WO2022189749A1 - Dispositif optique reflectometrique a balayage angulaire incline de surfaces cibles et procede de mesure associe - Google Patents

Dispositif optique reflectometrique a balayage angulaire incline de surfaces cibles et procede de mesure associe Download PDF

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WO2022189749A1
WO2022189749A1 PCT/FR2022/050414 FR2022050414W WO2022189749A1 WO 2022189749 A1 WO2022189749 A1 WO 2022189749A1 FR 2022050414 W FR2022050414 W FR 2022050414W WO 2022189749 A1 WO2022189749 A1 WO 2022189749A1
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WO
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optical
angle
target surface
measuring device
radiation
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Application number
PCT/FR2022/050414
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Inventor
Aurélien BRUYANT
Laurent Arnaud
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Universite De Technologie De Troyes
Phaselab Instrument
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

Definitions

  • the invention relates generally to the optical analysis in reflection of a surface using an inclined optical angular scanning system. More particularly, the invention relates to a device for measuring the optical response in reflection of a surface to be analyzed having one or more areas of interest, as well as a method for measuring the optical response. The invention also relates to a method for the optical characterization of a target surface by angular scanning reflectometry implementing such a measuring device.
  • the Brewster or Kretschmann angle are typically non-zero and relatively large, so off-axis lighting is used to reach them, i.e. inclined lighting with respect to on the surface to be analyzed. More specifically, for off-axis lighting, the optical axis of the lighting system is not coincident with the normal to the surface to be analyzed. Excitation according to the Kretschmann angle also requires not only a fairly large angle of incidence but also coupling optics, detailed later, to be in evanescent lighting conditions. The Kretschmann angle is also only reached if the surface to be analyzed can exhibit a surface mode.
  • SPR sensors surface plasmon resonance detection systems
  • SPR sensors which generally work around the Kretschmann angle to increase their sensitivity.
  • these devices are based on the optical excitation of a resonant surface optical wave within a thin layer, with metallic optical behavior and in immediate interaction with a superstrate constituting the medium to be analyzed. This thin layer constitutes the optical surface to be analyzed.
  • the substrate of the optical chips used can be of various sizes and materials. For SPR devices working in the visible or near infrared, it is very often glass or plastic substrates that are smooth and transparent to avoid diffusion.
  • the optically resonant layer is located on the surface of the optical chip to be sensitive to the presence of a possible analyte forming the superstrate.
  • Exciting the optical chip amounts to saying that the optical resonance of the optical chip is excited using light radiation. This resonance, when it is approached angularly, results for a component of polarization by a collapse of the intensity reflected and a significant variation of the phase.
  • the surface polariton wave is induced by the oscillation of free carriers in sufficient concentration within the thin layer which can be a noble metal such as gold, silver copper, etc
  • the illumination of the thin layer is typically carried out in attenuated total reflection.
  • an optical coupling element is used to obtain an illumination in incidence on critical of the resonant layer.
  • the coupling optic often consists of a transparent prism whose entry surface is such that the beam enters the one at a sufficiently strong angle, with respect to the normal to the target surface, to allow this type of excitement. This explains why the optical chip sometimes includes such coupling optics.
  • the optical chip does not include coupling optics, the chip can be brought into optical contact with a coupling optic using a liquid or an index gel or even with a sufficiently transparent adhesive.
  • the substrate of the optical chip is associated with coupling optics, such as a prism, whether the deposition of the thin resonant layer is made directly on this optic or not.
  • the coupling optics making it possible to achieve total reflection is not necessary: this is the case if the coupling optics use a grating and also for a particular category of SPR devices, called LSPRs, in which the resonant thin layers are typically structured to further confine the surface resonance.
  • the coupling between the incident light and the resonant layer takes place thanks to the optical properties of the structured layer itself, the illuminated structure induces the surface polaritonic excitation.
  • the coupling optic is no longer absolutely necessary and its role can be reduced to that of a simple mechanical support, such as a perforated support allowing the beam to pass without affecting it or a transparent support not inducing supercritical excitation.
  • Even for LSPR devices, i.e. when the resonant layer is structured there is typically an optimal excitation angular range, even if the incidence conditions allowing resonant excitation can be much less critical than in the absence of surface structuring.
  • the optical chip consists of a substrate covered with an optically resonant layer (structured or not) and the optical excitation of this chip depends on the angle but also on the wavelength of the incident beam .
  • the probed analytical medium is typically fluid, whether saline, serum, saliva, vapours, gases, water, oils, juice, or other human or animal fluids, etc.
  • the optically resonant layer the thickness of which is typically a few tens of nanometers, for operation in the visible or near infrared, can be functionalized using so-called "probe” molecules to specifically capture molecular targets of interest, such as pathogens, pollutants, biomarkers, drug molecules etc.
  • the surface of the optical chip is generally functionalized by biochemical probes aiming to catch said targets.
  • the optical chip also called SPR chip, is then often qualified as a biochip because of this functionalization.
  • the functionalization of the SPR chip makes it possible to detect a target or targets of interest.
