est ainsi en pleine accordance avec la simulation. La stabilit´e est excellente avec
−6une d´erive inf´erieure `a 10 par heure. Nous d´ecrivons ensuite le montage de qualifica-
tion pour le cas MTP avec 8 cellules. Nous justifions les choix technologiques en ce cas.
Nous qualifions ensuite les r´esultats exp´erimentaux. Nous utilisons de l’´ethanol pour les
−6 −7testsr´efractom´etriquesetnousobtenonsuner´esolutionenindicede1.2?10 et4.5?10
pour les modes TE et TM avec un ´echantillonnage `a 1 Hz. Dans ce cas le CCD est aussi
le composant limitant mais il faut lui associer comme source significative de perturba-
tion une d´erive de la r´ep´etabilit´e des valeurs enregistr´ees. La stabilit´e de la r´eponse par
−5contre est inf´erieure `a 5?10 par heure. Dans le chapitre 5 nous pr´esentons une vali-
dation op´erationnelle des micro dispositifs que nous avons conc¸us et r´ealis´es sur un cas
biologique effectif. Nous discutons les r´esultats dans les 2 cas : statique et dynamique.
Nous d´ecrivons la proc´edure de test. Diff´erents effets de surface sont caract´eris´es par
la mesure de l’angle de contact. Nous comparons les r´esultats a` ceux existants dans le
litt´erature. Nous y ajoutons des exp´erimentations avec des effets fluorescents pour opti-
miser la caract´erisation de diff´erentes modifications de la surface que nous avons test´ees
pour obtenir les fonctionnalit´es les plus robustes. La prot´eine G - IgG est enfin test´ee
dans les cas statiques et dynamique. Tous ces r´esultats sont ´e