FR3120443A1 - Dispositif optique reflectometrique a balayage angulaire incline de surfaces cibles et procede de mesure associe - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure (100, 101, 200) de la réponse optique en réflexion d’au moins une zone d’intérêt (Z) d’une surface cible (F1, G1) à analyser, qui comporte un dispositif émetteur (1) comprenant au moins une source de rayonnement optique et produisant un faisceau incident (2, 4) de ce rayonnement, un système optique (SO) destiné à recevoir en entrée le faisceau incident (2, 4) et comprenant une lentille convergente (7) apte à infléchir le faisceau incident (2, 4) en un faisceau émergent (8) dirigé vers la surface cible (F1, G1), le faisceau émergent (8) étant incliné d’un angle θINC par rapport à la normale de la surface cible (F1, G1), et un dispositif de détection (11) de nature optoélectronique pour contrôler, après réflexion sur la surface cible (F1, G1), les caractéristiques du rayonnement réfléchi (10). Selon l’invention, le système optique (SO) comprend en outre une lame transparente inclinable (5) traversée par le faisceau incident (2, 4) et positionnée en amont de la lentille convergente (7), pour contrôler le déplacement du faisceau (2, 4) la traversant afin d’ajuster l’angle θINC du faisceau émergent (8) de ladite lentille convergente (7) tout en conservant la même surface cible (F1, G1). Figure pour l’abrégé : figure 1.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE REFLECTOMETRIQUE A BALAYAGE ANGULAIRE INCLINE DE SURFACES CIBLES ET PROCEDE DE MESURE ASSOCIE

Domaine technique de l’invention

L’invention concerne de manière générale l’analyse optique en réflexion d’une surface à l’aide d’un système à balayage angulaire optique incliné. Plus particulièrement, l’invention concerne un dispositif de mesure de la réponse optique en réflexion d’une surface à analyser présentant une ou plusieurs zones d’intérêt, ainsi qu’un procédé de mesure de la réponse optique. L’invention concerne également un procédé de caractérisation optique d’une surface cible par réflectométrie à balayage angulaire mettant met en œuvre un tel dispositif de mesure.

Arrière-plan technique

L’analyse en réflexion de surfaces optiques permet d’atteindre une grande sensibilité aux caractéristiques des couches minces présentes sur ces surfaces, en particulier si l’éclairage est incliné. Ainsi, les mesures ellipsométriques utilisent généralement un angle d’éclairage important allant typiquement de 40° à plus de 70° ce qui permet généralement d’intercepter un angle particulier pour lequel une composante de polarisation voit sa réflexion s’effondrer. Cette composante est dite composante p. Autour de cet angle particulier, la lumière réfléchie présente des caractéristiques d’intensité et de phase particulièrement sensibles à l’état de surface. L’angle correspondant à cette chute de réflexion est connu sous le nom d’angle de Brewster. Cet angle est également connu sous le nom d’angle de Kretschmann lorsque l’éclairage est sur-critique c’est-à-dire évanescent au niveau de la surface à analyser et que la surface supporte pour cet angle un mode de surface, c’est-à-dire une résonance optique importante en sa surface. Dans ce dernier cas la sensibilité est encore accrue.

Pour les cas d’usages, l’angle de Brewster ou de Kretschmann sont typiquement non nul et relativement important, ainsi, on utilise un éclairage hors axe pour les atteindre, c’est-à-dire un éclairage incliné par rapport à la surface à analyser. Plus précisément, pour un éclairage hors axe, l’axe optique du système d’éclairage n’est pas confondu avec la normale à la surface à analyser. L’excitation selon l’angle de Kretschmann nécessite d’ailleurs non seulement un angle d’incidence assez important mais également une optique de couplage, détaillée par la suite, pour être en condition d’éclairage évanescent. L’angle de Kretschmann n’est également atteint que si la surface à analyser peut présenter un mode de surface.

L’analyse de la phase ou de l’intensité du rayonnement réfléchi sur une surface d’intérêt en fonction de l’angle apporte alors un grand nombre d’informations sur les éventuelles modifications pouvant apparaitre sur cette surface, qu’il s’agisse de rugosité ou encore du greffage de molécules cibles. En particulier, on peut détecter la présence d’une couche se formant progressivement au niveau de la surface. Ce type d’analyse est ainsi particulièrement pertinent pour l’analyse d’espèces biochimiques.

Pour l’analyse réflectométrique de couches minces en vue d’applications de bio-détection, les besoins en dispositifs d’analyse légers, portables et performant sont importants, par exemple pour la détection de cibles virales dans des fluides humains ou animaux pour pouvoir réaliser des analyses décentralisées dans des centres de soins ou à l’extérieur, etc. Ainsi, on trouve un certain nombre de brevets proposant des balayages angulaires au sein de tels dispositifs réflectométriques principalement dans le contexte de dispositifs de biodétection moléculaire optique. Ceux-ci présentent néanmoins une certaine complexité comme nous le détailleront ultérieurement.

La détection quantitative d’espèces biochimiques à l’aide de biocapteurs optiques reposant sur l’excitation d’une résonance optique d’une surface permet d’atteindre une excellente sensibilité lorsqu’une mesure angulaire est préalablement effectuée pour se placer au meilleur angle, c’est à dire l’angle pour lequel les caractéristiques du rayonnement lumineux sont le plus modifiées par des variations au niveau de la surface sondée tel que les angles de Brewster ou de Kretschmann déjà mentionnés.

Parmi les capteurs reposant sur cette approche, on distingue les systèmes de détection par résonance de plasmons de surface, dits capteurs SPR, qui travaillent généralement autour de l’angle de Kretschmann pour augmenter leur sensibilité. Physiquement, ces dispositifs reposent sur l’excitation optique d’une onde optique de surface résonante au sein d’une couche mince, au comportement optique métallique et en interaction immédiate avec un superstrat constituant le milieu à analyser. Cette couche mince constitue la surface optique à analyser.

Il est commun pour les capteurs SPR d’appeler puce optique le système physique formé de ladite couche mince résonante et du substrat, sur lesquels elle repose et dont les dimensions sont souvent celles d’une lame couvre-objet utilisée en microscopie ou en biologie.

Le substrat des puces optiques employées peut être de dimensions et de matériaux variés. Pour les dispositifs SPR travaillant dans le visible ou le proche infrarouge, il s’agit bien souvent de substrats de verre ou de plastique lisses et transparents pour éviter de la diffusion. La couche optiquement résonante est située en surface de la puce optique pour être sensible à la présence d’un éventuel analyte formant le superstrat.

Exciter la puce optique revient à dire que l’on excite à l’aide d’un rayonnement lumineux la résonance optique de la puce optique. Cette résonance, lorsqu’elle est approchée angulairement, se traduit pour une composante de polarisation par un effondrement de l’intensité réfléchie et une variation importante de la phase.

Les conditions d’excitation non seulement angulaire mais également spectrale de la puce optique, et plus précisément de sa couche résonante, sont très sensibles à l’environnement immédiat recouvrant cette couche.

Physiquement, dans la puce optique, l’onde polaritonique de surface est induite par l’oscillation de porteurs libres en concentration suffisante au sein de la couche mince qui peut être un métal noble comme de l’or, de l’argent du cuivre, etc. Pour réaliser une excitation angulaire efficace dans cette couche plus ou moins résonante, l’illumination de la couche mince est typiquement réalisée en réflexion totale atténuée. Pour obtenir une réflexion totale atténuée, on utilise un élément optique de couplage permettant d’obtenir une illumination en incidence sur-critique de la couche résonante. L’optique de couplage consiste souvent en un prisme transparent dont la surface d’entrée est telle que le faisceau rentre dans celui avec un angle suffisamment fort, vis-à-vis de la normale à la surface cible, pour permettre ce type d’excitation. Ceci explique que la puce optique inclut parfois une telle optique de couplage. A défaut, si la puce optique n’inclut pas d’optique de couplage, la puce peut être mise en contact optique avec une optique de couplage grâce à un liquide ou un gel d’indice ou encore avec un adhésif suffisamment transparent.

Ainsi, dans les dispositifs SPR, le substrat de la puce optique est associé à une optique de couplage, comme un prisme, que le dépôt de la couche mince résonante soit fait directement sur cette optique ou non.

Dans certains cas, moins communs s’agissant de dispositifs commerciaux, l’optique de couplage permettant de réaliser une réflexion totale n’est pas nécessaire : c’est le cas si l’optique de couplage utilise un réseau et aussi pour une catégorie particulière de dispositifs SPR, dits LSPR dans lesquelles les couches minces résonantes sont typiquement structurées pour confiner davantage la résonance en surface. Dans ce cas, le couplage entre la lumière incidente et la couche résonante s’effectue grâce aux propriétés optiques de la couche structurée elle-même, la structure éclairée induit l’excitation polaritonique de surface. Dans ces cas, l’optique de couplage n’est plus absolument nécessaire et son rôle peut se réduire à celui de simple support mécanique, comme un support ajouré laissant passer le faisceau sans l’affecter ou un support transparent n’induisant pas d’excitation sur-critique. Même pour les dispositifs LSPR, c’est-à-dire quand la couche résonante est structurée, il existe typiquement un domaine angulaire d’excitation optimale, même si les conditions d’incidences permettant une excitation résonante peuvent être nettement moins critiques qu’en l’absence de structuration de la surface.

