FR2843634A1 - Support device for chromophore elements with a flat mirror coated with a multi-thickness banded layer of material transparent to a wavelength to be detected, making it possible to vary fluorescence intensity - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE SUPPORT D'ELEMENTS CHROMOPHORESDEVICE FOR SUPPORTING CHROMOPHORE ELEMENTS
L'invention concerne un dispositif de support d'éléments chromophores. Dans les dispositifs de ce type, qui sont communément appelés "biopuces", les éléments chromophores sont des molécules chimiques ou biologiques qui sont en général fixées sur un substrat après une réaction d'hybridation ou d'affinité dans un liquide, ou bien des 10 éléments colorants ajoutés ou greffés à ces molécules ou certains types de nanostructures semiconductrices tels que des fils ou des boîtes quantiques, chaque élément chromophore étant propre à émettre, en réponse à une excitation lumineuse, une fluorescence sur une longueur The invention relates to a device for supporting chromophoric elements. In devices of this type, which are commonly called "biochips", the chromophoric elements are chemical or biological molecules which are generally fixed on a substrate after a hybridization or affinity reaction in a liquid, or else 10 coloring elements added or grafted to these molecules or certain types of semiconductor nanostructures such as wires or quantum dots, each chromophore element being capable of emitting, in response to a light excitation, a fluorescence over a length
d'onde déterminée qui dépend de la nature de cet élément chromophore. wave which depends on the nature of this chromophore element.
Des dispositifs de support d'éléments chromophores sont décrits notamment dans la demande WO-A-02/16912 aux noms de Claude WEISBUCH et Henri BENISTY et comprennent des moyens permettant de renforcer l'intensité lumineuse d'excitation des éléments chromophores et d'augmenter l'intensité lumineuse émise par ces éléments, par des effets 20 d'interférence produits par des empilements de couches de matières judicieusement choisies et par des effets d'extraction de la lumière guidée par des structures latérales ayant des dimensions du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière guidée, telles notamment Support devices for chromophoric elements are described in particular in application WO-A-02/16912 in the names of Claude WEISBUCH and Henri BENISTY and include means making it possible to reinforce the light intensity of excitation of the chromophoric elements and to increase the light intensity emitted by these elements, by interference effects produced by stacks of layers of judiciously chosen materials and by effects of light extraction guided by lateral structures having dimensions of the same order of magnitude as the wavelength of guided light, such as
que des cristaux photoniques.than photonic crystals.
Dans ces biopuces, les éléments chromophores fixés sur le In these biochips, the chromophoric elements fixed on the
substrat sont répartis en plages (appelées "spots" en terminologie anglaise) séparées les unes des autres et disposées régulièrement, notamment en rangées et en colonnes. Ces plages ont des dimensions, par exemple de quelques dizaines ou centaines de pm environ, qui sont nettement 30 supérieures aux longueurs d'ondes considérées. substrate are divided into areas (called "spots" in English terminology) separated from each other and arranged regularly, in particular in rows and columns. These ranges have dimensions, for example of a few tens or hundreds of μm, which are clearly greater than the wavelengths considered.
Elles sont délimitées par exemple par une technique de dépôt du type "spotting" qui comprend un traitement physico-chimique de la surface du substrat global, le "spot" étant alors déterminé par l'aire mouillée par le dépôt fluide, ou par un traitement spatial sélectif par exemple par 5 silanisation sélective, le "spot" étant déterminé par ce traitement. Les plages comprennent en général des éléments chromophores de types différents, qui émettent sur des longueurs d'ondes différentes. Les signaux émis sont captés par des photodétecteurs appropriés, notamment par des barrettes ou des matrices de photodétecteurs CCD qui captent également 10 un bruit de fond global formé par une lumière d'excitation incomplètement They are delimited for example by a deposition technique of the "spotting" type which comprises a physico-chemical treatment of the surface of the overall substrate, the "spot" then being determined by the area wetted by the fluid deposition, or by a treatment selective spatial, for example by selective silanization, the "spot" being determined by this treatment. The ranges generally include chromophoric elements of different types, which emit on different wavelengths. The signals emitted are picked up by suitable photodetectors, in particular by arrays or arrays of CCD photodetectors which also pick up an overall background noise formed by an excitation light incompletely.
filtrée, par une fluorescence provenant d'éléments chromophores de plages voisines selon des rayons rasants ou guidés, etc., ce bruit de fond étant difficile à éliminer avec précision pour chaque longueur d'onde considérée et pouvant représenter une part importante de l'intensité des signaux 15 captés. filtered, by fluorescence coming from chromophoric elements of neighboring ranges according to grazing or guided rays, etc., this background noise being difficult to eliminate with precision for each wavelength considered and being able to represent a significant part of the intensity signals received.
La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple et efficace au problème de la détermination et de The present invention aims in particular to provide a simple and effective solution to the problem of determining and
l'élimination de ce bruit de fond.the elimination of this background noise.
Elle a pour objet un dispositif de support d'éléments 20 chromophores, qui permette, en tout point de sa surface, une détermination It relates to a device for supporting chromophoric elements, which allows, at any point on its surface, a determination
fiable, précise et automatique du bruit de fond précité. reliable, precise and automatic of the above-mentioned background noise.
