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Sujet de thèse pour contrat doctoral fléché EEATS

Capteur photonique intégré sur verre pour la détection de viabilité bactérienne en milieu aqueux pollué

Les effets néfastes des accidents technologiques et industriels sur la santé et l’environnement  amènent les pouvoirs publics et le secteur privé à fournir des moyens adaptés aux mesures de ces pollutions. L’incendie de l’usine Lubrizol à Rouen a par exemple a mis en évidence la lenteur des techniques actuelles puisqu’il a fallu plusieurs jours pour analyser les premiers échantillons des eaux et sols contaminés.
Le développement de capteurs portables et robustes donnant une image en temps réel de la toxicité de polluants en phase liquide est donc un enjeu majeur. Des solutions basées sur la fonctionnalisation de la zone de détection sont généralement proposée. Mais l’emploi de marquages chromogènes, coûteux et néfastes pour l’environnement¹. pénalisent grandement la durabilité et l’empreinte environnementale de ces capteurs. L’enjeu est donc ici de concevoir un capteur intégré, robuste, facilement nettoyable et ne recourant pas à une fonctionnalisation de la zone sensible.

Dans ce contexte, l’IMEP-LaHC, spécialiste des dispositifs photoniques intégrés²-³ et opto-fluidiques4, s’est associé à des laboratoires aux compétences complémentaires pour proposer une solution intégrée reposant sur une détection de viabilité bactérienne. Les modèles bactériens joueront le rôle de sentinelle de la pollution du milieu analysé. Le consortium est composé de spécialistes de microbiologie (laboratoires LMSM, IGE, COBRA) et de capteurs intégrés (IMEP-LaHC et G2Elab).
Il a pour ambition de concevoir une solution sur substrat de verre, matériau plébiscité par les biologistes afin d‘en exploiter les qualités de robustesse chimique et mécanique. Ce matériau bas coût est de plus bien connu des biologistes.

Le capteur envisagé co-intégrera deux fonctions, optique et électrique, qui évalueront indépendamment et de façon redondante la viabilité de solutions bactériennes contaminées par des polluants.

L’objectif de cette thèse est de travailler sur la conception et l’optimisation de la fonction de détection optique du capteur. Il s’agit d’utiliser une approche originale alliant les atouts de la photonique intégrée sur verre et de la diélectrophorèse (DEP). Un jeu d’électrodes intégrées sur le capteur  permettra d’appliquer une force de diélectrophorèse piégeant les bactéries à détecter sans recourir à une couche de fonctionnalisation additionnelle.

Pour répondre à ce défi, il sera nécessaire de traiter les questions scientifiques suivantes :

• Dimensionner la fonction de piégeage par DEP des bactéries au voisinage du signal optique :
  il s’agira notamment concevoir des électrodes 2D voire 3D permettant de contrôler les gradients de champ électrique.
• Trier des bactéries selon leur viabilité :
  l’intensité et la direction de la force de DEP dépendent de nombreux paramètres tels que la fréquence du signal électrique, lespermittivités du milieu et de la particule et la forme de cette dernière. Un modèle électromagnétique équivalent des bactéries devra être défini pour exploiter ces effets en vue d’une séparation spatiale des cellules viables et non viables. La validation
  expérimentale du modèle par des expériences sur des microbilles de latex piégées par
  DEP sera également traité.
• Modéliser et optimiser l’interaction électromagnétique d’un signal optique guidé avec les bactéries piégées en surface du guide d’ondes :
  les paramètres influant sur le recouvrement entre le signal et le modèle cellulaire seront notamment identifiés.

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1 Barik, A., Otto, L. M., Yoo, D., Jose, J., Johnson, T. W., & Oh, S. H. (2014). Dielectrophoresisenhanced plasmonic sensing with gold nanohole arrays. Nano letters, 14(4), 2006-2012.
2 Broquin, J. E. (2007). Glass integrated optics: state of the art and position toward other technologies. In Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XI (Vol. 6475, p. 647507). International Society for Optics and Photonics.
3 Jordan, E., Geoffray, F., Bouchard, A., Ghibaudo, E., & Broquin, J. E. (2015). Development of
Tl+/Na+ ion-exchanged single-mode waveguides on silicate glass for visible-blue wavelengths applications. Ceramics International, 41(6), 7996-8001.
4 Allenet, T., Geoffray, F., Bucci, D., Canto, F., Moisy, P., & Broquin, J. E. (2019). Microsensing of
plutonium with a glass optofluidic device. Optical Engineering, 58(6), 060502.
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La limite de détection et la fiabilité du capteur optique sont d’autres points cruciaux à prendre en considération.Il s’agira notamment de :

•  Dimensionner les surfaces d’interaction entre le signal guidé et les bactéries piégées et modéliser les variations d’indice de réfraction engendrées par une variation de la concentration bactérienne.
•  Faire un choix de fonction interférométrique et de design permettant de prendre en compte les dérives du milieu nutritif des solutions bactériennes.
• Fixer un cahier des charges pour le point de fonctionnement et la plage de linéarité du capteur.

Le sujet entend également relever un défi de microfabrication grâce à la co-intégration des fonctions optique, électrique et microfluidique sur un même substrat de verre. La thèse s’achèvera donc sur une tâche finale d’intégration et de caractérisation d’un dispositif complet grâce à des suspensions de billes modélisant le comportement diélectrique des bactéries. Une ambition forte est d’aboutir à un prototype autorisant les premiers tests sur des prélèvements environnementaux en collaborant avec les laboratoires du consortium.

Afin de mener à bien ce sujet, le(la) doctorant(e) s’intéressera au cours de la première année aux théories de la photonique intégrée et de la DEP. Une étude bibliographique fera notamment le point sur le développement des capteurs intégrés de détection bactérienne. Des formations aux outils de simulation et aux techniques de microfabrication en salle blanche seront également programmées pour accompagner les modélisations des interactions des forces de DEP et/ou du signal optique avec les modèles bactériens.
La deuxième année démarrera sur les premiers prototypages de fonctions optiques co-intégrant des électrodes de DEP qui nécessiteront de se former aux techniques de caractérisation photonique. Des premiers prototypes seront fournis aux laboratoires partenaires pour valider le principe de détection sur des échantillons biologiques. Ce retour d’expérience permettra d’optimiser le design de la fonction interférométrique
La co-intégration des trois fonctions optique, microfluidique et électrique ainsi que leurs caractérisations se tiendront à cheval sur les deuxième et troisième années. La troisième année de thèse verra la fabrication et la caractérisation d’un prototype final qui sera validé par nos collègues biochimistes. Elle s’achèvera sur la rédaction du manuscrit et les publications d’articles associés au travail.

Ce sujet de thèse a été considéré comme prioritaire par le conseil scientifique du laboratoire IMEPLaHC. Il a également obtenu le fléchage de l’école doctorale EEATS. Il est donc classé parmi les sujets prioritaires pour l’attribution d’une allocation doctorale de recherche.

Directrice de thèse (70%):  Elise GHIBAUDO elise.ghibaudo@grenoble-inp.fr – 04 56 52 95 31
Co-encadrant (30%): Davide BUCCI davide.bucci@phelma.grenoble-inp.fr 04 56 52 95 39