Ainsi, la puce optique est constituée d’un substrat recouvert d’une couche optiquement résonante (structurée ou non) et l’excitation optique de cette puce dépend de l’angle mais aussi de la longueur d’onde du faisceau incident.

Plus récemment, on trouve des dispositifs identiques aux dispositifs SPR, mais dans lesquels les résonances optiques sont induites par les vibrations atomiques dans les matériaux polaires. Le principe de fonctionnement de ces dispositifs est identique : Les conditions d’illumination spectrales et angulaires de la résonance optique de cette couche mince sont également très sensibles à l’environnement immédiat recouvrant cette couche. Ces dispositifs sont parfois appelés dispositifs SPhR pour dispositifs à résonance de phonon polariton de surface, ou simplement dispositifs à résonance de phonon de surface. Il s’agit de la même famille d’instruments.

Pour de nombreuses applications, le milieu d’analyse sondé est généralement fluide, qu’il s’agisse d’une solution saline, de sérum, de salive, de vapeurs, de gaz, d’eau, d’huiles, de jus, ou encore d’autres fluides humains ou animal, etc.

La couche optiquement résonante dont l’épaisseur est typiquement de quelques dizaines de nanomètres, pour un fonctionnement dans le visible ou proche infrarouge, peut être fonctionnalisée à l’aide de molécules dites « sondes » pour capturer spécifiquement des cibles moléculaires d’intérêt, comme des pathogènes, des polluants, des biomarqueurs, des molécules de médicaments etc.

Comme les cibles moléculaires d’intérêt sont généralement biochimiques, la surface de la puce optique est généralement fonctionnalisée par des sondes biochimiques visant à attraper lesdites cibles. La puce optique, aussi dite puce SPR, est alors souvent qualifiée de biopuce du fait de cette fonctionnalisation.

La fonctionnalisation de la puce SPR permet de détecter une cible ou des cibles d’intérêt. La fonctionnalisation consiste typiquement à greffer des biomolécules sur la surface de la puce SPR, ces biomolécules spécifiques peuvent être de différents types comme de l’ADN, des aptamers, des anticorps, des peptides, des protéines, etc. Ces biomolécules sont typiquement qualifiées de sondes. La fonctionnalisation de la surface de la biopuce peut aussi inclure des agents de surfaces antiadhésifs pour éviter des contaminations indésirables, notamment via l’utilisation de PEGs (polyéthylène-glycols).

A titre d’exemple, lors de la fonctionnalisation, le greffage des sondes se fait souvent à l’aide de fonctions thiols ou polythiols pour les puces SPR aux surfaces d’or.

Comme mentionnée, la couche résonante comprend généralement un métal noble comme de l’or et sa résonance optique est obtenue pour un angle d’illumination spécifique θ_RESdépendant directement de l’indice optique du milieu sondé recouvrant ladite couche résonante.

Généralement, la biopuce est recouverte d’une chambre microfluidique pour permettre la mise en contact aisée avec l’élément fluide à analyser.

L’ensemble contenant l’élément optique de couplage tel qu’un prisme, la biopuce optiquement résonante en sa surface, et l’éventuel élément microfluidique utilisé pour convoyer le milieu fluide à analyser sur la biopuce résonnante est ici appelée cellule d’analyse.

Plusieurs configurations d’excitation optique existent. Dans une configuration, l’excitation optique de la surface d’intérêt est monochromatique et l’angle du faisceau traversant le système de couplage de la cellule d’analyse est ajusté pour se placer au voisinage de la résonance optique de la biopuce qui se manifeste le plus fortement à l’angle θ_RESpar rapport à la normale à la surface d’intérêt de la biopuce, angle pour lequel l’intensité réfléchie de la composante de polarisation p s’effondre. La composante s est typiquement peu affectée sauf si la surface résonante de la biopuce contient des résonateurs sensibles à la composante s de la lumière incidente. La lumière réfléchie sur la biopuce est monitorée après réflexion, à l’aide d’un système de détection comprenant à minima un ou plusieurs détecteurs optiques. Cette détection peut être assurée par un détecteur ponctuel, lorsqu’une seule zone de la biopuce est monitorée sans résolution spatiale. Mais cette détection peut être assurée par une pluralité de détecteurs, et peut même inclure un dispositif imageur comprenant des optiques et un détecteur matriciel placé pour imager la surface résonnante. Des filtres optiques peuvent être ajoutés pour éliminer les signaux indésirables.

La mesure SPR peut consister à monitorer, via le système de détection, les variations de réflexion optique se produisant en présence des cibles d’intérêt, qui tendent à augmenter l’indice optique au voisinage de la biopuce à mesure que lesdites cibles sont capturées par la surface de la biopuce. Il est également possible de détecter dans le même temps une variation de phase optique correspondant à une variation du paramètre ellipsométrique, souvent noté Δ, correspondant au déphasage entre les composantes p et s de l’onde réfléchie. Les variations d’intensité ou encore les variations relatives de phase de l’onde p réfléchie, dans le cas d’une mesure interférométrique, traduisent l’existence d’un changement d’indice optique due à l’accumulation de molécules cibles dans le voisinage immédiat de la couche résonante de la puce optique.

L’évolution temporelle de l’intensité ou de la phase induit par le changement d’indice superficiel est communément appelé sensograme. Ce signal permet notamment de suivre, en temps réel la dynamique d’association ou de dissociation entre molécule cible et sonde, et ce sans adjonction de marqueur fluorescent.

Cependant, comme l’angle résonant θ_RESdépend de l’indice optique environnant et donc de la concentration de la cible, il est important de pouvoir ajuster l’angle d’incidence pour pouvoir se placer dans des conditions d’excitation favorables.

L’excitation optimum de la résonance requiert idéalement une longueur d’onde λ spécifique. Néanmoins, les résonances des ondes de surfaces ont une assez grande largeur spectrale, c’est à dire d’au moins plusieurs dizaines de nanomètres ou plus. Ainsi, les capteurs SPR peuvent travailler avec d’excellentes performances avec une longueur d’onde fixe, qu’il s’agisse par exemple d’une diode laser ou encore d’une source plus étendue spectralement comme une LED, opérant notamment dans le rouge ou le proche infrarouge s’agissant de biopuces recouvertes d’une couche optiquement résonante en or. En revanche, l’angle d’incidence au niveau de la biopuce doit typiquement être ajustée avec soin, car les résonances peuvent être très aigues angulairement, notamment sur les mesure de phases où des variations de l’ordre du centième de degrés sur l’angle d’incidence peuvent conduire à une variation notable de la résonance.

Bien qu’il soit possible de travailler avec un angle fixe bien choisi, la dynamique de mesure est généralement grandement réduite si ce choix est fait. Il est donc préférable de pouvoir ajuster l’angle d’incidence.

Idéalement, pour l’analyse optique des surfaces et en particulier pour le SPR, il serait souhaitable que l’ajustement angulaire puisse se faire de manière simple, précise, sur un domaine angulaire assez large, comme une dizaine de degrés, et assez rapidement, tout en ayant un dispositif léger, peu encombrant et peu couteux. Mais, suivant le niveau d’exigence sur ces différents points, une telle combinaison d’avantages est difficile à obtenir et n’est pas connu de l’homme de l’art.

Pour les dispositifs d’analyse en réflexion de surface d’intérêt, notamment en ellipsométrie, le balayage angulaire, quand il est possible permet de s’approcher de l’angle de Brewster. Le balayage est généralement effectué en inclinant le bras d’éclairage autour d’un axe de rotation centré sur la surface cible à analyser pour ne pas que le faisceau de rayonnement s’écarte de la zone d’intérêt située sur cette surface cible à analyser.

Dans les dispositifs SPR également, pour exciter une résonance optique à des fins de biodétection, il est très important de pouvoir ajuster l’angle pour atteindre la résonance de la surface d’intérêt. Pour exciter convenablement la résonance, deux approches (a, b) ayant chacune des avantages ou inconvénients sont possibles :
- La surface d’intérêt peut être excitée à travers l’élément de couplage avec une pluralité d’angles, typiquement obtenue avec une illumination divergente ou convergente et la détection angulaire, dans ce cas, s’effectue de manière statique via un détecteur matriciel. Le faisceau incident sur la biopuce forme donc un cône lumineux d’incidence, et les optiques employées pour le produire sont typiquement cylindriques. Ainsi, dans cette approche, on disperse angulairement le signal autour d’un axe optique, au lieu de balayer l’angle (comme pour une lentille à révolution sphérique, pour une lentille cylindrique, l’axe optique correspond à un axe pour lequel un rayon incident est non dévié). Ainsi, cette approche ne nécessite pas de pièce mobile pour ajuster l’angle d’incidence autour de l’angle de résonance optique de la biopuce. Mais, cette approche nécessite donc, en aval de la biopuce, c’est-à-dire dans le système de détection, l’emploi d’un détecteur matriciel. Le signal SPR d’intérêt autour de la résonance se manifeste par l’existence par d’au moins une zone sombre au sein du spot mesuré par le capteur matriciel, et dans le voisinage duquel des sensorgrammes peuvent être obtenus;
- La biopuce peut-être excitée avec un système de balayage angulaire afin de déterminer la position angulaire de la résonance et ainsi permettre de se placer dans le voisinage angulaire de cette résonance. En se positionnant angulairement au voisinage de la résonance, on se place dans les conditions d’excitation favorables pour enregistrer le sensorgramme.