Elle propose, à cet effet, un dispositif de support d'éléments chromophores propres à émettre une fluorescence en réponse à une excitation lumineuse, la longueur d'onde émise par chaque élément 25 chromophore dépendant de la nature de cet élément, le dispositif comprenant un miroir plan recouvert d'une couche de matière transparente aux longueurs d'ondes émises et sur laquelle les éléments chromophores sont répartis en plages séparées les unes des autres et ayant des dimensions latérales supérieures aux longueurs d'ondes de la fluorescence 30 émise, caractérisé en ce que ladite couche de matière transparente a une épaisseur du même ordre de grandeur que les longueurs d'ondes de la fluorescence émise et comprend, pour chaque plage d'éléments chromophores, au moins deux zones ayant des épaisseurs différentes, l'épaisseur d'une première de ces zones étant déterminée pour générer par un phénomène d'interférence destructive un minimum d'intensité de la 5 fluorescence émise sur une première longueur d'onde par des éléments To this end, it proposes a device for supporting chromophoric elements capable of emitting fluorescence in response to a light excitation, the wavelength emitted by each chromophore element depending on the nature of this element, the device comprising a plane mirror covered with a layer of transparent material with wavelengths emitted and on which the chromophoric elements are distributed in ranges separated from each other and having lateral dimensions greater than the wavelengths of the fluorescence emitted, characterized in that said layer of transparent material has a thickness of the same order of magnitude as the wavelengths of the fluorescence emitted and comprises, for each range of chromophoric elements, at least two zones having different thicknesses, the thickness of a first of these zones being determined to generate a minimum intensity by a destructive interference phenomenon of the fluorescence emitted on a first wavelength by elements
chromophores de ladite zone.chromophores of said area.
Dans ce dispositif, si l'épaisseur de la première zone est correctement réglée, la fluorescence émise à la surface de cette zone est à une valeur minimale qui est nulle ou sensiblement nulle. En conséquence, 10 le signal lumineux capté à la surface de cette zone représente le bruit In this device, if the thickness of the first zone is correctly adjusted, the fluorescence emitted on the surface of this zone is at a minimum value which is zero or substantially zero. Consequently, the light signal picked up on the surface of this zone represents the noise
global à la longueur d'onde considérée. overall at the wavelength considered.
L'annulation de la fluorescence dans la zone précitée est due: - soit à un trajet optique aller-retour jusqu'au miroir, qui est 15 égal à un multiple impair de la demi-longueur d'onde de la fluorescence émise, en tenant compte du déphasage à la réflexion sur le miroir et/ou de la pénétration de l'onde dans le miroir, - soit à un trajet optique sur un aller-retour jusqu'au miroir, qui est égal à un multiple impair de la demi-longueur d'onde d'excitation, en 20 tenant compte du déphasage à la réflexion sur le miroir et/ou de la pénétration de l'onde dans le miroir, - soit à une combinaison des deux cas mentionnés ci-dessus, - soit, quand les deux conditions ci-dessus sont proches et correspondent à des épaisseurs qui diffèrent typiquement de moins de 25 30 nm, à une condition quelconque intermédiaire entre les deux conditions ci-dessus. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche de matière transparente comporte, pour chaque plage, au moins une autre zone ayant une épaisseur différente de celle de la première zone, telle que 30 la différence des chemins optiques dans ces deux zones pour une longueur d'onde considérée est égale à un multiple impair du quart de cette longueur d'onde. La longueur d'onde considérée pour la détermination de la différence d'épaisseur entre les deux zones peut être, comme indiqué ci5 dessus, soit la longueur d'onde de la fluorescence émise, soit la longueur d'onde d'excitation, soit à la fois la longueur d'onde de la fluorescence émise et la longueur d'onde d'excitation (pour obtenir sur ladite autre zone un maximum d'intensité d'excitation et un maximum d'intensité de fluorescence émise), soit encore une condition intermédiaire quand les 10 épaisseurs des deux zones calculées pour les deux longueurs d'onde sont The cancellation of the fluorescence in the aforementioned area is due to: - either a round-trip optical path to the mirror, which is equal to an odd multiple of the half-wavelength of the fluorescence emitted, taking account of the phase shift at reflection on the mirror and / or of the penetration of the wave in the mirror, - either to an optical path on a round trip to the mirror, which is equal to an odd multiple of half excitation wavelength, taking into account the phase shift at reflection on the mirror and / or the penetration of the wave in the mirror, - either a combination of the two cases mentioned above, - either, when the two above conditions are close and correspond to thicknesses which typically differ by less than 30 nm, at any intermediate condition between the two above conditions. According to another characteristic of the invention, the layer of transparent material comprises, for each range, at least one other zone having a thickness different from that of the first zone, such as the difference in the optical paths in these two zones for a wavelength considered is equal to an odd multiple of a quarter of this wavelength. The wavelength considered for determining the difference in thickness between the two zones can be, as indicated above, either the wavelength of the fluorescence emitted, the excitation wavelength, or at both the wavelength of the fluorescence emitted and the excitation wavelength (to obtain on said other zone a maximum of excitation intensity and a maximum of intensity of fluorescence emitted), that is to say another condition intermediate when the 10 thicknesses of the two zones calculated for the two wavelengths are
très proches l'une de l'autre.very close to each other.
