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Theses Year : 2023

Development of interferometric biosensors on optical fiber assemblies for in vivo application

Développement de biocapteurs interférométriques sur des assemblages de fibres optiques pour des applications in vivo

Abstract

Diagnostics of internal disorders may require imaging techniques like magnetic resonance imaging, computed tomography, or endoscopy. Endoscopy is a minimally invasive technique widely used for in-vivo tissue imaging. However, it provides only visual examination and no biochemical information. The project attempts to improve the endoscopy technique by adding a biorecognition feature and creating a tool allowing “real-time optical biopsy”. Such a tool could bring significant progress in the medical field and help doctors diagnose diseases faster. In this context, this thesis aims to contribute to the development of new biosensors on optical fiber bundles of a micrometric size capable of real-time remote measurements and label-free multiple analyses.To reach this goal, we propose a device design that consists of an optical fiber bundle on top of which are deposited two thin layers: an internal reflecting layer and a cavity. The detection principle is based on interferometry. By functionalizing the optical fiber bundle surface with biological probes, molecular interactions with target analytes can be followed through the modulation of the interferences.Thanks to the simulating of the interference phenomenon occurring at the fiber end, we have determined the geometrical and optical parameters of interferometric layers that give the optimal performance of the sensor to detect changes in the refractive index of the sensing medium.Then, fiber bundles with appropriate deposited interferometric layers were produced. They underwent optical characterization to examine the actual performance regarding spectral response, sensitivity, and resolution to the refractive index variation.The experimental results were compared with the simulation showing agreement between the two approaches.After that, surface chemistries adapted to the composition of interferometric layers, like aminosilanization, were investigated and adapted to the geometry and size of the fiber bundle.Finally, the successfully functionalized fiber bundles with several different probes were used to demonstrate the proof-of-concept of real-time remote multiplexed biomolecular detection.
Poser un diagnostic nécessite parfois l’utilisation de techniques d'imagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (CT) ou l'endoscopie. L'endoscopie est une technique peu invasive, largement répandue, dédiée à l’imagerie tissulaire in vivo. Cependant, elle fournit uniquement un examen visuel sans aucune information biochimique. Le projet vise à améliorer la technique d'endoscopie en y associant une fonction de bio-reconnaissance et à créer un outil capble de réaliser une "biopsie optique en temps réel". Un tel outil pourrait apporter des progrès significatifs dans le domaine médical et aider les médecins à diagnostiquer les maladies plus rapidement. Dans ce contexte, cette thèse vise à contribuer au développement de nouveaux biocapteurs sur des assemblages de fibres optiques de taille micrométrique capables de réaliser des analyses multiplexées, à distance, en temps reel, et sans marquage.Pour atteindre cet objectif, nous proposons un dispositif constitué d'un assemblage de fibres optiques sur lequel sont déposées deux couches minces : une couche interne réfléchissante et une cavité. Le principe de détection est basé sur l'interférométrie. En fonctionnalisant la surface de l’assemblage de fibres avec des sondes biologiques, les interactions moléculaires avec leurs cibles peuvent être suivies via la modulation des interférences.Grâce à la simulation du phénomène d'interférences se produisant à l'extrémité de chaque fibre, nous avons déterminé les paramètres géométriques et optiques des couches interférométriques conférant au capteur une performance optimale pour détecter les changements d'indice de réfraction du milieu analysé.Par la suite, des assemblages de fibres ayant des couches interférométriques appropriées ont été produits. Ils ont ensuite fait l'objet d'une caractérisation optique pour déterminer leur performance réelle en terme de réponse spectrale, sensibilité et résolution aux variations d'indice de réfraction.Les résultats expérimentaux ont été comparés à la simulation, ce qui a permis de constater la concordance entre les deux approches.Ensuite, des chimies de surface, adaptées à la composition des couches interférométriques, comme l'aminosilanisation, ont été étudiées et adaptées à la géométrie et à la taille des assemblages de fibres.Enfin, des assemblages de fibres ayant été fonctionnalisés avec succès à l’aide de plusieurs sondes différentes ont été utilisés pour démontrer la preuve de concept de la détection biomoléculaire multiplexée à distance et en temps réel.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04433507 , version 1 (02-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04433507 , version 1

Cite

Oleksii Bratash. Development of interferometric biosensors on optical fiber assemblies for in vivo application. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY040⟩. ⟨tel-04433507⟩
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