Fonctionnalisation de guides d'onde chalcogénures pour la détection de spores phytopathogènes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Functionalization of chalcogenide waveguides for phytopathogenic spores detection

Fonctionnalisation de guides d'onde chalcogénures pour la détection de spores phytopathogènes

Résumé

The spreading of phytosanitary inputs in fields comprise a significant part of preventive treatment. Indeed, the symptomatic dead spot on plant leaves only appears one or two weeks after primary infection. In order to reduce unnecessary use of hazardous chemistry, efforts for early detection of plant diseases are demanded. Scientific research can challenge the design of fungi spores micro-sensors, detecting the apparition of phytopathogens and monitoring the epidemic development of the disease. The sensor we propose is constructed of Ge-Se-Te chalcogenide RIB waveguide : the analytes falling on the detector surface interact with the evanescent field of the propagating light, and therefore alter it. The main difficulty of such a detection strategy is to provide selectivity. How could we immobilized pathogenic spores on the chalcogenide waveguides? How to detect spores among all particles from aerosol?To provide selectivity to the sensing system, we aimed to functionalize the Ge-Se-Te waveguides with a new surface chemistry providing high affinity towards fungi spores. We identified two routes of functionalization : with peptides and with organosilane precursors. Peptides bond the surface thanks to several weak interactions, while organosilane bind the Ge-Te-Se by forming a Te-O-Si covalent group. We demonstrated specific capture of the analyte thank to the biotin-streptavidin complex.The literature search indicates, the wettability as a key parameter for spores immobilization on artificial surfaces. Hydrophobic spores rather immobilize onto hydrophobic surfaces, such as plants leaves. Therefore, in a mimetic approach we used the silanization route to modify the surfaces, with two new precursors. Tetraethoxysilane provide hydrophilic behavior to the chalcogenide, whereas Octyl-trimethoxysilane provide hydrophobic behavior to the chalcogenide. We were able to demonstrate a higher rate of spores’ immobilization on the hydrophobic chalcogenide, as expected.To go further and increase sensitivity, we also propose a new strategy for selective functionalization of the waveguide surfaces. Indeed, not all of the spores are immobilized inside the evanescent field. We achieved a selective functionalization of the sensor components, between active and non-active areas. We’ve rendered more hydrophobic the waveguides than the surrounding non active area. The spores test immobilization demonstrates higher concentration near the waveguide, where the evanescent field is located, suggesting higher sensitivity.We conclude our study by the optical investigation of spores of Magnaporthe oryzae, also known as the rice blast fungus. The difficulty is that in free space, such micrometric fungi cells cause intense scattering in the near-infrared region (1-2.5µm). This phenomema, well explained by the Mie theory, could hinder the spore detection. Nevertheless, we still could demonstrate the spores detection with the chalcogenide waveguide and the optical set-up build for the near-infrared region (1-2.5µm), although, the optical signature of spores is not yet optimized. We further propose to work in the mid-infrared spectrum region (2.5-15µm), where numerous specific absorption events occur. Detection with such wavelengths should provide information enough for bio-particles identification.
Les maladies fongiques des plantes sont causées par des champignons dont la présence sur les exploitations agricoles nécessite des traitements fongicides préventifs. En effet, ces parasites se propagent rapidement, et les signes visibles sur les exploitations - comme la présence de tâches sur les feuilles - n’apparaissent que plusieurs jours après l’infection. La réduction de l’utilisation de ces produits phytosanitaires passe donc par une détection plus précoce des maladies. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse, dont l’objectif est d’étudier la faisabilité de micro-capteurs optiques pour détecter les spores des champignons phytopathogènes. Les spores sont en effet responsables de l’infection primaire et de la propagation des maladies, et constituent donc naturellement la cible privilégiée. Les briques de base des micro-capteurs optiques envisagés sont des guides d’onde rubans de structure RIB à base de couches minces chalcogénures Ge-Se-Te. Le principe de détection repose sur l'interaction entre les spores immobilisées sur les guides et l'onde évanescente qui se propage à leur surface. Cette interaction est en effet susceptible de modifier la transmission du signal infrarouge à travers les guides, notamment via des phénomènes d’absorption ou de diffusion. La difficulté de cette stratégie réside dans la sélectivité de la mesure. Quelle chimie de surface peut permettre l’immobilisation sélective des spores d’un champignon à risque ? Comment distinguer les spores d'un pathogène du reste de l'aérosol ?Pour répondre à la première question, la fonctionnalisation des couches Ge-Se-Te a été étudiée. Deux familles de précurseurs ont été identifiées : (i) les peptides, qui s’accrochent aux chalcogénures via de multiples interactions faibles, et (ii) les organosilanes, qui s’accrochent de façon covalente, vraisemblablement via la formation de groupements Te-O-Si. D’après la littérature, les spores des maladies fongiques s’immobilisent préférentiellement sur les surfaces hydrophobes : nous avons donc ensuite modifié le caractère hydrophile-hydrophobe des couches minces Ge-Se-Te via les précurseurs organosilanes. Les tests d’immobilisation ont, comme attendu, démontré une plus forte affinité des spores pour les couches rendues plus hydrophobes. Nous avons alors élaboré deux protocoles permettant de rendre les guides d’onde plus hydrophobes d’une part, et les zones situées entre deux guides d’onde voisins plus hydrophiles d’autre part. Les tests d’immobilisation des spores ont montré que ces deux protocoles permettaient bien d’augmenter le taux de spores immobilisées sur les guides d’onde. Pour répondre à la deuxième question, nous nous sommes ensuite intéressés à l’analyse spectrale des spores de Magnaporthe oryzae (responsable de la pyriculariose du riz). En espace libre, l’étude dans la gamme du proche infrarouge (1-2,5 µm) a mis en évidence un phénomène de diffusion de Mie très important. Il sera donc difficile d’obtenir des capteurs sélectifs à partir de l’exploitation de ces seuls spectres de diffusion. Le domaine de moyen-infrarouge (2,5-15 µm) s’est avéré plus intéressant, révélant de nombreuses absorptions spécifiques. Nous avons conclu ce travail par l’étude de la réponse optique des guides d’onde vis-à-vis du dépôt de spores de Magnaporthe oryzae sur leur surface, dans la gamme de longueurs d’onde 1-2,5 µm. Il a été démontré que le dépôt de ces spores perturbait le spectre en transmission. Cette perturbation de faible intensité - expliquant 0,015 % des variations observées - a été mise en évidence grâce à une analyse en composantes principales. Ce résultat est certes encourageant, mais il sera nécessaire d’augmenter la sensibilité des micro-capteurs : en optimisant le caractère hydrophile/hydrophobe de leur surface, leur géométrie, et en stabilisant l’injection de la lumière en face d’entrée. L’utilisation du moyen infrarouge permettra ensuite d’aller vers des micro-capteurs sélectifs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03765656 , version 1 (31-08-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03765656 , version 1

Citer

Bruno Robert. Fonctionnalisation de guides d'onde chalcogénures pour la détection de spores phytopathogènes. Matériaux. Université Montpellier, 2021. Français. ⟨NNT : 2021MONTS089⟩. ⟨tel-03765656⟩
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