La fluorescence émise par ladite autre zone ayant alors une intensité maximale ou voisine d'une valeur maximale, le signal lumineux capté à la surface de cette autre zone correspond à la somme de l'intensité 15 maximale de la fluorescence émise à la première longueur d'onde sur la The fluorescence emitted by said other zone then having a maximum intensity or close to a maximum value, the light signal picked up on the surface of this other zone corresponds to the sum of the maximum intensity of the fluorescence emitted at the first length d on the
surface de cette autre zone et du bruit de fond global. En soustrayant de ce signal le bruit de fond que l'on a obtenu par captation du signal à la surface de la première zone, on obtient une valeur d'intensité correspondant approximativement à l'intensité maximale de la fluorescence émise, sur la 20 première longueur d'onde, à la surface de ladite autre zone. surface of this other area and overall background noise. By subtracting from this signal the background noise obtained by picking up the signal on the surface of the first zone, an intensity value is obtained corresponding approximately to the maximum intensity of the fluorescence emitted, on the first wavelength, at the surface of said other zone.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, qui visent à généraliser les caractéristiques précitées: - la couche de matière transparente comporte, pour chaque plage d'éléments chromophores, une pluralité de zones précitées 25 d'épaisseurs différentes, permettant d'échantillonner entre une valeur minimale et une valeur maximale l'intensité de la fluorescence émise sur ladite première longueur d'onde par des éléments chromophores de ladite plage, - la couche de matière transparente comporte, pour chaque 30 plage d'éléments chromophores, une pluralité de zones précitées d'épaisseurs différentes, permettant de faire varier l'intensité de la fluorescence émise sur des longueurs d'ondes différentes par des éléments According to other characteristics of the invention, which aim to generalize the aforementioned characteristics: - the layer of transparent material comprises, for each range of chromophoric elements, a plurality of the aforementioned zones 25 of different thicknesses, making it possible to sample between a minimum value and a maximum value the intensity of the fluorescence emitted on said first wavelength by chromophoric elements of said range, - the layer of transparent material comprises, for each range of chromophoric elements, a plurality of zones above of different thicknesses, making it possible to vary the intensity of the fluorescence emitted on different wavelengths by elements
chromophores de types différents de ladite plage. chromophores of different types from said range.
Ainsi, avec une série de zones d'épaisseurs différentes connues dans chaque plage d'éléments chromophores, on peut disposer 5 d'une combinaison linéaire des signaux significatifs émis par les différents Thus, with a series of zones of different thicknesses known in each range of chromophoric elements, it is possible to have a linear combination of the significant signals emitted by the different
éléments chromophores présents et du bruit de fond. chromophoric elements present and background noise.
Selon encore d'autres caractéristiques de l'invention, lesdites zones sont agencées en lignes ou en bandes parallèles à la surface de According to yet other characteristics of the invention, said zones are arranged in lines or in strips parallel to the surface of
ladite couche de matière transparente. said layer of transparent material.
En variante, ces zones peuvent avoir une disposition matricielle en lignes et en colonnes à la surface de la couche de matière transparente. As a variant, these zones may have a matrix arrangement in rows and columns on the surface of the layer of transparent material.
Celle-ci comporte alors, sur toute sa surface, une pluralité de zones d'épaisseurs différentes à répartition de préférence régulière qui 15 forment une structure du type pavage ou analogue. This then comprises, over its entire surface, a plurality of zones of different thicknesses with preferably regular distribution which form a structure of the paving type or the like.
En variante, ces zones de hauteur différentes peuvent être formées sur la couche réfléchissante précitée ou sur une couche intermédiaire d'indice différent interposée entre la couche transparente et la As a variant, these zones of different height can be formed on the aforementioned reflecting layer or on an intermediate layer of different index interposed between the transparent layer and the
couche réfléchissante.reflective layer.
Les moyens de captation de la fluorescence émise par les éléments chromophores peuvent se trouver au-dessus du dispositif de support de ces éléments chromophores, ou bien au-dessous, comme déjà The means for capturing the fluorescence emitted by the chromophoric elements may be above the support device for these chromophoric elements, or even below, as already
décrits dans la demande internationale précitée WO-A-02/16912. described in the aforementioned international application WO-A-02/16912.
Dans ce cas, ces moyens de captation comprennent une 25 matrice de photodétecteurs du type CCD ou CMOS qui est fixée sous le dispositif, celui-ci comprenant une première couche de matière hautement réfléchissante à la longueur d'onde d'excitation et une seconde couche de matière absorbant sélectivement la radiation d'excitation, la première couche étant déposée sur la seconde, de telle sorte que la fluorescence 30 émise parvienne aisément aux détecteurs, mais non la radiation d'excitation. La réflexion de la radiation d'excitation sur la première couche peut alors assurer, éventuellement, l'effet précité de renforcement de la In this case, these capture means comprise a matrix of photodetectors of the CCD or CMOS type which is fixed under the device, the latter comprising a first layer of material highly reflecting at the excitation wavelength and a second layer of material selectively absorbing the excitation radiation, the first layer being deposited on the second, so that the emitted fluorescence easily reaches the detectors, but not the excitation radiation. The reflection of the excitation radiation on the first layer can then possibly provide the aforementioned effect of strengthening the
fluorescence émise.fluorescence emitted.