  • Functionalization typically consists of grafting biomolecules onto the surface of the SPR chip, these specific biomolecules can be of different types such as DNA, aptamers, antibodies, peptides, proteins, etc. These biomolecules are typically referred to as probes.
  • the functionalization of the surface of the biochip can also include anti-adhesive surfactants to avoid undesirable contamination, in particular through the use of PEGs (polyethylene glycols).
  • the resonant layer generally comprises a noble metal such as gold and its optical resonance is obtained for a specific illumination angle ORES directly dependent on the optical index of the probed medium covering said resonant layer.
  • the biochip is covered with a microfluidic chamber to allow easy contact with the fluid element to be analyzed.
  • the assembly containing the optical coupling element such as a prism, the optically resonant biochip on its surface, and any microfluidic element used to convey the fluid medium to be analyzed on the resonant biochip is here called d cell. 'to analyse.
  • optical excitation configurations exist.
  • the optical excitation of the surface of interest is monochromatic and the angle of the beam passing through the coupling system of the analysis cell is adjusted to be placed in the vicinity of the optical resonance of the biochip which manifests itself most strongly at the P RES angle with respect to the normal to the surface of interest of the biochip, angle for which the reflected intensity of the p polarization component collapses.
  • the s component is typically little affected unless the resonant surface of the biochip contains resonators sensitive to the s component of the incident light.
  • the light reflected on the biochip is monitored after reflection, using a detection system comprising at least one or more optical detectors.
  • This detection can be ensured by a point detector, when a single zone of the biochip is monitored without spatial resolution. But this detection can be ensured by a plurality of detectors, and can even include an imaging device comprising optics and a matrix detector placed to image the resonant surface. Optical filters can be added to eliminate unwanted signals.
  • the SPR measurement can consist in monitoring, via the detection system, the variations in optical reflection occurring in the presence of the targets of interest, which tend to increase the optical index in the vicinity of the biochip as said targets are captured by the surface of the biochip. It is also possible to detect at the same time an optical phase variation corresponding to a variation of the ellipsometric parameter, often denoted D, corresponding to the phase shift between the p and s components of the reflected wave.
  • D optical phase variation corresponding to a variation of the ellipsometric parameter
  • the variations in intensity or the relative variations in phase of the reflected p wave reflect the existence of a change in optical index due to the accumulation of target molecules in the immediate vicinity of the resonant layer of the optical chip.
  • the angle of incidence at the level of the biochip must typically be adjusted with care, because the resonances can be very acute angularly, in particular on the phase measurements where variations of the order of a hundredth of a degree on the angle of incidence can lead to a noticeable change in resonance.
  • angular scanning when possible, makes it possible to approach the Brewster angle. Scanning is generally performed by tilting the illuminating arm around an axis of rotation centered on the target surface to be analyzed so that the radiation beam does not deviate from the area of interest located on this target surface to be analyzed. .
  • the surface of interest can be excited through the coupling element with a plurality of angles, typically obtained with divergent or convergent illumination and the angular detection, in this case, is carried out statically via a matrix detector .
  • the incident beam on the biochip therefore forms a light cone of incidence, and the optics used to produce it are typically cylindrical.
  • the signal is dispersed angularly around an optical axis, instead of sweeping the angle (as for a spherical revolution lens, for a cylindrical lens, the optical axis corresponds to an axis for which a incident ray is undeviated).
  • this approach does not require a moving part to adjust the angle of incidence around the optical resonance angle of the biochip.
  • this approach therefore requires, downstream of the biochip, that is to say in the detection system, the use of a matrix detector.
  • the SPR signal of interest around the resonance is manifested by the existence by at least one dark zone within the spot measured by the matrix sensor, and in the vicinity of which sensorgrams can be obtained; -
  • the biochip can be excited with an angular scanning system in order to determine the angular position of the resonance and thus allow positioning in the angular vicinity of this resonance. By positioning oneself angularly in the vicinity of the resonance, one places oneself in favorable excitation conditions to record the sensorgram.
  • This second approach (b), compatible with collimated illumination, allows a spatially more uniform excitation of the resonance, facilitating imaging analysis if the system uses a matrix detector. Indeed, in this case, the detector can be entirely devoted to imaging and not to the measurement of an angular dispersion.
  • This second approach (b) is also interesting for a measurement using point detectors, since the illumination of the optical chip is more uniform, which reduces the signal processing compared to a matrix detector. Finally, the signal to noise ratio is very good. If scanning is fast, then approach (b) is desirable if the problem of practical realization of angular scanning is solved. Finally, even in approach (a), some angular sweep can be useful to roughly center the resonance in the angular range accessible by the array sensor.
  • a practical difficulty also is that it is desirable for the angular scan to occur while keeping an unchanged analysis zone at the level of the biochip, during the angle scan. Thus, it is generally undesirable for the scanning to produce a significant displacement of the beam at the level of the resonant surface of the biochip.
  • the direct use of a beam deflector such as a rotating mirror or an acousto-optic modulator, which is faster but expensive and relatively bulky, is therefore generally not directly possible.
  • the use of such angular deflectors must be coupled with a particular mechanical or optical system to allow excitation over a fixed zone and possibly without angular averaging, that is to say while maintaining collimated excitation.