Cette seconde approche (b), compatible avec une illumination collimatée, permet une excitation spatialement plus uniforme de la résonance, facilitant l’analyse en imagerie si le système utilise un détecteur matriciel. En effet, dans ce cas, le détecteur peut être entièrement consacré à l’imagerie et non pas à la mesure d’une dispersion angulaire. Cette seconde approche (b) est également intéressante pour une mesure à l’aide de détecteurs ponctuels, puisque l’illumination de la puce optique est plus uniforme, ce qui allège le traitement du signal par rapport à un détecteur matriciel. Enfin le rapport signal à bruit est très bon. Si le balayage est rapide, l’approche (b) est donc désirable si le problème de la réalisation pratique du balayage angulaire est résolu. Enfin, même dans l’approche (a), un certain balayage angulaire peut être utile pour centrer grossièrement la résonance dans la plage angulaire accessible par le capteur matriciel.

Plusieurs approches ont été proposées pour réaliser un balayage angulaire. Cependant, il est apparu plusieurs difficultés. Ainsi, pour des applications de capteurs SPR compact, il est souhaitable que le système reste peu encombrant et peu énergivore; ainsi le déplacement, comme dans certains ellipsomètres ou dispositifs SPR, de l’ensemble du bras d’illumination, voire du bras de détection n’est pas souhaitable pour ce type d’applications, notamment pour des raisons de robustesse, de stabilité, ou de rapidité de balayage angulaire. Ce type de montage est cependant courant, car acceptable pour des dispositifs volumineux ou la portabilité et la rapidité ne sont pas trop critique. De même, l’élément de couplage étant solidaire ou en contact avec la biopuce il n’est pas très souhaitable que cet ensemble soit déplacé mécaniquement pour produire l’ajustement ou le balayage angulaire, pour des raisons de robustesse mécanique ou pour permettre des designs de cellule d’analyse peu contraint dimensionnellement.

Une difficulté pratique également est qu’il est souhaitable que le balayage angulaire se produise en conservant une zone d’analyse inchangée au niveau de la biopuce, durant le balayage d’angle. Ainsi il n’est généralement pas souhaitable que le balayage produise un déplacement sensible du faisceau au niveau de la surface résonante de la biopuce. L’emploi direct d’un déflecteur de faisceau tel qu’un miroir tournant ou un modulateur acousto-optique, plus rapide mais cher et relativement encombrant, n’est donc généralement pas directement possible. Pour résoudre cette difficulté, l’emploi de tels déflecteurs angulaires doit être couplé à un système mécanique ou optique particulier pour permettre l’excitation sur une zone fixe et éventuellement sans moyennage angulaire c’est-à-dire en conservant une excitation collimatée. L’utilisation d’un déflecteur et d’un système optique adapté ou de pièces mobiles supplémentaires augmente l’encombrement et le coût.

Par élément déflecteur de faisceau, on entend, au sens de la présente invention, un élément pouvant modifier dynamiquement l’angle du faisceau incident et consistant soit en un déflecteur acousto-optique, un déflecteur électro-optique ou encore un miroir mobile, tel que, par exemple un miroir galvanométrique.

A titre d’exemple, le brevet américain US 7,576,863 décrit un système de balayage angulaire à déflecteurs réfléchissants mobiles présentant certains des inconvénients de complexité précédemment cités, en ce qu’il nécessite un dispositif mobile supplémentaire à l’utilisation de déflecteur de faisceau pour maintenir le faisceau sur la zone d’analyse.

De même, la demande de brevet chinois CN109490278 décrit un dispositif complexe nécessitant de mettre en rotation la cellule d’analyse comprenant la surface à analyser elle-même et l’optique de couplage pour obtenir un ajustement fin de l’angle d’incidence sur la surface à analyser.

Afin d’améliorer la sensibilité, il est souhaitable que le dispositif SPR puisse incorporer une détection en phase, ce qui est peu répandu et souvent onéreux. Il est connu que mesurer la phase de la composante p du champ, et non seulement son intensit, peut apporter un gain en sensibilité de l’ordre d’un facteur dix ou plus pour des puces optiques suffisamment résonantes, mais la dynamique de mesure se trouve réduite si le dispositif SPR permettant une telle mesure de phase ne permet pas également de balayer angulairement le faisceau d’excitation afin de monitorer le déplacement angulaire de la résonance qui survient au cours de la détection.

Récemment, un dispositif laser pour interférométrie à polarisation a été développé par les présents inventeurs pour permettre d’obtenir une information de phase dans des dispositifs SPR compacts, de manière simple et compacte. Ce dispositif laser, qui est décrit dans la demande internationale WO2020128293, ne présente toutefois pas de solutions de balayage angulaire permettant de s’affranchir des problèmes susmentionnés.

Un but de l’invention est de fournir un dispositif de mesure ne présentant pas les inconvénients usuels des dispositifs réflectométriques inclinés à balayage tels que les systèmes SPR à balayage cités ci-dessus.

En particulier, un but de l’invention est de permettre un balayage angulaire d’un faisceau incident relativement rapide sans devoir utiliser d’élément déflecteur de faisceau mentionné.

Un autre but de l’invention est de permettre une illumination contrôlée angulairement avec une résolution angulaire précise et ajustable, sans moyennage angulaire (c’est-à-dire en condition d’éclairage collimaté).

Un autre but est de permettre un contrôle angulaire via un seul élément mobile pour conserver une grande simplicité de mise en œuvre, une grande compacité et des éléments peu onéreux.

Un autre but est que ce système soit compatible avec une mesure SPR sensible à la phase et avec l’utilisation d’un dispositif compact.

Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la réponse optique en réflexion d’au moins une zone d’intérêt d’une surface cible à analyser, ledit dispositif de mesure comprenant :

• un dispositif émetteur comprenant au moins une source de rayonnement optique et produisant un faisceau incident de ce rayonnement,
• un système optique destiné à recevoir en entrée ledit faisceau incident et comprenant une lentille convergente apte à infléchir ledit faisceau incident en un faisceau émergent dirigé vers ladite surface cible, ledit faisceau émergent étant incliné d’un angle θ_INCpar rapport à la normale de ladite surface cible et
• un dispositif de détection de nature optoélectronique pour déterminer, après réflexion sur ladite surface cible, les caractéristiques du rayonnement réfléchi,

ledit dispositif de mesure étant caractérisé en ce que ledit système optique comprend en outre une lame transparente inclinable traversée par ledit faisceau incident et positionnée en amont de ladite lentille convergente, ladite lame transparente inclinable étant apte à être inclinée de manière à contrôler le déplacement dudit faisceau la traversant afin d’ajuster l’angle θ_INCdu faisceau émergent de ladite lentille convergente tout en conservant la même surface cible.

Par lentille convergente, on entend, au sens de la présente invention, une lentille épaisse convergente ou tout système optique convergent assimilable à une lentille épaisse, comme par exemple une association convergente de lentilles.

Un support mécanique permet de positionner la surface cible de manière à réaliser un éclairage incliné vis-à-vis de la normale à ladite surface cible.

De manière avantageuse, le dispositif de mesure selon l’invention peut en outre comprendre au moins une lentille supplémentaire en amont de la lame transparente inclinable, cette lentille supplémentaire étant apte à ajuster la collimation du faisceau émergent.

De manière avantageuse, le dispositif de mesure selon l’invention peut en outre comprendre:
- un moteur apte à modifier l’inclinaison de la lame transparente inclinable, et
- un interfaçage électronique permettant d’acquérir les signaux issus du dispositif de détection et de commander le moteur afin d’ajuster automatiquement l’angle d’incidence θ_INCdu rayonnement de la surface cible.

La présente invention a également pour objet un procédé de caractérisation optique d’une surface cible comprenant un substrat et/ou une ou plusieurs couches minces par réflectométrie à balayage angulaire, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un dispositif de mesure selon l’invention tel que défini précédemment, ainsi que l’utilisation d’un tel procédé à des fins de détection biomoléculaire.

Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif selon l’invention, la surface cible peut être en surface d’une puce optique résonnante, notamment une puce LSPR (acronyme désignant une résonance SPR localisée, c’est-à-dire une résonance à plasmon de surface localisée) qui comprend un substrat solide transparent recouvert d’une couche mince résonante sensible à un superstrat fluide la recouvrant.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif pourra avantageusement comprendre en outre une optique de couplage présentant au moins une face d’entrée apte à recevoir le faisceau émergent et une face de sortie traversée par le faisceau réfléchi, et on utilisera avantageusement à titre de puce optique résonnante, une puce SPR optiquement couplée à l’optique de couplage. Dans ce mode de réalisation, le rayonnement traverse la puce optique et se réfléchit en condition de réflexion totale interne sur la surface cible à analyser.

De préférence, pour ce mode de réalisation, on pourra utiliser à titre d’optique de couplage un prisme dont la surface d’entrée est plane et une lentille supplémentaire permettant d’ajuster la collimation en sortie du système optique.

De manière avantageuse, pour ce mode de réalisation, la puce optique résonnante pourra être, selon une variante de ce mode de réalisation, fonctionnalisée en au moins une zone afin de détecter des cibles biomoléculaires circulant dans le superstrat fluide.

De manière avantageuse, selon une première variante de ce mode de réalisation, le dispositif selon l’invention pourra comprendre à titre de dispositif émetteur un dispositif laser pour interférométrie à polarisation, avec un polariseur d’analyse disposé au niveau dudit dispositif de détection.

La présente invention a également pour objet un procédé de mesure de la réponse optique en réflexion d’une surface cible à analyser, mettant en œuvre ce mode de réalisation avantageux du dispositif selon l’invention tel que défini ci-dessus (et notamment la première variante), et dans lequel le déphasage de la composante p dudit rayonnement après réflexion sur la surface cible est déterminé par rapport à la phase de la composante s dudit rayonnement après réflexion sur la surface cible.

De manière avantageuse, selon une deuxième variante de ce mode de réalisation, le dispositif selon l’invention pourra présenter les caractéristiques suivantes: la surface cible à analyser comprend de multiples zones d’intérêt fonctionnalisées pour détecter des cibles biochimiques ; l’illumination au sein de l’optique de couplage est collimatée, et le dispositif de détection comprend une pluralité de détecteurs.

Brève descriptions des figures

D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées et aux exemples :
- : la représente schématiquement un exemple de dispositif de mesure selon la présente invention ;
- : la représente le dispositif de mesure de la avec un angle d’incidence augmenté ;
- : la représente le dispositif de mesure de de la avec un angle d’incidence réduit ;
- : la représente schématiquement une cellule de détection C destinée à être disposée dans les modes de réalisation du dispositif de mesure représenté sur les figures 1 et 5 (voir ci-après)
- : la représente un schématiquement un mode de réalisation du dispositif de mesure selon l’invention adapté à la mesure SPR ;
- : la représente une mesure réflectométrique à balayage angulaire en intensité réalisée avec le dispositif selon la , cette figure étant commentée dans l’exemple de réalisation n°1 ;
- représente une mesure réflectométrique à balayage angulaire en intensité et en phase réalisée avec le dispositif selon la , cette figure étant commentée dans l’exemple de réalisation n°2;
- représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de mesure selon l’invention adapté à la caractérisation ellipsométrique de couches minces

Description détaillée des figures

La représente un dispositif réflectométrique à balayage d’angle 100 selon un mode de réalisation adapté à la mesure SPR. Ce dispositif 100 comprend un dispositif émetteur 1 produisant un faisceau 2 représenté sur la figure par deux de ses rayons émergents. Un système optique convergent assimilable à une lentille épaisse 3 permet de créer une image de la source de rayonnement au voisinage du plan objet P0 d’un second système optique assimilable à une lentille épaisse 7 de focale effective f’ afin de produire un faisceau d’illumination collimaté ou approximativement collimaté au sein de la cellule de détection C, qui comprend la surface optique à analyser.

La cellule de détection C inclus typiquement une optique de couplage C1 munie d’une surface d’entrée S1 traversée par le faisceau d’illumination. Le rôle principal de C1 est de permettre une illumination de la surface optique à analyser en condition de réflexion totale interne. La surface à analyser est donc ici posée sur la surface supérieure de C1. La présence de C1 est nécessaire pour exciter la majorité des surfaces SPR ; qui en effet nécessitent une incidence surcritique, c’est-à-dire une incidence en condition de réflexion totale interne, autour d’un angle particulier. Pour certaines surfaces, l’illumination en réflexion totale atténuée n’est pas nécessaire de même que la présence de C1, c’est le cas de certaines surfaces nanostructurées présentant des résonances SPR localisées, dites LSPR, mais aussi de surfaces SPR pouvant comprendre un réseau ou si l’utilisateur souhaite travailler hors résonance par exemple pour caractériser la surface d’intérêt indépendamment de tout analyte, par exemple pour des mesures ellipsométrique. Ainsi C1 est avantageusement escamotable.

La surface d’entrée S1est assimilable à un dioptre qui avec une courbure appropriée peut jouer le rôle de la lentille 7, mais cela est peu souhaitable car cela pose des contraintes dimensionnelles plus importantes sur l’optique de couplage C1. Ainsi, on préfère que la lentille 7 forme un élément à part entière du dispositif, c’est-à-dire dissocié de C1.

Avantageusement, l’orientation de la surface d’entrée S1 est telle que l’angle entre sa normale et le faisceau la traversant et provoquant la résonance est faible. En effet, il est connu que de travailler avec des angles faibles vis-à-vis de la normale à un dioptre favorise le stigmatisme et minimise un éventuel moyennage angulaire par ce dioptre, qui serait lié à ses aberrations.

L’angle moyen d’incidence θ_INCdu faisceau 8 émergent de l’optique 7 en direction de la cellule de détection C est ajusté en inclinant l’angle α d’une lame transparente mobile 5 dont le rôle est de décaler l’axe de propagation du faisceau 4 émergent de l’optique 3. Ainsi, le faisceau 6 émergent de la lame transparente 5 se trouvera décalé si la lame transparente est inclinée. De ce fait l’image produite par la lentille épaisse 3 est également décalée, produisant un faisceau 8 d’inclinaison moyenne ajustable par ce biais et passant avantageusement par un point fixe centré sur la zone d’intérêt en surface de la puce optique présente au sein de la cellule de détection C.

Le faisceau émergent de la cellule de détection avec un angle θ_REFest recueilli par un dispositif de détection 11 comprenant au moins un détecteur optique.

Le système de détection est de type optoélectronique et son rôle est de recueillir le signal optique en provenance de la zone d’intérêt. Il peut inclure des éléments de nature à faciliter l’analyse du signal optique comme des optiques de collection, un filtre optique pour minimiser le rayonnement indésirable, etc.

La représente le dispositif SPR à balayage d’angle 100 où la lame transparente mobile, initialement attaquée en incidence normale sur la , a été inclinée de manière à augmenter l’angle d’incidence θINC par rapport à sa valeur initiale, telle qu’elle était schématiquement représentée sur la .

La représente le dispositif SPR à balayage d’angle 100 où la lame transparente mobile a été inclinée de manière à réduire l’angle d’incidence θINC par rapport à sa valeur initiale, telle qu’elle était schématiquement représentée sur la .

En pratique la lame transparente mobile 5 peut être une simple lame parallèle d’épaisseur e et d’indice n et peut consister en une simple lame de verre. Avantageusement la lame peut être traitée pour éviter des réflexions multiples.

Par rapport au cas où il n’y a pas de décalage de faisceau induit par la lame mobile 5, le décalage D du faisceau 4 induit par la lame mobile 5 crée une variation d’angle Δθ_INC=D/f’ de l’angle θ_INC, où f’ est la distance focale effective du système optique formé par le système optique 7.

Si on note f’’ la distance focale effective du système optique épais formée par le système optique 7 et l’éventuelle optique de couplage, la variation d’angle d’incidence induite par le décalage D du faisceau 4 induit par la lame mobile 5 au niveau de la puce optique est Δθ_PR=D/f’’.

Par ailleurs, le décalage D est une fonction connue de l’indice n, de l’angle d’inclinaison α de la lame et l’épaisseur de la lame e. En choisissant l’origine angulaire de α pour une incidence normale du faisceau 4 par rapport à la surface de la lame 5, on a :
D=e*sin α (1-cos(α)/g^0,5)
avec g=(n²-sin²α).

On remarque que la variation de D du faisceau 4 induite par une rotation de l’angle α de la lame est maximale pour les faibles valeurs de α, et dans ce cas, D est proportionnel à α et vaut simplement D≈ a*e*sin(α) ≈ a*e*α, avec α = (n-1)/n.