Il se forme une cavité faiblement résonante entre le dioptre à la surface supérieure de la couche portant les éléments chromophores et 5 ladite première couche réfléchissante (à la longueur d'onde d'excitation) lorsque celle-ci a aussi une réflectivité non négligeable à la longueur d'onde de la fluorescence émise. Cet effet peut être mis à profit pour augmenter A weakly resonant cavity is formed between the diopter on the upper surface of the layer carrying the chromophoric elements and said first reflective layer (at the excitation wavelength) when the latter also has a non-negligible reflectivity at wavelength of the fluorescence emitted. This effect can be used to increase
l'intensité de la fluorescence canalisée vers les photodétecteurs. the intensity of the fluorescence channeled towards the photodetectors.
De préférence, la couche supérieure de ce dispositif est en 10 une matière à indice de réfraction élevé. Cela favorise la formation de ladite cavité faiblement résonante et donc une bonne détection de la fluorescence Preferably, the upper layer of this device is made of a material with a high refractive index. This promotes the formation of said weakly resonant cavity and therefore good detection of fluorescence.
par les photodétecteurs fixés sous le dispositif. by the photodetectors fixed under the device.
Il est de plus connu que l'émission radiative vers le milieu sur lequel est posé un élément chromophore est favorisée d'autant plus que 15 l'indice de ce milieu est élevé. It is moreover known that the radiative emission towards the medium on which a chromophore element is placed is favored all the more as the index of this medium is high.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly on reading the description which follows, given by way of example with reference to the drawings
annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique de dessus d'une partie d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle à plus grande échelle de la figure 1; - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2, pour une 25 variante de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue partielle schématique en perspective d'encore une autre variante de réalisation; - la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe d'un dispositif selon l'invention; - la figure 6 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la coupe représentée en figure 5; - la figure 7 est un graphe représentant schématiquement les intensités de la fluorescence émise à la surface de trois zones différentes du dispositif de la figure 6; - les figures 8 à 13 sont des vues schématiques en coupe d'autres variantes de réalisation du dispositif selon l'invention. appended in which: - Figure 1 is a schematic representation from above of part of a device according to the invention; - Figure 2 is a partial view on a larger scale of Figure 1; - Figure 3 is a view corresponding to Figure 2, for an alternative embodiment of the invention; - Figure 4 is a partial schematic perspective view of yet another alternative embodiment; - Figure 5 is a partial schematic sectional view of a device according to the invention; - Figure 6 is an enlarged view of part of the section shown in Figure 5; - Figure 7 is a graph schematically representing the intensities of the fluorescence emitted on the surface of three different zones of the device of Figure 6; - Figures 8 to 13 are schematic sectional views of other alternative embodiments of the device according to the invention.
Le dispositif représenté schématiquement en figure 1 comprend un substrat 10 de forme générale rectangulaire, dont la face supérieure 12 comporte une pluralité de plages 14 occupées par des éléments chromophores, ces plages 14 formant un ensemble o elles sont 10 réparties de façon régulière en lignes et en colonnes par exemple. The device shown schematically in FIG. 1 comprises a substrate 10 of generally rectangular shape, the upper face 12 of which comprises a plurality of areas 14 occupied by chromophoric elements, these areas 14 forming a set o they are 10 distributed regularly in lines and in columns for example.
Typiquement, les dimensions des plages 14 (leur diamètre d) sont de l'ordre de 30 à 400 gm, et l'entraxe D entre plages adjacentes est de l'ordre de 40 à 500 iLm. Comme indiqué plus haut, les dimensions des plages sont déterminées par un dépôt de fluide ou par un traitement spatial 15 sélectif. Typically, the dimensions of the pads 14 (their diameter d) are of the order of 30 to 400 μm, and the spacing D between adjacent pads is of the order of 40 to 500 μm. As indicated above, the dimensions of the areas are determined by fluid deposition or by selective spatial treatment.
La partie supérieure du substrat 10 comprend une couche 12 d'une matière qui est transparente aux longueurs d'ondes de la fluorescence émise par les éléments chromophores des plages 14 en réponse à une excitation lumineuse, cette matière ayant de préférence un 20 indice de réfraction relativement élevé et étant par exemple formée de TiO2 ayant un indice de réfraction compris entre 2,2 et 2,5 selon la forme The upper part of the substrate 10 comprises a layer 12 of a material which is transparent to the wavelengths of the fluorescence emitted by the chromophoric elements of the pads 14 in response to a light excitation, this material preferably having a refractive index. relatively high and being for example formed of TiO2 having a refractive index of between 2.2 and 2.5 depending on the shape
cristalline utilisée.crystalline used.
