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Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710)
Edition 2015


CLIPO


Platerforme nanophotonique clipsable pour la biodétection

Plateforme optique clipsable pour la biodétection
Le projet CLIPO (plateforme optique CLIPsable pour la biOdétection) vise la réalisation d'un système de biodétection sans lentille et bas coût pour des applications de criblage moléculaire compatibles avec le point-of-care.

Contexte et défis de CLIPO
Le criblage moléculaire à haut-débit est un outil indispensable pour le diagnostic précoce (cancers ou maladies contagieuses par exemple). Il existe des enjeux sociétaux et des intérêts économiques énormes pour le développement de systèmes de diagnostic bas coût, à la fois dans les pays en voie de développement où il est crucial de prévenir les épidémies, et dans les pays développés où les dépenses de santé sont en forte croissance. Le projet CLIPO vise le développement et la démonstration d’un système optique portatif bas coût permettant une biodétection multiple parallèle, fiable et sans marqueur, et offrant un fort potentiel pour repousser les limites de sensibilité actuellement rencontrées dans les systèmes existants. Le cœur du système est une puce optique jetable et clipsable, constituée d’un réseau de capteurs nanophotoniques. Tous les capteurs du réseau sont illuminés simultanément par une source VCSEL étendue (@948nm), et leur réponse est lue en transmission sur une caméra CCD (voir figure). Un tel système soulève 3 défis majeurs : le premier dans le domaine de la photonique, où il s’agit de concevoir et de réaliser une puce de capteurs démontrant à la fois de grandes figures de mérite pour la biodétection et un faible crosstalk entre capteurs ; le second est technologique et biochimique, puisque la sensibilité et la fiabilité du système dépendent fortement de la reproductibilité des réponses des capteurs à l’échelle de la puce ; le troisième est plutôt économique, puisqu’il s’agit d’obtenir de hautes performances de biodétection tout en proposant des solutions optiques compatibles avec les systèmes portatifs bas coût (illumination, détection, alignement) et les puces de capteurs bas coût (matériaux et fabrication).

Approches et stratégies
La stratégie proposée pour la puce de capteurs est d’exploiter les cristaux photoniques afin de concevoir des capteurs à hautes performances, compacts et adressables par la surface. Les dispositifs sont sensibles aux variations d’indice de réfraction induites par les évènements de bio-reconnaissance moléculaire en présence d’analytes ; de telles variations entrainent des décalages de la résonance des capteurs, qui peuvent être détectés dans le signal transmis. La longueur d’onde de travail est fixée vers 950 nm, ce qui permet de bénéficier des faibles coûts des composants optiques : une source VCSEL unique et un imageur CCD. En termes de fabrication, the système de matériaux choisi est basé sur du SOI (silicon-on-insulator), de manière à bénéficier des avantages des technologies de micro-fabrication silicium : grandes performances et production de masse. Ces choix entrainent différents défis pour les puces nanophotoniques, en particulier la conception de capteurs à cristaux photoniques sur silicium ayant de grandes performances dans la gamme d’absorption du matériau, ou encore la réalisation de dispositifs présentant des dimensions critiques qui repoussent les limites des techniques de lithographie standard. Afin de relever ces défis, des études poussées des solutions optiques et technologiques sont effectuées, et des voies alternatives sont également explorées.

Résultats

Les premières réalisations du projet CLIPO sont en cours de valorisation et seront détaillées ultérieurement.

Perspectives

The projet CLIPO a un fort impact potentiel dans plusieurs domaines. Outre les avancées et l’exploration d’idées nouvelles en photonique, les développements technologiques effectués dans le cadre du projet vont repousser les limites de faisabilité des dispositifs. En particulier, la reproductibilité nanométrique à large échelle est un facteur très limitant qui impose souvent des niveaux de complexité supplémentaires, par exemple pour l’ajustement fin des propriétés des composants post-fabrication, et l’amélioration de la reproductibilité devrait conduire à une conception et une fabrication de dispositifs plus simples et moins couteuses. Dans le cas particulier de l’application au criblage biomoléculaire, le projet CLIPO devrait également aboutir à des avancées importantes puisque les systèmes actuels du même type souffrent de limitations dues aux compromis entre performances de biodétection, compacité et coût du matériel. D’un point de vue purement « recherche », les approches et les procédés expérimentaux développés ici pourront être exploités et appliqués à des « cas réels » de criblage biomoléculaire, qui pourront être utiles aux activités de recherche fournies dans le domaine des marqueurs de maladies par exemple. D’un point de vue plus économique, les travaux effectués dans le projet et le démonstrateur final devraient constituer une base pour le développement de systèmes optiques complètement intégrés et portables, avec des applications directes comme outils de diagnostic point-of-care (POC). Ici l’expérience d’Avalun dans le développement de dispositifs POC sera essentielle pour le transfert d’une première preuve de concept vers un premier produit. La retombée directe pour le partenaire industriel sera l’ouverture d’un nouveau marché potentiel.