Si la précision ou l’incertitude sur le contrôle de l’inclinaison α de ladite optique 5 est de u(α), alors le dispositif 100 permet d’obtenir une précision sur l’angle d’incidence u(θ_INC) qui par rapport à la valeur de_u(α)est divisée d’un facteur minimal coeff_min=f’/(a*e) allant aisément de 10 à plus de 100 en fonction du facteur de forme e/f’ consentit. Des coefficients d’amélioration représentatifs sont donnés dans le tableau 1 ci-après pour n=1.5 :

coeffmin	f' (mm)
		10	20	50
e (mm)	0,6	50	100	250
	1	30	60	150
	2	15	30	75
	3	10	20	50
	4	7,5	15	37,5
	5	6	12	30

Ainsi le dispositif 100 est avantageux car il offre notamment deux manières indépendantes d’améliorer la résolution angulaire par rapport à la résolution u(α) du système employé pour incliner la lame, soit en diminuant l’épaisseur e de la lame, soit en augmentant la distance focale f’.

Par ailleurs, l’inclinaison de la lame 5 peut être aisément réalisée en la plaçant sur l’axe d’un servomoteur ou encore d’un moteur pas à pas. Des moteurs pas à pas légers et peu encombrants peuvent assurer un pas de rotation de l’ordre de u(α)=0,05° ou mieux. Ainsi la résolution angulaire typique sur θ_INCpeut être de l’ordre de u(θ_INC)≈0,001° ou mieux selon la valeur de coeff_minobtenu par design, c’est-à-dire selon le choix de l’épaisseur e de la focale f’.

Pour une épaisseur de lame e donnée, la plage angulaire de balayage maximale pour θ_INCpeut être optimisée en jouant sur la position et les dimensions de la lame ainsi que les dimensions du faisceau 4. Cette analyse peut être faite par tracé de rayon en considérant les inclinaisons extrêmes de la lame 5 permettant d’obtenir que le faisceau 6 soit correctement intercepté par la lentille 7, c’est-à-dire idéalement dans son entièreté pour ne pas diffuser le faisceau et conserver un flux lumineux favorable à l’obtention d’un bon rapport signa là bruit. Sans simulation, une analyse analytique rapide montre que le décalage algébrique maximal D induit par une lame d’épaisseur e vaut ±e en incidence rasante, ce qui donne une plage angulaire théorique maximale de ± e/f’. Le tableau 2 ci-après donne les gammes maximales accessibles (en °) pour l’angle θ_INCpour des valeurs représentatives de e et f’.

θINC	f' (mm)
		10	20	50
e (mm)	0,6	± 3,44°	± 1,72°	± 0,69°
	1	± 5,73°	± 2,86°	± 1,15°
	2	± 11,46°	± 5,73°	± 2,29°
	3	± 17,19°	± 8,59°	± 3,44°
	4	± 22,92°	± 11,46°	± 4,58°
	5	± 28,65°	± 14,32°	± 5,73°

En pratique ces valeurs limites pour θ_INCne sont pas atteintes en raison de l’extension non nulle du faisceau qui ne se limite pas à un seul rayon, et du fait que la lame est également de dimension finie. Ainsi la dimension latérale finie de la lame entraine une réduction de la valeur de décalage D maximale accessible, car les valeurs de D extrêmes ±e ne peuvent être atteintes qu’asymptotiquement pour un faisceau 4 s’apparentant à un rayon unique fin et une lame de dimension latérale supérieure à e/(n²-1)^0,5au moins. La conséquence est que, en pratique, au-delà d’un certain angle pour α, le signal optique est diffusé par les bords de la lame 5 et le signal détecté dans le bras de collection, c’est-à-dire dans le dispositif de détection 11, diminue assez rapidement. La valeur de cet angle limite pour α est plus ou moins élevée en fonction du diamètre du faisceau et des dimensions latérales de la lame vis-à-vis de son épaisseur. Par exemple, expérimentalement, une partie importante du signal disparaît au-delà d’un angle |α| de 77° environ pour une lame de dimension latérale égale à trois fois et demi l’épaisseur de lame e , éclairée avec un faisceau de largeur e/2. Néanmoins, les valeurs d’angle θ_INCthéoriques maximales exposées dans le tableau 2 peuvent être approchées à plus de 70% avec des facteurs de formes e/f’ de l’ordre d’un cinquième et un faisceau de largeur e/2.

Avantageusement, la dimension latérale de la lentille 7 est supérieure à deux fois le décalage maximal, accessible en pratique, plus le diamètre du faisceau au niveau de la lentille 7, ceci afin d’éviter de diaphragmer inutilement le faisceau.

Selon une réalisation préférée de l’invention, la surface d’entrée S1 de l’optique de couplage C1 est écartée de la lentille 7, c’est-à-dire qu’elle n’est pas solidaire, comme cela est possible, du système optique 7.

Avantageusement, pour des raisons de coût et de facilité d’obtention de l’optique de couplage C, la surface d’entrée S1 de l’optique de couplage est plane. Il est alors préférable que l’angle au sommet du prisme A_PRsoit proche de l’angle des rayons θ_PRpermettant d’exciter la résonance optique dans la biopuce. Dans ces conditions, la surface d’entrée S1 plane joue le rôle d’une optique approximativement stigmatique garantissant que la zone d’intérêt au voisinage de l’axe optique et du plan P1 reste toujours ciblée au cours du balayage. Pour une surface d’entrée S1 plane, le faisceau 8 subit une réfraction réduisant la plage angulaire accessible pour θ_PR, par rapport à la plage des θ_INC, d’un facteur approximativement égal à n_PR/n_INC, où n_PR est l’indice de l’optique de couplage et n_INCl’indice du milieu entre la lentille 7 et la surface d’entrée S1 typiquement approximativement égal à un. Dans ces conditions, les variations sur l’angle θ_PRau sein de l’optique de couplage sont contrôlées avec une précision u(θ_PR) encore améliorée, par rapport à u(θ_INC) donnée précédemment, d’un facteur valant typiquement n_PR≈1,5 pour un prisme en verre dans le visible et plus généralement valant u(θ_PR)= u(θ_INC)* n_INC/n_PR. La plage angulaire pour l’angle θ_PRest également réduite du même facteur par rapport aux valeurs maximales théorique données dans le tableau 2. Un exemple de gamme accessible réalisée pratiquement est notamment donné dans le premier exemple détaillé qui va suivre.

EXEMPLES

EXEMPLE 1 : réalisation d’un dispositif d’analyse réflectométrique à balayage angulaire d’une surface cible de type SPR en intensité .

On réalise un dispositif réflectométrique à balayage angulaire 200 illustré sur le schéma de la , adapté à la biodétection SPR et permettant de détecter la réponse en réflexion d’une surface cible ici située au sein d’une cellule de détection C représentée sur le schéma détaillé de la . Le dispositif 200 comprend les éléments suivants fixés sur une surface plane T2 parallèle au plan d’incidence :
- un dispositif émetteur 1, ici composé d’une source laser collimatée de type VCSEL référencé « VC670M-TO46GL » émettant à 670 nm environ ;
- une lentille supplémentaire 3 (lentille épaisse 3), de forme plan convexe cylindrique référencée LJ1402L2 chez Thorlabs Inc ;
- une lame mobile 5 consistant en une lame de verre de 5.0mm d’épaisseur et de dimensions latérales carré de 15mm, montée sur l’axe d’un moteur pas à pas ;
- une lentille convergente 7 (lentille épaisse) référencée LJ1810L2 chez Thorlabs Inc., de focale H’F’=24.88 mm, séparée de la lentille supplémentaire 3 par une distance de 66.6mm le long de l’axe optique ;
- La cellule de détection C a comme élément de couplage optique un prisme à faces planes en verre N-BK7, d’angle au sommet A_PR= 67.5°. La surface d’entrée S1 est plane et polie. La face supérieure du prisme, plane et polie également, est couplée via une huile d’indice à une puce optique C2 comprenant en surface une couche optiquement résonante de 47 nm d’or fonctionnalisée F1.

Dans cet exemple pratique de réalisation, la couche résonante d’or fonctionnalisée F1, représentée sur la , constitue la surface d’intérêt à analyser sur laquelle le rayonnement se réfléchit en réflexion totale interne au niveau d’une zone cible Z. La surface d’intérêt à analyser est en contact avec un circuit microfluidique C3 comprenant des canaux fermés par un couvercle en verre C4 muni d’entrées C41 et de sorties C42, ménagés pour pouvoir convoyer un fluide sur la surface à analyser de la puce optique.

La cellule de détection comprenant la surface à analyser est insérée dans un support mécanique T1 (cf. ). Ce support mécanique T1 permet de positionner la surface cible de manière à réaliser un éclairage incliné vis-à-vis de la normale à la surface cible F1. Le support mécanique consiste ici en plateau en plastique T1 ajouré pour accueillir la cellule de détection C. T1 est ici perpendiculaire au plan d’incidence et la surface de la puce optique est parallèle au plateau T1. Dans cet exemple, pour une position initiale α=0° de la lame transparente mobile, la surface optique à analyser est inclinée d’environ 67,5° par rapport au rayonnement incident. Cet angle correspond à l’angle entre l’axe optique de la lentille épaisse 7 et la normale à la surface d’intérêt, ce qui correspond à un éclairage hors axe. C’est aussi l’angle entre la normale à la surface d’intérêt et la normale à la surface d’entrée S1.