Cette couche 12 de matière a une épaisseur qui est du même ordre de grandeur que les longueurs d'ondes de la fluorescence émise par 25 les éléments chromophores et recouvre un miroir plan pouvant être réfléchissant pour la longueur d'onde d'excitation, ce miroir plan étant This layer 12 of material has a thickness which is of the same order of magnitude as the wavelengths of the fluorescence emitted by the chromophoric elements and covers a plane mirror which can be reflective for the excitation wavelength, this mirror plan being
surtout réfléchissant pour les longueurs d'onde de la fluorescence émise. especially reflecting for the wavelengths of the fluorescence emitted.
La surface libre ou surface supérieure de la couche 12 est structurée par exemple comme représenté schématiquement en figures 2, 30 3 ou4. The free surface or upper surface of the layer 12 is structured for example as shown diagrammatically in FIGS. 2, 30 3 or 4.
En figure 2, cette couche 12 comporte une pluralité de bandes parallèles 16 d'épaisseurs différentes, ces bandes ayant une largeur dans le plan de la couche 12 qui est supérieure aux longueurs d'ondes de la fluorescence émise par les éléments chromophores. Les épaisseurs des 5 différentes bandes 16 sont déterminées pour que l'une de ces épaisseurs produise, dans chaque plage 14, un effet d'interférence destructive à la surface de la couche 12 pour une longueur d'onde d'excitation et/ou pour une longueur d'onde donnée de la fluorescence émise par les éléments chromophores. Les autres bandes 16 ont des épaisseurs différentes dont 10 I'une correspond à un effet d'interférence constructive à la surface supérieure de la couche 12, pour la longueur d'onde d'excitation et/ou pour la longueur d'onde de la fluorescence émise. Les bandes 16 d'épaisseurs différentes sont formées en alternance dans la couche 12, leurs épaisseurs étant déterminées pour produire les effets précités d'interférence 15 destructive et d'interférence constructive pour une ou de préférence pour plusieurs longueurs d'ondes émises par les différents éléments chromophores présents dans les plages 14 et/ou pour les longueurs d'onde In FIG. 2, this layer 12 comprises a plurality of parallel bands 16 of different thicknesses, these bands having a width in the plane of the layer 12 which is greater than the wavelengths of the fluorescence emitted by the chromophoric elements. The thicknesses of the 5 different bands 16 are determined so that one of these thicknesses produces, in each range 14, a destructive interference effect on the surface of the layer 12 for an excitation wavelength and / or for a given wavelength of the fluorescence emitted by the chromophoric elements. The other bands 16 have different thicknesses, 10 of which corresponds to a constructive interference effect on the upper surface of the layer 12, for the excitation wavelength and / or for the wavelength of the fluorescence emitted. The bands 16 of different thicknesses are formed alternately in the layer 12, their thicknesses being determined to produce the aforementioned effects of destructive interference and constructive interference for one or preferably for several wavelengths emitted by the different chromophoric elements present in ranges 14 and / or for wavelengths
d'excitation correspondantes.corresponding excitement.
On peut donc, considérant une longueur d'onde donnée 20 émise par des éléments chromophores d'une plage 14, déterminer deux épaisseurs correspondant aux deux effets d'interférences précités et une ou plusieurs épaisseurs intermédiaires, ce qui permet d'échantillonner l'intensité lumineuse émise à cette longueur d'onde entre une valeur It is therefore possible, considering a given wavelength 20 emitted by chromophoric elements of a range 14, to determine two thicknesses corresponding to the two aforementioned interference effects and one or more intermediate thicknesses, which makes it possible to sample the intensity light emitted at this wavelength between a value
minimale et une valeur maximale.minimum and maximum value.
On peut également déterminer d'autres épaisseurs de bandes 16 qui correspondent à des effets d'interférences destructives et constructives pour une autre ou pour plusieurs autres longueurs d'ondes émises par les éléments chromophores et/ou pour les longueurs d'onde It is also possible to determine other thicknesses of bands 16 which correspond to destructive and constructive interference effects for another or for several other wavelengths emitted by the chromophoric elements and / or for the wavelengths
d'excitation correspondantes.corresponding excitement.
On peut encore comme représenté schématiquement en figure 3, former dans la couche 12 des bandes 16, 18 d'épaisseurs différentes, qui s'étendent dans deux directions perpendiculaires. Les bandes 16 parallèles entre elles et d'épaisseurs différentes sont des bandes transversales, et sont coupées à angle droit par des bandes longitudinales 18, qui sont parallèles entre elles et ont des épaisseurs différentes. On obtient alors, au niveau de chaque plage 14, une structure telle que celle qui est représentée schématiquement en perspective en figure 4 et o chaque plage 14 comprend une pluralité de plateaux 20 adjacents de forme carrée ou rectangulaire qui ont des hauteurs 10 différentes. Les dimensions de ces plateaux 20 à la surface supérieure de It is also possible, as shown diagrammatically in FIG. 3, to form in layer 12 strips 16, 18 of different thicknesses, which extend in two perpendicular directions. The strips 16 parallel to each other and of different thicknesses are transverse strips, and are cut at right angles by longitudinal strips 18, which are parallel to each other and have different thicknesses. A structure such as that shown schematically in perspective in FIG. 4 is then obtained at each area 14, where each area 14 comprises a plurality of adjacent plates 20 of square or rectangular shape which have different heights. The dimensions of these plates 20 at the upper surface of
la couche 12 peuvent être identiques d'un plateau à l'autre ou différentes. the layer 12 can be identical from one tray to another or different.
