Development of optofluidic fiber-based SERS platform for efficient biosensing applications
Développement d'une plateforme SERS basée sur des fibres optofluidiques pour des applications de biosensibilité efficaces
Résumé
Current methods for disease detection, such as traditional tissue and liquid biopsies, often face challenges related to invasiveness, limited sensitivity, and lengthy procedures, which can impede early diagnosis and effective treatment. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) offers a promising alternative due to its non-invasive nature, high sensitivity, and ability to detect trace levels of biomarkers with specificity. However, conventional SERS platforms struggle with issues of reproducibility and practicality. This thesis investigates the use of photonic crystal fibers (PCFs) as innovative sensors for SERS, addressing these challenges and enhancing its application in biosensing and medical diagnostics. PCFs offer increased interaction surfaces and reliability compared to traditional planar substrates, enabling effective analyte detection crucial for early diagnostics. Through the optimization of tapered PCFs, we achieve improved light coupling efficiency and measurement consistency, balancing core size to enhance both sensitivity and reproducibility. The development of a plug-and-play SERS sensing system further enhances usability and consistency, proving its practicality for real-world clinical applications. In addition to fiber design, the research delves into the relationship between nanoparticle (NP) properties and SERS signal enhancement. Experimental investigations identified 60 nm gold nanospheres as the most efficient shape for providing consistent and superior SERS performance. Our analysis shows that anchoring NPs within the fibers prevents aggregation, maintaining their plasmonic properties essential for reliable SERS performance. Numerical simulations validate that these NPs offer optimal electric field enhancement relative to absorption, making them particularly effective for SERS applications. Practical applications of SERS-based PCFs are demonstrated in detecting disease biomarkers, such as TNF-alpha, using a novel sandwich-based approach. Future research will continue to expand these applications to more complex targets, such as extracellular vesicles, increasing the impact of SERS-based PCFs in medical diagnostics.
Les méthodes actuelles de détection des maladies, telles que les biopsies traditionnelles de tissus et de liquides, rencontrent souvent des défis liés à l'invasivité, à la sensibilité limitée et à la durée des procédures, ce qui peut entraver le diagnostic précoce et le traitement efficace. La Spectroscopie Raman exaltée de Surface (SERS) offre une alternative prometteuse grâce à sa nature non invasive, sa haute sensibilité et sa capacité à détecter des niveaux traces de biomarqueurs avec spécificité. Cependant, les plateformes SERS conventionnelles rencontrent des problèmes de fiabilité des mesures. Cette thèse explore l'utilisation de fibres à cristaux photoniques (PCFs) comme capteurs innovants pour SERS, abordant ces défis et améliorant son application dans la biodétection et le diagnostic médical. Les PCFs offrent des surfaces d'interaction accrues et une fiabilité supérieure par rapport aux substrats planaires traditionnels, permettant une détection efficace des analytes cruciale pour les diagnostics précoces. Grâce à l'optimisation des PCFs effilées, nous obtenons une meilleure efficacité de couplage de la lumière, en équilibrant la taille du cœur pour améliorer à la fois la sensibilité et la reproductibilité. La mise au point d'un système de détection SERS plug-and-play simplifie l'utilisation, démontrant ainsi son efficacité pour les applications cliniques pratiques. En plus de la conception des fibres, la recherche explore la relation entre les propriétés des nanoparticules (NP) et l'amélioration du signal SERS. Des investigations expérimentales ont identifié les nanosphères d'or de 60 nm comme la forme la plus efficace pour offrir des performances SERS constantes et supérieures. Notre analyse montre que l'ancrage des NP à l'intérieur des fibres empêche leur agrégation, préservant ainsi leurs propriétés plasmoniques essentielles pour une performance SERS fiable. Des simulations numériques valident que ces NPs offrent un renforcement optimal du champ électrique par rapport à l'absorption, les rendant particulièrement efficaces pour les applications SERS. Les applications pratiques des PCFs basés sur SERS sont démontrées dans la détection de biomarqueurs de maladies, tels que le TNF-alpha, en utilisant une approche innovante basée sur le sandwich. Les recherches futures continueront à élargir ces applications à des cibles plus complexes, telles que les vésicules extracellulaires, augmentant ainsi l'impact des PCFs basés sur SERS dans le diagnostic médical.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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