Avantageusement, des miroirs peuvent être ajoutés sur le chemin du faisceau pour replier le chemin optique afin de minimiser l’encombrement total du dispositif 200. Ainsi dans l’exemple donné, un miroir M1 est placé entre la lentille épaisse 3 et la lame inclinable 5 pour minimiser la taille du dispositif selon la direction initiale du faisceau 2. De même un second miroir, M2 est ici ajouté pour minimiser la taille du dispositif selon la direction du faisceau 6 ayant traversé la lame 5.

L’ensemble du dispositif réalisé représenté schématiquement sur la occupe ici une surface inférieure à 16 cm par 8 cm.

Dans cet exemple, le laser VCSEL est polarisé relativement linéairement et est orienté pour que la composante p de polarisation soit prépondérante afin d’augmenter le rapport signal à bruit. Le système de détection consiste simplement en un détecteur ponctuel référencé Hamamatsu S6967.

Le système électronique d’acquisition du signal auquel le détecteur est raccordé, non représenté sur la , est situé derrière la surface T2. Ce système sert donc d’interfaçage électronique pour récupérer le signal optique détecté et permet aussi de contrôler l’orientation de la lame. En pratique, cet interfaçage est réalisé grâce à une carte électronique comprenant des entrées/sorties numériques au sein d’un microcontrôleur référencé STM32 G474. Cette carte est reliée à un dispositif d’affichage et d’alimentation par un câble USB. Dans cet exemple, la carte électronique est ainsi reliée à un PC portable qui permet via la carte électronique d’ajuster les paramètres de balayage angulaire. Par commodité, cette carte électronique alimente également la source laser et elle commande également l’inclinaison de lame 5 via un moteur pas à pas NEMA14 référencé chez Stepperonline avec 400 pas par rotation, qui est relié à l’électronique par un driver A4988 de chez Alegro Microsystems. Ainsi le système SPR réalisé est entièrement alimenté par USB et ne nécessite pas d’autres câbles d’alimentation ou de communication.

Le programme embarqué dans le microcontrôleur, usuellement dénommé «micrologiciel», permet de contrôler le moteur, le VCSEL ainsi que l’acquisition des signaux. Il est ici écrit en C, et est chargé dans le microcontrôleur à l’aide de l’environnement de développement logiciel STM32CubeIDE.

Le micrologiciel accepte des variables d’entrée permettant de définir la plage de balayage angulaire désirée et le temps d’acquisition pour chaque position du moteur. Ces entrées sont ici définies depuis une interface utilisateur réalisée en langage de programmation Python3 sur le PC, permettant d’envoyer ces informations au microcontrôleur via le port USB. Le micrologiciel envoie également le signal détecté à l’interface utilisateur pour affichage.

Ainsi l’angle d’incidence au niveau de la biopuce peut être ajusté librement ou balayé.

La représente le signal SPR détecté en fonction de l’angle d’incidence défini et balayé depuis l’interface utilisateur. Le signal représente ainsi l’intensité réfléchie sur la biopuce au niveau d’un canal microfluidique dans le quel circule une solution saline (Buffer PBS), d’indice légèrement supérieur à 1.333. Bien que l’angle puisse éventuellement être déterminé à l’aide de contrôle optique, ici il est connu précisément en valeur absolue car l’angle du moteur α est contrôlé par l’électronique.

En effet, l’angle obtenu en amont de la cellule de détection est donné par θ_INC=atan(D/H’F’), où le décalage optique vaut D=e*sin α (1-cos(α)/g^0,5) et g=(n²-sin²α). Dans notre cas H’F’=24.88mm, l’épaisseur de la lame e est de 5mm et son indice est environ n=1,515. L’angle α de la lame est contrôlé à une constante près par le moteur. L’angle θ_INCd’incidence sur la cellule de détection permet aisément de trouver l’angle incident sur la biopuce qui vaut θ_PR=asin(θ_INC/1,515). Une rotation complète de la lame permet de trouver les limites angulaires de détection qui correspond ici à 10° environ au sein de l’optique de couplage, c’est-à-dire pour θ_PR. Pour ce dispositif la résolution angulaire est u(θ_PR)≈ 0.0025°. Cette résolution est améliorable par design comme discuté auparavant.

Le balayage angulaire représenté sur la est ici obtenu en 5 secondes environ. Une fois la surface à analyser optiquement positionnée, le procédé de mesure SPR du signal réfléchi en fonction de l’angle d’incidence conduisant à ce type de courbe consiste simplement à enregistrer l’intensité du signal réfléchit pour une série de positions angulaires définie via l’interfaçage électronique. En fonction de la résolution angulaire souhaitée et du temps d’acquisition souhaité, le balayage peut être réalisé plus rapidement, par exemple en moins d’une seconde si aucun moyennage temporel n’est réalisé.

Dans cet exemple, la puce optique consistait en une lame couvre-objet en verre BK7 recouvert d’une monocouche d’accroche de mercapto-silane métallisée par 47 nm d’or environ.

Dans le système optique SO composé de la lentille épaisse 3, la lame transparente inclinable 5 et la lentille épaisse 7, la lentille supplémentaire 3 peut aussi être enlevée. Dans ce cas où la lentille supplémentaire 3 est absente, le système optique SO permet toujours d’ajuster l’angle moyen émergent du système optique composé de la lame inclinable 5 et de la lentille convergente 7. Cependant, sans la lentille supplémentaire 3, la collimation du faisceau émergent du système optique ne peut être ajustée pour obtenir un faisceau parallèle, ainsi les tables 1 et 2 sont toujours valables mais font référence dans ce cas à l'angle moyen émergent du système optique, qu’il s’agisse du facteur d’amélioration en résolution (table 1) ou de la plage d’angle (table 2). La lentille épaisse 3 permet donc d'éviter un moyennage angulaire, il est donc très préférable de la mettre pour améliorer la sensibilité du dispositif SPR, sauf si le dispositif de détection 11 comporte une pluralité de détecteurs importante permettant de discriminer les angles réfléchis, en particulier si le dispositif de détection comporte une CCD ou un capteur CMOS. Néanmoins dans ce cas, c'est-à-dire sans la lentille épaisse 3 mais avec une CCD ou un capteur CMOS dans le dispositif de détection 11, ces capteurs ne peuvent pas être pleinement utilisés pour de l'imagerie car alors une direction du capteur sert à discriminer l'angle. Ainsi l’ajout de la lentille supplémentaire 3 est avantageuse à cet égard en évitant cet inconvénient. Elle permet en particulier d’ajuster la collimation du faisceau émergent du système optique.

Pour ce premier exemple détaillé, la plage angulaire choisie correspond environ à une plage d’angle pour l’angle émergent du système SO de θ_INCde 15° environ centrée sur 67,5°. Compte tenu de l’indice du prisme, cette plage correspond pour θ_PRa une plage de 10° au-delà de 62°. Cette plage permet d'exciter la puce optique à l'angle de résonance qui se situe typiquement un peu au-delà de l'angle critique. En effet, l’angle critique dépend de l’indice du substrat de la puce optique, ici proche de n_{SUB =1,51}pour le verre BK7 composant le substrat, ainsi que de l’indice du superstrat la recouvrant, typiquement proche de n_SUP=1,33 pour un milieu aqueux. Pour ces valeurs d’indice, l’angle critique pour θ_PRest proche de 62°. Cette valeur d’angle critique est donnée par la formule asin(n_SUP/ n_SUB). Comme il convient d’être au-dessus, la plage choisie entre 62° et 72° est adaptée pour θ_PR, sachant que l’angle de résonance, supérieur à l’angle critique, augmente à mesure que la cible d’intérêt se greffe à la surface de la puce optique. Pour certaines applications, il peut être intéressant d’aller au-delà de θ_INC=75°, si le milieu sondé a un indice plus important. Le design peut être facilement adapté pour augmenter l’angle, qui reste dans tous les cas inférieur à 90°, soit en augmentant la plage angulaire en choisissant une lentille épaisse 7 de focale plus courte ou encore en augmentant l’inclinaison de l’axe optique défini par le système optique SO.

Si l'analyse se fait à sec (analyse de vapeur ou de gaz ou après séchage), ce qui est moins commun, n_SUPvaut approximativement un et l'angle critique est largement réduit. Dans ce cas, une plage conduisant à un angle θ_PRallant de 42° à 52°, en fonction de l'indice de l'optique de couplage, est satisfaisante. Les éléments de design donnés précédemment permettent facilement d’ajuster la plage d’angle et l’angle moyen pour garantir l’excitation de la résonance. Les dispositifs SPR ne travaillent habituellement pas en deçà de θ_INC=40° car la résonance des puces optiques est typiquement obtenue à des angles plus élevés. De même pour des mesures ellipsométrique de couches minces, l’angle d’analyse est généralement assez élevé pour pouvoir approcher l’angle de Brewster, ainsi il est préférable de travailler au-delà de θ_INC=40°. Dans l’infrarouge, au voisinage de fréquences phononiques ou de résonances plasma de certaines surfaces cibles, l’angle de Brewster peut être plus faible, mais cela reste exceptionnel. Pour des raisons d’encombrement, il est aussi préférable de travailler au-dessus de θ_INC=30° environ.