Comme on le voit aux figures 5 et 6, la couche 12 de matière transparente portant les éléments chromophores C est formée sur un miroir plan 22 qui est hautement réfléchissant au moins pour la fluorescence 15 émise par les éléments chromophores. Le miroir plan est formé d'une ou As seen in FIGS. 5 and 6, the layer 12 of transparent material carrying the chromophoric elements C is formed on a plane mirror 22 which is highly reflective at least for the fluorescence 15 emitted by the chromophoric elements. The plane mirror is formed by one or
plusieurs couches d'un métal réfléchissant ou d'une matière diélectrique telle par exemple qu'une matière semi-conductrice, un oxyde ou un verre, un nitrure, un polymère organique ou un composé obtenu par voie sol-gel à partir de composés organométalliques. Dans un mode de réalisation 20 particulier, le miroir plan 22 est en silicium. several layers of a reflective metal or a dielectric material such as for example a semiconductor material, an oxide or a glass, a nitride, an organic polymer or a compound obtained by sol-gel route from organometallic compounds . In a particular embodiment, the plane mirror 22 is made of silicon.
Dans une variante de réalisation, le miroir plan 22 comprend au moins une couche métallique déposée sur du silicium. In an alternative embodiment, the plane mirror 22 comprises at least one metal layer deposited on silicon.
Dans encore une autre variante de réalisation, ce miroir plan comprend au moins deux couches d'oxydes tels par exemple que SiO2 et 25 TiO2. In yet another alternative embodiment, this plane mirror comprises at least two layers of oxides such as, for example, SiO2 and TiO2.
En pratique, la détermination des épaisseurs des bandes 16 conduisant à des interférences constructives et destructives respectivement doit tenir compte de la longueur de pénétration de l'excitation ou de la fluorescence à la longueur d'onde considérée dans le miroir 22, ainsi que 30 de la réflectivité de ce miroir et de l'indice de la couche transparente 12. In practice, the determination of the thicknesses of the bands 16 leading to constructive and destructive interference respectively must take into account the penetration length of the excitation or fluorescence at the wavelength considered in the mirror 22, as well as 30 the reflectivity of this mirror and the index of the transparent layer 12.
On a schématisé en figure 7 les signaux que l'on peut capter au-dessus des zones d'épaisseurs différentes d'une plage 14, l'intensité I étant représentée en ordonnée et une dimension dans le plan dans la The signals which can be picked up above the zones of different thicknesses of a range 14 have been shown diagrammatically in FIG. 7, the intensity I being represented on the ordinate and a dimension in the plane in the
couche 12 étant représentée en abscisse. layer 12 being shown on the abscissa.
La courbe de la figure 7 comprend une première partie 24 d'intensité minimale correspondant à un effet d'interférence destructive, une partie 26 d'intensité maximale correspondant à un effet d'interférence constructive, et une partie 28 d'intensité moyenne qui correspond par exemple au signal que l'on obtiendrait en l'absence de miroir plan 22, c'est10 à-dire en l'absence de tout phénomène d'interférence. Il est clair, pour l'homme du métier, que l'on peut, pour chaque longueur d'onde considérée de la fluorescence émise par des éléments chromophores, prendre en compte les valeurs minimale 24 et maximale 26 d'intensité captée et faire leur différence pour éliminer le bruit de fond global, qui comprend aussi 15 bien un bruit local qu'un bruit d'arrière-plan qui ne provient pas de la zone considérée. La connaissance de la structure de la couche supérieure 12, c'est-à-dire des emplacements des bandes 16 qui correspondent à des effets d'interférence destructive pour une ou plusieurs longueurs d'ondes et 20 de ceux des bandes 16 qui correspondent à un effet d'interférence constructive pour cette ou ces longueurs d'ondes, permet de prendre en compte directement les signaux d'intensité minimale et les signaux d'intensité maximale et simplifie beaucoup l'analyse. Si l'on utilise une matrice de photodétecteurs CCD pour capter la fluorescence émise, il n'est 25 plus nécessaire de savoir quel photodétecteur de la matrice est associé à The curve of FIG. 7 comprises a first part 24 of minimum intensity corresponding to a destructive interference effect, a part 26 of maximum intensity corresponding to a constructive interference effect, and a part 28 of medium intensity which corresponds for example the signal that would be obtained in the absence of a plane mirror 22, that is to say in the absence of any interference phenomenon. It is clear, for the person skilled in the art, that it is possible, for each wavelength considered of the fluorescence emitted by chromophoric elements, to take into account the minimum 24 and maximum 26 values of sensed intensity and make their difference in eliminating the overall background noise, which includes both local noise and background noise which does not originate from the area considered. Knowledge of the structure of the upper layer 12, that is to say of the locations of the bands 16 which correspond to destructive interference effects for one or more wavelengths and 20 of those of the bands 16 which correspond to a constructive interference effect for this or these wavelengths, makes it possible to directly take into account the signals of minimum intensity and the signals of maximum intensity and greatly simplifies the analysis. If a matrix of CCD photodetectors is used to capture the fluorescence emitted, it is no longer necessary to know which photodetector of the matrix is associated with
telle ou telle zone d'une plage 14, car l'analyse de l'image elle-même, associée à la connaissance de la structure de la surface de la couche 12, permet de repérer et d'identifier les zones d'intensité minimale et maximale. this or that zone of a range 14, because the analysis of the image itself, associated with the knowledge of the structure of the surface of the layer 12, makes it possible to locate and identify the zones of minimum intensity and maximum.