Productions scientifiques et brevets

N. Gaignebet, A. Pasecan, L. Berguiga, T. Benyattou, C. Jamois, “Demonstration of slow Bloch mode cavity sensors”, Poseidon Summer School “Photonics for Health”, 18-22 juin 2017, San Martino di Castrozza, Italie N. Gaignebet, A. Pasecan, L. Berguiga, T. Benyattou, C. Jamois, “Demonstration of slow Bloch mode cavity sensors”, IQP Winter School, 26 mars – 1er avril 2017, Trento, Italie

Partenaires

Avalun Avalun

CEA-LETI-DOPT CEA-LETI, Département d'Optronique

INL - CNRS Institut des Nanotechnologies de Lyon

Aide de l'ANR 540 474 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2015 - 42 mois

Résumé de soumission

Le criblage moléculaire à haut débit est un outil essentiel pour le dépistage précoce de maladies comme le cancer ou les maladies infectieuses. Les intérêts économiques et sociétaux pour le développement de systèmes de diagnostic bas coût sont énormes, autant dans les pays en voie de développement pour la prévention d’épidémies que dans les pays développés où les frais de santé deviennent problématiques. Le Projet de Recherche Collaborative Entreprise CLIPO vise la mise au point d’un système de dépistage optique sans marqueur répondant aux besoins en terme de fiabilité, de coûts et de compacité, tout en offrant le potentiel de dépasser largement les limites actuelles de sensibilité.
Le cœur du système est une puce optique jetable et clipsable, compatible avec une lecture sur caméra sans lentille, et constituée d’un réseau de biocapteurs nanophotoniques. Les capteurs sont séparés par des barrières assurant une forte isolation optique pour garantir un bon rapport signal-sur-bruit en détection et un faible crosstalk entre capteurs. La stratégie choisie pour de grandes performances optiques est l’exploitation de cristaux photoniques pour la réalisation parallèle des capteurs et des barrières. La puce clipsable sera basée sur les technologies silicium pour viser des coûts faibles et une production de masse.
Les cristaux photoniques peuvent supporter des résonances très fines et très sensibles à la présence d’analyte, garantissant ainsi de hautes performances. Le principe du système est basé sur la détection d’une forte variation du signal transmis lors du greffage des biomolécules, avec pour objectif une lecture simultanée de toute la puce de capteurs. Le système visé devra donc combiner une illumination homogène de toute la puce et un suivi fiable des variations de résonance pour chaque capteur via l’imagerie des signaux transmis sur une matrice de détecteurs.
Les objectifs principaux du projet sont le design et la validation d’une puce photonique répondant au cahier des charges qui sera défini pour le système optique, la démonstration de la puce pour la biodétection et l’optimisation de ses performances, et enfin le développement d’un système optique complet compatible avec des solutions portatives et rentables. Ces objectifs soulèvent 3 grands challenges : le premier se situe dans le domaine de la photonique et concerne le design et la démonstration d’une puce présentant simultanément de grandes figures de mérite pour la biodétection et une forte isolation optique entre les capteurs ; le deuxième est à la fois technologique et biochimique, car la sensibilité et la fiabilité d’une puce de capteurs dépendent directement de la reproductibilité des réponses des dispositifs au sein de la puce ; le troisième porte sur l’aspect produit, qui devra présenter de hautes performances de biodétection tout en étant compact et rentable à la fois du point de vue du système (illumination, détection, alignement) et de la puce jetable (matériaux et fabrication bas coût).
Afin de garantir le succès du projet, le consortium réunit 3 partenaires très complémentaires, l’INL (photonique et biodétection), le Leti (technologie, systèmes optiques) et la spin-out Avalun (cahier des charges et preuve de concept). Le programme de travail est divisé en 3 tâches interactives : tâche 1 « puce photonique » vise le design, la réalisation et l’optimisation optique des puces de capteurs ; tâche 2 « biodétection » vise une démonstration puis l’optimisation biologique et chimique des puces pour la biodétection ; tâche 3 « système optique » vise à définir le cahier des charges du système en termes de solutions, composants optiques et tolérances, et conduira à la démonstration finale du système de biodétection complet.
En conclusion, le projet présente un fort impact potentiel dans de multiples domaines, dont la photonique fondamentale et appliquée, les micro-technologies, la chimie de surface, la biodétection sans marqueur, ainsi que les outils de diagnostic compacts.

 

Programme ANR : Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710) 2015

Référence projet : ANR-15-CE24-0019

Coordinateur du projet :
Madame Cécile Jamois (Institut des Nanotechnologies de Lyon)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.