EXEMPLE 2 : réalisation d’un dispositif SPR à balayage interférométrique et détection multiple .

Avantageusement, le dispositif émetteur 1 peut produire un faisceau composé de plusieurs faisceaux parallèles. Dans ce deuxième exemple détaillé d’implémentation, le schéma de principe 200 est similaire au précédent pour ce qui est du balayage angulaire dont la plage et la résolution angulaire est identique. Cependant, le dispositif émetteur 1 produit deux faisceaux d’intensité similaire, uniquement séparés dans une direction perpendiculaire au plan d’incidence. En effet, le faisceau issu du VCSEL est ici séparé en deux faisceaux parallèles séparés d’une distance approximative de 3 mm. Les deux faisceaux étant parallèle en sortie du dispositif émetteur 1, ceux-ci peuvent aussi être perçu comme formant un seul faisceau de rayonnement possédant un profil d’intensité particulier, composé de deux maxima. Cette séparation est réalisée à l’aide d’une première surface semi réfléchissante puis d’une seconde surface réfléchissante récupérant le faisceau semi réfléchi. Ces surfaces écartées de 6mm environ sont inclinées de 30° pour produire une la séparation de 3 mm environ. Cette duplication du faisceau qui doit être réalisée avant la puce optique est ici réalisée au sein du dispositif émetteur 1, en sortie de ce dernier, mais cette duplication aurait pu être réalisée en aval de ce dispositif sans difficulté supplémentaire. Ces deux faisceaux subissent un balayage angulaire simultané à l’aide du même dispositif détaillé dans le premier exemple détaillé de réalisation, c’est-à-dire en inclinant la lame inclinable 5. Les deux faisceaux sont réfléchis en réflexion totale interne sur la surface résonante d’une puce optique au niveau de deux zones fixes situées au centre de deux canaux microfluidiques. Les faisceaux réfléchis sont détectés à travers la surface polie de sortie S2 du prisme grâce à deux détecteurs, référencé Hamamatsu S6967, présents dans le dispositif de détection 1.

Avantageusement également, le dispositif émetteur 1 inclut ici un dispositif laser pour interférométrie à polarisation pour permettre de détecter non seulement l’intensité mais aussi la phase du signal optique SPR convoyé par le faisceau 10 à l’aide du système de détection 11.

Ainsi, dans ce deuxième exemple de réalisation également, le dispositif émetteur 1 est constitué d’un dispositif laser pour interférométrie à polarisation similaire à celui détaillé dans la demande internationale WO2020128293A1 et représenté schématiquement sur la première figure de cette demande. Ce dispositif est utilisé pour générer un faisceau laser dont les composantes de polarisation sont temporellement modulées en phase l’une par rapport à l’autre.

Dans ce dispositif laser pour interférométrie à polarisation, la source est ici composée du même VCSEL que dans le premier exemple détaillé, mais son courant électrique d’injection est ici modulé temporellement à l’aide d’une électronique de contrôle inclus dans l’interfaçage électronique c’est-à-dire implémenté dans le programme du microcontrôleur. Dans le dispositif émetteur 1, le VCSEL est suivi d’un cristal biréfringent en YVO4 dont l’axe principal est orienté pour que ladite modulation temporelle induise une différence de phase modulée entre les composante p et s. du faisceau 2 émergent du dispositif émetteur 1. La longueur du cristal est ici de 14mm environ et sa section carrée est de 5mm. La modulation de courant d’injection du VCSEL est de l’ordre 2mA.

Un polariseur fixe, dit polariseur d’analyse, est ajouté dans le système de détection 11 pour permettre d’observer le battement interférométrique induit par la modulation de courant d’injection. Les deux détecteurs, référencés Hamamatsu S6967 sont donc placés juste après ce polariseur d’analyse pour détecter ces battements. Ici, deux détecteurs sont utilisés, de manière à ce qu’il y en ait un pour chaque zone analysée. Ainsi, le battement entre les composantes de polarisation est obtenu indépendamment sur chacun des deux détecteurs. Ces signaux acquis par l’électronique d’acquisition donnent accès non seulement à une information d’amplitude ou d’intensité sur le signal SPR réfléchi sur la puce optique mais également à l’information de phase optique de la composante p de polarisation. En effet, l’analyse du battement interférométrique entre les deux composantes du champ permet de récupérer amplitude et phase de la composante p, vis à vis de la composante s, considérée comme constante.

Dans ce second exemple détaillé de réalisation, on a donc deux sensorgrammes qui peuvent être enregistrés pour chacun des deux faisceaux : un sensorgramme d’amplitude, ou d’intensité si ce signal est mis au carré, et un sensorgramme de phase. De même, lors d’un balayage angulaire le dispositif donne accès à deux signaux en fonction de l’angle d’incidence θ_PRpour chaque zone analysée : un signal de phase et un signal d’amplitude ou d’intensité si celle-ci est mise au carré.

A titre d’exemple, la représente les signaux d’intensité, c’est-à-dire l’amplitude au carré, et de phase enregistrés sur un des deux détecteurs présents dans le bras de détection 11, obtenu après analyse des battements interférométriques acquis par le dispositif d’acquisition électronique. Ces signaux sont obtenus en fonction de l’angle, c’est-à-dire que l’intensité et la phase du signal SPR provenant d’un canal sont obtenus pour une série d’angles.

Dans cet exemple, la puce optique consistait en une lame couvre-objet en verre N-BK7 métallisée par 47nm d’or environ sans couche d’accroche. Le superstrat fluide consistait en une solution saline (solution buffer PBS) d’indice proche de 1.334.

Ainsi, une fois la surface à analyser optiquement positionnée, le procédé de mesure SPR en amplitude et en phase du signal réfléchi en fonction de l’angle d’incidence conduisant à ce type de courbe représenté sur la consiste simplement à analyser les battements interférométriques généré par le dispositif et enregistré via l’interfaçage électronique pour chaque angle défini via l’interfaçage électronique.

EXEMPLE 3 : Procédé de mesure reflectométrique à l’aide du dispositif à balayage angulaire SPR utilisé dans les exemples 1 et 2.

Dans les deux exemples détaillés de réalisations, des mesures ont été effectuées et représentées sur les figures 6 et 7 respectivement. Grâce à ce type de courbes, des sensorgrammes, c’est-à-dire des mesures en réflexion à angle fixe mais bien choisi, peuvent également être enregistrés en se plaçant angulairement au maximum de sensibilité. L’obtention du meilleur angle en termes de sensibilité se fait donc ici grâce au balayage angulaire réalisé comme sur les figures 6 et 7. La position angulaire correspondant au maximum de sensibilité correspond typiquement à l’angle pour lequel la variation de signal, en intensité ou en phase est maximale. Ainsi, des tests de détection moléculaires en intensité et en phase ont été réalisés pour un angle fixe voisin de 70° déterminé à l’aide de la (angle pour lequel l’intensité est proche de 0). Pour la puce optique décrite, le choix de cet angle a permis notamment de détecter en une dizaine de minutes de l’ADN en concentration nanomolaire à l’aide d’ADN complémentaire fixés à la surface d’or de la puce optique fonctionnalisée. Le même type de mesure peut être effectué sur quantité de cibles moléculaires en variant la nature des sondes fonctionnalisées en surface des biopuces.

Suivant la qualité de résonance des biopuces utilisées des limites de détection de l’ordre quelques micro-RIU ont été obtenu à l’aide du second exemple de dispositif détaillé 200. Cette évaluation de la limite de détection est obtenue en faisant circuler dans les canaux microfluidiques des liquides d’indices connus.

La même approche peut être suivie pour détecter diverses cibles biochimiques, tels que des virus, des bactéries, des médicaments, des biomarqueurs, etc. Cette détection peut être couplée à des mécanismes d’amplification comme des cultures dans le cas de bactéries ou bien d’amplification génique dans le cas détection ADN ou ANR.

Les propriétés optiques de la surface à analyser au sein de la cellule de détection, si cette surface inclut des couches d’indices et épaisseurs inconnues, peuvent également être analysées à l’aide du type de courbe représenté sur la . Par exemple, l’analyse de la peut conduire à la détermination des caractéristiques de la couche d’or comme son épaisseur et sa rugosité ainsi que les caractéristiques d’un éventuel addendum ce qui est utile pour caractériser la puce optique avant et après interaction avec le milieu fluide contenant les cibles d’intérêt. Par exemple, dans le cas de la qui apporte en plus une mesure de phase nous renseignant sur les paramètre ellipsométriques du faisceau réfléchit, une analyse de ce type de courbe à l’aide d’un code multicouche adapté à l’ellipsométrie permet d’estimer l’épaisseur de la couche d’or, qui dans ce cas est déterminé être égale à environ 46,5nm ainsi que la présence en surface d’une couche rugueuse d’or de 1nm d’épaisseur remplie à 50%. Ce type de mesure s’apparente alors à une mesure ellipsométrique, c’est-à-dire une mesure sensible la phase de la composante p vis-à-vis de la composante s, par réflectométrie à balayage angulaire. La résonance SPR de la couche permet d’amplifier la sensibilité de la mesure réflectométrique et de caractériser des couches très fines comme la couche rugueuse mentionnée.

