Dispositifs semi-conducteurs pour biodétection photonique et imagerie hyperspectrale

La création d 'un microsystème d'analyse biochimique, capable de livrer des diagnostics préliminaires sur la quantification d'éléments pathogènes, est un défi multidisciplinaire ayant un impact potentiel important sur la majorité des activités humaines en santé et sécurité. En effet, un dispositif intégré, peu dispendieux et livrant des résultats facilement interprétables, permettrait une vulgarisation des capacités de biodétection à travers différents domaines d'applications sociétaires et industriels. Le présent document se concentre sur l'intégration monolithique d'une méthode de biocaractérisation dans le but de générer un transducteur miniaturisé et efficace, élément central d'un microsystème de détection. Le projet de recherche ici présenté vise l'étude de l'applicabilité d'un capteur plasmonique intégré par l'entremise de nanostructures semi-conductrices aux propriétés quantiques et luminescentes. L'approche présentée est globale; c'est-à-dire qu'on vise à répondre aux questions fondamentales impliquant la compréhension des phénomènes photoniques, le développement et la fabrication des dispositifs, les méthodes de caractérisations possibles ainsi que l'application d'un transducteur SPR intégré à la biodétection. En d'autres termes : dans quelles circonstances et comment un transducteur plasmonique intégré doit-il être réalisé pour l'application à la détection délocalisée d'éléments pathogènes? Dans le but d'engendrer un instrument simple à l'échelle de l'usager, l'intégration de la connaissance à l'échelle du design est donc effectuée. Ainsi, des capteurs plasmoniques monolithiques sont conçus à l'aide de modèles théoriques ici présentés. Un instrument de mesure hyperspectrale conjuguée permettant de cartographier directement la relation de dispersion des plasmons diffractés a été construit et testé. Cet instrument est employé à la cartographie d'éléments de diffusion. Finalement, une démonstration du fonctionnement du dispositif, appliquée à la biocaractérisation d'événements simples, tels que l'albumine de sérum bovin et la détection d'une souche spécifique d'influenza A est livrée. Ceci répond donc à la question de faisabilité d'un nanosystème plasmonique applicable à la détection de pathogènes

Études sur les architectures d'or-semiconducteur pour la photoluminescence assitée par plasmons de surface

Abstract : Surface plasmons polaritons on metal-semiconductor architecture can play a significant role in nanobiodetection. Those surface plasmons properties are particularly ideal for surface sensing. The general idea of the project is the conception of a biodetector, which probing mechanism is the resonance of surface plasmon polaritons (SPs) with light emitted by the semiconductor substrate via photoluminescence (PL). The measured signal is surface plasmon assisted PL, modulated by presence of biomolecules in the vicinity of the gold film. In addition, surface chemistry of the gold-thiol interface is utilized prior to biofunctionalization, allowing a selective design for the ultra-sensitive detection of different biomolecules. The presented architectures promise strong selectivity, through surface functionalization and enhanced sensivity, from SPs based measurements. The devices fabrication processes are kept simple to offer the benefits of integrated microstructures: miniaturisation, mass fabrication, easy operation and self-alignment between the source and the sensing element. The proposed architectures have open active regions in order to allow a continuous probing and, in addition to be self-referential systems, offer the potential for parallelism, allowing high-throughput screening. Experiments implied the fabrication of subwavelength gold gratings, within an architecture built on a GaAs/AlGaAs heterostructure substrate. Efficient architectures for the integrated infrared SP-PL coupling were designed, built, characterised and their properties analysed to achieve an extensive understanding of the physical processes implied in these integrated biosensors. The research hereby presented is based on very innovative biosensing techniques, on which only very a small amount of literature exists. The experimental and theoretical works presented have therefore been very exploratory and the initial results even went against preliminary expectations. Nonetheless, theoretical details have been developed afterwards to describe the origin of the obtained results and allowed to establish, in a convincing manner, the procedure to follow for an optimal architecture. Critical parameters where identified and their inter-relations established through experimental results and a second round of theoretical analysis. Subsequently, final measurements showed a strong correlation with the latest theoretical model. // Résumé : Les plasmons polaritons de surface à l’interface de métaux et semiconducteurs peuvent jouer un rôle majeur dans la nanobiodetection de surface, étant donné leur extrême localisation surfacique. L’idée générale du projet consiste en la conception d’un biodetecteur, dont le mécanisme de sonde est la résonance par plasmons de surface (PS) avec la lumière émise par le substrat semiconducteur, via sa photoluminescence (PL). Le signal mesuré est la PL assistée par plasmon de surface, modulée par la présence de biomolécules à la proximité d’une mince couche d’or. De plus, la chimie de surface des thiols avec l’interface d’or est utilisée pour la biofonctionnalisation du système, engendrant un dispositif sélectif dont l’ultra sensitivité permet la détection de différentes biomolécules. Les architectures présentées promettent une forte sélectivité, à travers la fonctionnalisation de surface, ainsi qu’une sensitivité accrue, grâce aux mesures basées sur les PS. Les procédés de fabrication des dispositifs sont gardés simples pour offrir les bénéfices des microstructures intégrées: miniaturisation, fabrication de masse, opération facile ainsi que l’auto-alignement entre la source et l’élément senseur. Les architectures proposées ont leurs régions actives ouvertes à l’environnement, pour permettre des mesures en continu et en plus d’être des systèmes autoréférentiels, offrent un potentiel de mesures en parallèle, pour un grand nombre de mesures en simultanées. Les expériences présentées impliquent la fabrication de réseaux d’or, à l’intérieur d’architectures construites sur une hétérostructure de GaAs/AlGaAs. Des dispositifs efficaces pour le couplage intégré de PS-PL infrarouge ont été conçus, construits, caractérisés et leurs propriétés analysées pour atteindre une compréhension étendue sur les procédés physiques impliqués dans ce biosenseur intégré. La présente recherche est basée sur des techniques très innovatrices de biocapteurs pour lesquelles il existe peu de littérature. Les travaux expérimentaux et théoriques se révèlent ainsi de nature très exploratoire et les résultats préliminaires obtenus ont d’ailleurs été a l’encontre des prédictions initiales. Cependant, les détails théoriques développés a posteriori permettent de comprendre l’origine des résultats obtenus et d’établir, de manière convaincante, les procédures à suivre pour une architecture optimale. Les paramètres critiques ont été identifiés et leurs interrelations établies à travers des résultats expérimentaux ainsi qu’une seconde analyse théorique. Subséquemment, des mesures finales ont démontré une forte corrélation avec le dernier modèle théorique établi

