Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Abstract

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

This research aims at developing a multiplexed biosensor for protein detection based on the nanohole array technology. Gold nanohole arrays exhibit distinct plasmonics properties depending on the excitation mode of the surface plasmon polaritons (SPPs). The interest of working with nanohole arrays is related to their high sensitivity, ease of fabrication and simple setup of excitation in transmission. The architecture of nanohole arrays leads to a nanostructure having multiple plasmonics properties. The intensity, the spectral signature and the sensitivity of the plasmonic signal were highly affected by the shape of the nanohole arrays. Varying the diameter of the holes, the periodicity and the metallic composition of the array were used to optimize the plasmonic signal. The optimal structure was found to have a periodicity of 1000 nm, a diameter of 600-650 nm and a metallic film with a thickness of 125 nm of gold. Such a transducer exhibits a bulk refractive index sensitivity of 500-600 nm/RIU for plasmonic bands absorbing around 600-700 nm. Surface plasmon resonance (SPR) in the Kretschmann configuration and enhanced optical transmission (EOT) mode were compared using large gold nanohole arrays (1000 nm periodicity, 600 nm diameter and 125 nm depth) in order to assess their relative analytical performance. Biodetection of IgG was found to be 6 times more sensitive with SPR in the Kretschmann configuration than in EOT mode for the same structure. The decay length of the electromagnetic field in EOT mode was determined experimentally to be around 140 nm with a layer-by-layer polyelectrolyte deposition. This results suggests that the plasmonic properties of EOT for nanohole arrays is much more associated to a Bloch wave SPPs mode rather than a localized SPR. Variation of the incident angle of excitation of the BW-SPPs in transmission leads to a higher surface sensitivity for the (1,0) diffraction mode for gold nanohole arrays of 820 nm periodicity. Optimization of the physical properties and the excitation angle of the nanohole arrays is essential in order to develop a transducer having a potential towards multiplexed biosensors.