EXEMPLE 4 : autres exemples de réalisation d’un dispositif SPR à balayage.

Des exemples précédemment donnés découle que le système de détection 11 peut inclure une pluralité plus importante de détecteurs tel qu’un détecteur matriciel de type CMOS en vue de détecter le signal SPR provenant d’un nombre nettement plus important de zones fonctionnalisées au sein du spot d’illumination, c’est-à-dire au sein de la zone éclairée en surface de la biopuce.

Egalement, le faisceau incident 2 peut être constitué de davantage de faisceaux incidents parallèles, typiquement générés au sein du dispositif laser. Autrement dit, le profil d’intensité du faisceau 2 peut présenter plusieurs maxima en vue d’exciter de manière privilégié des zones spécifiques dans le spot d’excitation. Comme indiqué, dans ce cas une pluralité de détecteurs peut être employée au sein du bras de détection 11 pour monitorer sélectivement ces différentes zones.

Selon un autre mode réalisation, l’optique épaisse 3 peut former une image intermédiaire située en dehors du plan Po de manière à éclairer la surface résonante avec une pluralité d’angle de manière simultanée. Dans ce cas, les rayons propagés selon différents angles sont collectés par un détecteur matriciel au sein de 11. Dans ce cas encore, le rôle de la lame inclinable 5 est d’ajuster l’angle caractéristique moyen de cette pluralité d’angle

Egalement le bras de détection 11 peut inclure un système imageur en vue de cartographier la surface optique résonante.

EXEMPLE 5 : réalisation d’un dispositif réflectométrique selon l’invention pour la caractérisation ellipsométrique de couches minces .

La représente schématiquement un dispositif 101 similaire au dispositif 200, mais qui ne contient pas de miroir susceptible de diminuer la taille du dispositif. Le dispositif est plus simple car il n’inclut pas non plus d’optique de couplage, qui a été enlevée. Cependant il contient le même dispositif émetteur 1 que dans le deuxième exemple détaillé, c’est-à-dire un dispositif laser pour interférométrie à polarisation, la même lentille épaisse 3, la même lame transparente inclinable et lentille épaisse 7 et le même système de détection que dans le deuxième exemple détaillé, c’est-à-dire un détecteur muni d’un polariseur d’analyse. Ces éléments sont fixés à un support T22 parallèle au plan d’incidence.

Dans cet exemple, la surface cible est ici celle d’un échantillon de silicium dont la surface à analyser, ici notée G1, est recouverte d’une couche d’oxyde d’épaisseur initialement inconnue. Cette surface cible à analyser repose sur un support mécanique T21, perpendiculaire au support T22. L’échantillon étant homogène, la zone d’intérêt est ici l’endroit ciblé par faisceau au niveau de la surface G1. Cette zone fait donc ici la taille du faisceau au niveau de la surface soit 6mm² environ. Comme précédemment la zone ciblée est toujours la même au cours du balayage angulaire. Le support mécanique T21 est ajouré pour laisser passer le faisceau de rayonnement et permet de présenter la surface à analyser selon un angle proche de 71° pour une position initiale de la lame transparente α=0°. Le dispositif constitue ainsi un dispositif pour une mesure réflectométrique en condition d’éclairage hors axe, ajustable en angle sur une plage d’une dizaine de degrés centrée autour de 71°. Le dispositif a permis de déterminer l’angle de Brewster autour de 75.4° en repérant le minimum d’intensité dans le système de détection en fonction de l’angle d’incidence. L’analyse du paramètre ellipsométrique Δ a également permis de mesurer l’épaisseur de la couche mince d’oxyde de 2 nm environ pour un indice proche de 1.46. Le second paramètre ellipsométrique tanΨ, très proche zéro à l’angle de Brewster, a également été déterminé afin de constituer un ellipsomètre à angle variable complet, en incorporant un polariseur ajustable dans le dispositif émetteur 1 afin de mesurer l’intensité réfléchie pour les deux composantes de polarisation successivement. D’autres implémentations basées sur le même dispositif à balayage angulaire peuvent être implémentées dans le même but de détermination des caractéristiques physiques de couches mince, par exemple en séparant les composantes de polarisation au sein du dispositif de détection.

Claims (12)

1. Dispositif de mesure (100, 101, 200) de la réponse optique en réflexion d’au moins une zone d’intérêt (Z) d’une surface cible (F1, G1) à analyser, ledit dispositif de mesure (100, 101, 200) comprenant :

   • un dispositif émetteur (1) comprenant au moins une source de rayonnement optique et produisant un faisceau incident (2) de ce rayonnement,
   • un système optique (SO) destiné à recevoir en entrée ledit faisceau incident (2, 4) et comprenant une lentille convergente (7) apte à infléchir ledit faisceau incident (2, 4) en un faisceau émergent (8) dirigé vers ladite surface cible (F1, G1), ledit faisceau émergent (8) étant incliné d’un angle θ_INCpar rapport à la normale de ladite surface cible (F1, G1) et
   • un dispositif de détection (11) de nature optoélectronique pour déterminer, après réflexion sur ladite surface cible (F1, G1), les caractéristiques du rayonnement réfléchi (10),

   ledit dispositif de mesure (100, 101, 200) étant caractérisé en ce que ledit système optique (SO) comprend en outre une lame transparente inclinable (5) traversée par ledit faisceau incident (2, 4) et positionnée en amont de ladite lentille convergente (7), ladite lame transparente inclinable (5) étant apte à être inclinée de manière à contrôler le déplacement dudit faisceau (2, 4) la traversant afin d’ajuster l’angle θ_INCdu faisceau émergent (8) de ladite lentille convergente (7) tout en conservant la même surface cible (F1, G1).
2. Dispositif de mesure (100, 101, 200) selon la revendication 1, comprenant en outre au moins une lentille supplémentaire (3) en amont de ladite lame transparente inclinable (5), ladite lentille supplémentaire (3) étant apte à ajuster la collimation du faisceau émergent (8).
3. Dispositif de mesure (100, 101, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre :
   - un moteur apte à modifier l’inclinaison de ladite lame transparente inclinable (5), et
   - un interfaçage électronique permettant d’acquérir les signaux issus dudit dispositif de détection (11) et de commander ledit moteur afin d’ajuster automatiquement l’angle d’incidence θ_INCdu rayonnement de ladite surface cible (F1, G1).
4. Dispositif de mesure (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite surface cible (F1) est en surface d’une puce optique résonnante (C2), qui comprend un substrat solide transparent recouvert d’une couche mince résonante sensible à un superstrat fluide la recouvrant
5. Dispositif de mesure (100, 200) selon la revendication 4,
   - qui comprend en outre une optique de couplage (C1) présentant au moins une face d’entrée (S1) apte à recevoir ledit faisceau émergent (8) et une face de sortie (S2) traversée par le faisceau réfléchi (10), et
   - dans lequel ladite puce optique résonnante (C2) est une puce SPR optiquement couplée à l’optique de couplage (C1).
6. Dispositif de mesure (100, 200) selon la revendication 5, dans lequel
   - l’optique de couplage (C1) est un prisme dont ladite surface d’entrée (S1) est plane, et
   - ladite lentille convergente (7), et le cas échéant ladite lentille supplémentaire (3), sont cylindriques.
7. Dispositif de mesure (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel ladite puce optique résonnante (C2) est fonctionnalisée en au moins une zone afin de détecter des cibles biomoléculaires circulant dans ledit superstrat fluide.
8. Dispositif de mesure (100, 200, 201) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel ledit dispositif émetteur (1) est un dispositif laser pour interférométrie à polarisation et dans lequel un polariseur d’analyse est disposé au niveau dudit dispositif de détection (11).
9. Procédé de mesure de la réponse optique en réflexion d’une surface cible à analyser, caractérisé en ce qu’il met en œuvre le dispositif (100, 101, 200) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, et en ce que le déphasage de la composante p dudit rayonnement après réflexion sur la surface cible (F1, G1) est déterminé par rapport à la phase de la composante s dudit rayonnement après réflexion sur la surface cible.
10. Dispositif de mesure (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel : ladite surface cible (F1) à analyser comprend de multiples zones d’intérêt (Z1, Z2) fonctionnalisées pour détecter des cibles biochimiques ; l’illumination au sein de l’optique de couplage (C1) est collimatée, et le dispositif de détection (11) comprend une pluralité de détecteurs.
11. Procédé de caractérisation optique d’une surface cible (G1) comprenant un substrat et/ou une ou plusieurs couches minces par réflectométrie à balayage angulaire, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un dispositif de mesure (101) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
12. Utilisation du procédé tel que défini selon la revendication 11, à des fins de détection biomoléculaire.