Une variante de l'invention consiste à structurer en zones le 30 miroir 22 en supprimant la couche réfléchissante dans certaines zones. A variant of the invention consists in structuring the mirror 22 in zones by removing the reflective layer in certain zones.
Dans ce cas, on utilisera des paires de signaux 26 et 28, ou bien 24 et 28, comme modulation du signal à détecter, suivant l'épaisseur choisie pour la In this case, pairs of signals 26 and 28, or else 24 and 28, will be used as modulation of the signal to be detected, depending on the thickness chosen for the
couche 12, à face supérieure plane. layer 12, with flat upper face.
On a représenté en figure 8 une variante de réalisation de l'invention, dans laquelle un ensemble de photodétecteurs 30 du type CCD 5 ou analogue se trouve sous le substrat 10, sur la face opposée à celle qui porte les éléments chromophores C. Cette réalisation présente l'avantage de ne pas nécessiter d'objectif de formation d'image sur les FIG. 8 shows an alternative embodiment of the invention, in which a set of photodetectors 30 of the CCD 5 type or the like is located under the substrate 10, on the face opposite to that which carries the chromophoric elements C. This embodiment has the advantage of not requiring an imaging objective on the
photodétecteurs 30.photodetectors 30.
Dans cette réalisation, l'émission de fluorescence vers le bas 10 en direction des photodétecteurs 30 est modulée par les mêmes effets d'interférence que ceux décrits ci-dessus, mais l'amplitude de ces effets est déterminée par un mécanisme physique différent et est en général plus faible: il s'agit d'interférences à ondes multiples liées au fait que la couche 12 forme une cavité faiblement résonnante, dont l'un des miroirs est formé 15 par le dioptre avec l'air ou le milieu environnant à la surface supérieure de la couche 12 et dont l'autre miroir est formé par une couche 32 qui est semi-réfléchissante à la longueur d'onde de fluorescence que l'on souhaite détecter et qui est très réfléchissante pour la longueur d'onde d'excitation des éléments chromophores. La force de la résonance d'une telle cavité et 20 I'amplitude de la modulation des signaux fluorescents collectés sont d'autant plus fortes que le produit des réflectivités en amplitude des deux miroirs est élevé. Il est donc intéressant d'utiliser une couche supérieure 12 d'indice élevé, par exemple de TiO2 ayant un indice compris entre 2,2 et 2,5 suivant sa forme cristalline. La réflectivité en amplitude du dioptre 25 TiO2/air vaut environ 0,4. En outre, il est connu que l'émission radiative vers le milieu sur lequel se trouvent les éléments chromophores est d'autant plus favorisée que l'indice de ce milieu est élevé. Ces deux effets se combinent donc et favorisent une bonne détection des signaux par les In this embodiment, the downward fluorescence emission 10 towards the photodetectors 30 is modulated by the same interference effects as those described above, but the amplitude of these effects is determined by a different physical mechanism and is generally weaker: it is multi-wave interference linked to the fact that the layer 12 forms a weakly resonant cavity, one of the mirrors of which is formed by the diopter with the air or the surrounding medium at the upper surface of the layer 12 and the other mirror of which is formed by a layer 32 which is semi-reflective at the fluorescence wavelength which it is desired to detect and which is very reflective for the wavelength of excitation of chromophoric elements. The strength of the resonance of such a cavity and the amplitude of the modulation of the collected fluorescent signals are all the greater the higher the product of the amplitude reflectivities of the two mirrors. It is therefore advantageous to use an upper layer 12 of high index, for example of TiO2 having an index of between 2.2 and 2.5 depending on its crystalline form. The amplitude reflectivity of the TiO2 / air diopter is approximately 0.4. In addition, it is known that the radiative emission towards the medium on which the chromophoric elements are found is all the more favored the higher the index of this medium. These two effects therefore combine and promote good signal detection by the
photodétecteurs 30.photodetectors 30.
Dans l'exemple représenté, un photodétecteur 30 se trouve sous chaque zone ou bande 16 de hauteur différente d'une plage 14. On sait donc directement quel photodétecteur 30 se trouve en face d'une zone ou bande 16 particulière correspondant à un maximum ou un minimum d'émission. Bien entendu, on peut prévoir plusieurs photodétecteurs 30 In the example shown, a photodetector 30 is located under each zone or strip 16 of height different from a range 14. It is therefore known directly which photodetector 30 is located opposite a particular zone or strip 16 corresponding to a maximum or minimum emission. Of course, it is possible to provide several photodetectors 30
sous chaque zone ou bande 16 de hauteur différente. under each zone or strip 16 of different height.
