Instriumentation bimodale pour la détection et l'identification de biomolécules par imagerie plasmonique et spectroscopie Raman amplifiées par nanostructuration – PIRANEX

Ce projet est focalisé sur l’étude, théorique et expérimentale, des propriétés optiques uniques de nanostructures d'or et de leur valorisation dans la conception de nouveaux dispositifs photoniques et plus précisément plasmonique. En effet, de telles nanostructures, après une bio-fonctionnalisation adéquate les transformant en biopuces, seront insérées dans un instrument optique afin d’en améliorer significativement les performances en tant que biocapteurs. Afin de réaliser une percée dans cette technologie, le projet démontrera qu'il est possible de profiter simultanément, dans un instrument optique bimodal, de l’amélioration de la sensibilité qui peut être obtenue tant en imagerie de résonance de plasmon de surface, SPRI (Surface Plasmon Resonance Imaging) que par diffusion Raman exaltée de surface, SERS (Surface Enhanced Raman Scattering). Dans le système envisagé, la surface de la biopuce sera en effet simultanément analysée par:
- SPRI, permettant la détection et la quantification en parallèle des bio-cibles capturées, sans marqueurs, en temps réel et à haut débit,
- SERS, permettant l’identification non ambiguë des bio-cibles par analyse spectrales, concentrée uniquement sur les domaines d'intérêt délimités par les données issue du module SPRI.

Des simulations des propriétés électromagnétiques de structures métallo-diélectriques seront conduites sur la base de codes informatiques hybrides, permettant de déterminer des structures optimales en termes de sensibilité en SPRI et d’exaltation électromagnétique locale en SERS. La modélisation prendra en compte de plus en plus de détails afin de se rapprocher des structures réelles.

Ces structures seront fabriquées en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons afin de démontrer expérimentalement leurs propriétés sur des surfaces de dimensions microniques à millimétriques, puis en développant la lithographie non-conventionnelle par nano-impression, afin de réaliser de grandes surfaces utiles, millimétriques à centimétriques, à faible coût pour un usage de routine.

Des fonctionnalisations biochimiques transformeront ces structures en biopuces. Afin de prendre avantage de leur efficacité potentielle, les sondes biomoléculaires seront localisées précisément par rapport aux détails des nanostructures ; en particulier en mettant en œuvre des chimies sélectives sur deux types de matériaux, Au et SiO2, ou en s’appuyant sur les changements de densités surfaciques des couches mono-moléculaires au voisinage des zones angulaires des structures.
Un prototype de système bimodal incluant la détection, la quantification et l’identification par SPRI et SERS sera développé par le partenaire industriel. La démonstration des capacités d’analyse de ce nouveau système, optimisé par nano-structuration pour amplifier les sensibilités, sera faite sur des applications sociétales capitales dans les domaines de la Santé et de la sécurité agro-alimentaire. Deux cas modèles seront étudiés : des biopuces à protéines pour le diagnostic précoce des cancers ainsi que la détection de contaminants biologiques et environnementaux dans la chaîne alimentaire.

Pour atteindre de tels objectifs, un consortium regroupant des acteurs académiques et industriels ainsi qu’un groupe d’utilisateurs finaux s’est formé. Il est composé des groupes de «BioNanoPlasmonique» de l’Institut d’Optique à Palaiseau, du laboratoire Chimie, Structure et Propriétés de Biomatériaux et d’Agents Thérapeutiques de l’Université Paris Nord, de l’Institut d’Électronique Fondamentale et de sa Centrale de Technologies associée de l’Université Paris Sud, et de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon ; tout quatre associé au CNRS. Le partenaire industriel, Horiba Jobin-Yvon, est un des leaders mondiaux dans les systèmes d’analyses biomoléculaires. La validation de l’instrument bimodal sera effectuée par un groupe d’utilisateurs, comprenant plusieurs hôpitaux publics (APHP et CHUs) ainsi que le pôle agro-alimentaire d’excellence Agro-ParisTech.