Dispositifs semi-conducteurs pour biodétection photonique et imagerie hyperspectrale

La création d 'un microsystème d'analyse biochimique, capable de livrer des diagnostics préliminaires sur la quantification d'éléments pathogènes, est un défi multidisciplinaire ayant un impact potentiel important sur la majorité des activités humaines en santé et sécurité. En effet, un dispositif intégré, peu dispendieux et livrant des résultats facilement interprétables, permettrait une vulgarisation des capacités de biodétection à travers différents domaines d'applications sociétaires et industriels. Le présent document se concentre sur l'intégration monolithique d'une méthode de biocaractérisation dans le but de générer un transducteur miniaturisé et efficace, élément central d'un microsystème de détection. Le projet de recherche ici présenté vise l'étude de l'applicabilité d'un capteur plasmonique intégré par l'entremise de nanostructures semi-conductrices aux propriétés quantiques et luminescentes. L'approche présentée est globale; c'est-à-dire qu'on vise à répondre aux questions fondamentales impliquant la compréhension des phénomènes photoniques, le développement et la fabrication des dispositifs, les méthodes de caractérisations possibles ainsi que l'application d'un transducteur SPR intégré à la biodétection. En d'autres termes : dans quelles circonstances et comment un transducteur plasmonique intégré doit-il être réalisé pour l'application à la détection délocalisée d'éléments pathogènes? Dans le but d'engendrer un instrument simple à l'échelle de l'usager, l'intégration de la connaissance à l'échelle du design est donc effectuée. Ainsi, des capteurs plasmoniques monolithiques sont conçus à l'aide de modèles théoriques ici présentés. Un instrument de mesure hyperspectrale conjuguée permettant de cartographier directement la relation de dispersion des plasmons diffractés a été construit et testé. Cet instrument est employé à la cartographie d'éléments de diffusion. Finalement, une démonstration du fonctionnement du dispositif, appliquée à la biocaractérisation d'événements simples, tels que l'albumine de sérum bovin et la détection d'une souche spécifique d'influenza A est livrée. Ceci répond donc à la question de faisabilité d'un nanosystème plasmonique applicable à la détection de pathogènes

Miniaturized Quantum Semiconductor Surface Plasmon Resonance Platform for Detection of Biological Molecules

biosensor

Plasmonic propagations distances for interferometric surface plasmon resonance biosensing

Abstract A surface plasmon resonance (SPR) scheme is proposed in which the local phase modulations of the coupled plasmons can interfere and yield phase-sensitive intensity modulations in the measured signal. The result is an increased traceability of the SPR shifts for biosensing applications. The main system limitation is the propagation distance of the coupled plasmon modes. This aspect is therefore studied for thin film microstructures operating in the visible and near-infrared spectral regions. The surface roughness of the substrate layer is examined for different dielectrics and deposition methods. The Au layer, on which the plasmonic modes are propagating and the biosensing occurs, is also examined. The surface roughness and dielectric values for various deposition rates of very thin Au films are measured. We also investigate an interferometric SPR setup where, due to the power flux transfer between plasmon modes, the specific choice of grating coupler can either decrease or increase the plasmon propagation length.</p

Quantum Electrostatic Model for Optical Properties of Nanoscale Gold Films

The optical properties of thin gold films with thickness varying from 2.5 nm to 30 nm are investigated. Due to the quantum size effect, the optical constants of the thin gold film deviate from the Drude model for bulk material as film thickness decreases, especially around 2.5 nm, where the electron energy level becomes discrete. A theory based on the self-consistent solution of the Schrödinger equation and the Poisson equation is proposed and its predictions agree well with experimental results

Quantum Semiconductor Biosensing

Grande Conférence du RQMP (Regroupement Québécois des matériaux de pointes) Montréal, CanadaAt the UdeS Laboratory for Quantum Semiconductors and Photon-based BioNanotechnology, we have been developing a quantum semiconductor (QS) technology with the goal to deliver innovative biosensing devices for remote installation applications. Two approaches undertaken by our group concern photonic biosensing based on: a) Photoluminescence (PL) from III-V QS, and b) Surface Plasmon Resonance (SPR) induced by PL emission from QS