Dans la variante de réalisation de la figure 9, la couche In the alternative embodiment of FIG. 9, the layer
supérieure 12 de matière transparente est à surface supérieure plane et le miroir 22 est formé sur une face supérieure structurée 34 du substrat 10. upper 12 of transparent material has a flat upper surface and the mirror 22 is formed on a structured upper face 34 of the substrate 10.
C'est cette surface 34 qui porte les zones 16, 18, 20 précédemment It is this surface 34 which carries the zones 16, 18, 20 previously
décrites de la couche 12 des modes de réalisation précédents. described in layer 12 of the previous embodiments.
Quand, comme représenté au dessin, l'épaisseur de la couche réfléchissante 22 est constante dans chaque zone, les discontinuités abruptes entre les zones peuvent former des canaux parasites pour les longueurs d'onde d'excitation et éventuellement pour la fluorescence émise. Une variation plus continue (à profil triangulaire ou 15 ondulé par exemple) de l'épaisseur du substrat permet de pallier cet inconvénient. Dans ce cas, les zones sont définies par le fait que la When, as shown in the drawing, the thickness of the reflective layer 22 is constant in each zone, the abrupt discontinuities between the zones can form parasitic channels for the excitation wavelengths and possibly for the fluorescence emitted. A more continuous variation (with a triangular or wavy profile for example) in the thickness of the substrate overcomes this drawback. In this case, the zones are defined by the fact that the
condition d'interférence souhaitée y est sensiblement réalisée. desired interference condition is substantially achieved there.
Dans une autre variante représentée en figure 10, le substrat 10 du dispositif comprend un miroir plan 22 et une couche supérieure plane 20 12, avec une couche intermédiaire 35 d'indice différent, qui est structurée avec des zones d'épaisseur différente, correspondant aux zones 16 précitées et donnant lieu aux variations d'intensité de la fluorescence par déphasage. Dans une autre variante représentée en figure 11, le dispositif 25 comprend une ou plusieurs couches supérieures déposées sur une couche intermédiaire 37 transparente pour former un guide d'onde 36 pour la radiation d'excitation, par exemple avec propagation le long des bandes précitées formées par le miroir 22, afin de ne pas faire sortir la radiation d'excitation par les discontinuités entre bandes et la diffuser de façon 30 indésirable vers les photodétecteurs. On peut aussi, pour éviter cet inconvénient, donner une épaisseur suffisamment importante à la couche de matière qui recouvre le miroir structuré 22, ce qui permet d'éloigner le profil du mode guidé et sa partie évanescente de la surface structurée du In another variant shown in FIG. 10, the substrate 10 of the device comprises a plane mirror 22 and a planar upper layer 20 12, with an intermediate layer 35 of different index, which is structured with zones of different thickness, corresponding to the zones 16 above and giving rise to variations in intensity of fluorescence by phase shift. In another variant shown in FIG. 11, the device 25 comprises one or more upper layers deposited on a transparent intermediate layer 37 to form a waveguide 36 for the excitation radiation, for example with propagation along the above-mentioned bands formed by the mirror 22, so as not to cause the excitation radiation to escape through the discontinuities between bands and to diffuse it undesirably towards the photodetectors. It is also possible, to avoid this drawback, to give a sufficiently large thickness to the layer of material which covers the structured mirror 22, which makes it possible to move the profile of the guided mode and its evanescent part away from the structured surface of the
miroir 22.mirror 22.
Dans les variantes de réalisation des figures 12 et 13, le 5 dispositif comprend une couche opaque 38, 40 respectivement, par exemple métallique, qui limite aux surfaces utiles (correspondant aux plages 14) l'éclairage par la radiation d'excitation ou la transmission de la In the variant embodiments of FIGS. 12 and 13, the device comprises an opaque layer 38, 40 respectively, for example metallic, which limits the useful surfaces (corresponding to the areas 14) the illumination by the excitation radiation or the transmission. of the
fluorescence vers les photodétecteurs. fluorescence towards photodetectors.
En figure 12, cette couche opaque 38 recouvre la couche 12 10 de matière transparente et comporte des orifices correspondant aux plages 14. In FIG. 12, this opaque layer 38 covers the layer 12 10 of transparent material and has orifices corresponding to the pads 14.
En variante, cette couche opaque 38 est à l'intérieur de la couche 12, entre la face supérieure de celle-ci et la couche réfléchissante 22 et ses orifices sont alignés avec les plages 14 ou avec les zones 16 15 précitées. As a variant, this opaque layer 38 is inside the layer 12, between the upper face of the latter and the reflective layer 22 and its orifices are aligned with the areas 14 or with the aforementioned areas 16 15.
En figure 13, la couche opaque 40 se trouve à l'intérieur du substrat 10 et comporte des orifices en regard des photodétecteurs 30 fixés In FIG. 13, the opaque layer 40 is located inside the substrate 10 and has orifices facing the fixed photodetectors 30
sous le substrat.under the substrate.
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