Capteur photonique intégré sur verre pour la détection de viabilité bactérienne en milieu aqueux pollué

Soutenance de thèse de Mathilde GARDIES, pour une thèse de doctorat de l'Université Grenoble Alpes, spécialité  " OPTIQUE et RADIOFREQUENCES  "

Résumé :
Les biocapteurs photoniques intégrés tirent parti de la sensibilité accrue des microstructures et leur principe de détection repose sur la modulation des propriétés de la lumière, telles que l’intensité, la phase ou la longueur d’onde. La détection par couplage évanescent de microparticules sélectivement piégées à la surface d’un guide d’onde optique est une solution courante. Cependant, ces capteurs nécessitent généralement des traitements chimiques, potentiellement nocifs et fragiles, de la zone de détection, ce qui limite fortement la nettoyabilité et la régénération du capteur. Cette thèse présente un dispositif photonique intégré sur verre dédié à la détection de la viabilité des bactéries en milieu aqueux. L’application visée est la conception d’un capteur de pollution de l’eau exploitant les bactéries comme sentinelles de la toxicité de l’eau. Pour surmonter les limites de la fonctionnalisation de surface, nous proposons une solution où le tri et le piégeage des bactéries vivantes et mortes sont basés sur la force de diélectrophorèse, induite par des électrodes planaires crénelées an aluminium, intégrées sur un substrat de verre. La détection est réalisée par un guide d’onde optique de surface monomode, situé entre les électrodes, dont la lumière guidée est perturbée par les particules collectées à sa surface. Un modèle est développé pour calculer la diffusion de Mie par des particules en surface d’une telle structure. Cette modélisation semi-analytique est basée sur une approche d’angle complexe afin d’évaluer l’interaction entre un mode guidé de surface et des sphères diélectriques. Dans cette approche, plus rapide que des simulations 3D, une onde incidente évanescente est décrite comme une onde plane subissant une rotation géométrique d’un angle complexe. Ce modèle, pouvant être utilisé pour évaluer les pertes du guide d’onde induites par des microparticules diélectriques placées proche de sa surface, permet d’obtenir une compréhension physique du comportement du signal optique propagé. D’autre part, des mesures effectuées avec des microbilles en polystyrène d’un diamètre de 1 μm montrent que le dispositif peut fournir une discrimination rapide de l’ordre de la minute des concentrations allant de 1,36×10^8 à 4,55×10^8 particules/μL et espacées d’environ 4,55×10^7 particules/μL.Des premiers tests ont été effectués avec des bactéries E. coli vivantes et mortes. Ils ont prouvé que le dispositif est efficace pour discriminer les bactéries en fonction de leur viabilité, elles présentent des fréquences de bascule différentes vis-à-vis de la diélectrophorèse. La détection optique des bactéries piégées a également été démontrée pour une solution de 1,5×10^6 bactéries/μL dans de l’eau désionisée. Le modèle analytique est ensuite comparé à ces résultats expérimentaux.

Membres du jury :

• Elise GHIBAUDO , PROFESSEURE DES UNIVERSITES - Université Grenoble Alpes : Directeur de thèse
• Christelle MONAT, PROFESSEURE DES UNIVERSITES - Ecole Centrale de Lyon : Rapporteur
• Luiz POFFO, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Université de Limoges : Rapporteur
• Marie  FRENEA-ROBIN, PROFESSEURE DES UNIVERSITES - Université Claude Bernard Lyon 1 : Examinateur
• Julien  POETTE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES -  Grenoble INP - UGA : Examinateur
• Davide BUCCI , MAITRE DE CONFERENCES HDR - Université Grenoble Alpes : CoDirecteur de thèse