  • the use of a deflector and a suitable optical system or additional moving parts increases the size and the cost.
  • beam deflector element is meant, within the meaning of the present invention, an element capable of dynamically modifying the angle of the incident beam and consisting either of an acousto-optic deflector, an electro-optic deflector or even a mobile mirror , such as, for example, a galvano metric mirror.
  • the Chinese patent application CN109490278 describes a complex device requiring rotation of the analysis cell comprising the surface to be analyzed itself and the coupling optics to obtain a fine adjustment of the angle of impact on the surface to be analyzed.
  • the SPR device can incorporate in-phase detection, which is uncommon and often expensive. It is known that measuring the phase of the p component of the field, and not only its intensity, can provide a gain in sensitivity of the order of a factor of ten or more for sufficiently resonant optical chips, but the measurement dynamics are is reduced if the SPR device allowing such a phase measurement does not also allow the excitation beam to be scanned angularly in order to monitor the angular displacement of the resonance which occurs during detection.
  • An object of the invention is to provide a measuring device that does not have the usual drawbacks of tilted scanning reflectometric devices such as the scanning SPR systems mentioned above.
  • an object of the invention is to allow angular scanning of a relatively fast incident beam without having to use the mentioned beam deflecting element.
  • Another object of the invention is to allow angularly controlled illumination with precise and adjustable angular resolution, without angular averaging (i.e. in collimated illumination conditions).
  • Another object is to allow angular control via a single mobile element to maintain great simplicity of implementation, great compactness and inexpensive elements.
  • Another goal is that this system be compatible with a phase-sensitive SPR measurement and with the use of a compact device.
  • the subject of the present invention is a device for measuring the optical response in reflection of at least one zone of interest of a target surface to be analyzed, said measuring device comprising:
  • a transmitter device comprising at least one source of optical radiation and producing an incident beam of this radiation
  • an optical system intended to receive said incident beam as input and comprising a converging lens capable of bending said incident beam into an emergent beam directed towards said target surface, said emergent beam being inclined at an angle emc with respect to the normal of said target area and
  • said measuring device for determining, after reflection on said target surface, the characteristics of the reflected radiation
  • said measuring device being characterized in that said optical system further comprises a tiltable transparent plate through which said incident beam passes and positioned upstream of said converging lens, said tiltable transparent plate being able to be tilted so as to control the displacement of said beam passing through it in order to adjust the angle emc of the beam emerging from said converging lens while maintaining the same target surface.
  • Converging lens means, within the meaning of the present invention, a thick convergent lens or any convergent optical system comparable to a thick lens, such as for example a convergent combination of lenses.
  • a mechanical support makes it possible to position the target surface in such a way as to provide lighting inclined with respect to the normal to said target surface.
  • the measuring device according to the invention may further comprise at least one additional lens upstream of the tiltable transparent plate, this additional lens being capable of adjusting the collimation of the emerging beam, so as to avoid a angular averaging.
  • the measuring device according to the invention may further comprise:
  • an electronic interface allowing to acquire the signals coming from the detection device and to control the motor in order to automatically adjust the angle of incidence 0INC of the radiation of the target surface.
  • the present invention also relates to a method for the optical characterization of a target surface comprising a substrate and/or one or more thin layers by angular scanning reflectometry, characterized in that it implements a measuring device according to the invention as defined previously, as well as the use of such a method for biomolecular detection purposes.
  • the target surface can be on the surface of a resonant optical chip, in particular an LSPR chip (acronym designating a localized SPR resonance, that is to say a localized surface plasmon resonance) which comprises a transparent solid substrate covered with a thin resonant layer sensitive to a fluid superstrate covering it.
  • a resonant optical chip in particular an LSPR chip (acronym designating a localized SPR resonance, that is to say a localized surface plasmon resonance) which comprises a transparent solid substrate covered with a thin resonant layer sensitive to a fluid superstrate covering it.
  • the device may advantageously further comprise coupling optics having at least one input face capable of receiving the emergent beam and an output face traversed by the reflected beam, and it will be advantageous to use as a resonant optical chip, an SPR chip optically coupled to the coupling optics.
  • the radiation passes through the optical chip and is reflected under total internal reflection condition on the target surface to be analyzed.
  • the resonant optical chip may be, according to a variant of this embodiment, functionalized in at least one zone in order to detect biomolecular targets circulating in the fluid superstrate.
  • the device according to the invention may comprise, as transmitter device, a laser device for polarization interferometry, with an analysis polarizer arranged at the level of said detection.
  • the present invention also relates to a method for measuring the optical response in reflection of a target surface to be analyzed, implementing this advantageous embodiment of the device according to the invention as defined above (and in particular the first variant), and in which the phase shift of the p component of said radiation after reflection on the target surface is determined with respect to the phase of the s component of said radiation after reflection on the target surface.
  • the device according to the invention may have the following characteristics: the target surface to be analyzed comprises multiple zones of interest functionalized to detect biochemical targets; the illumination within the coupling optics is collimated, and the detection device includes a plurality of detectors.
  • FIG. 1 schematically represents an example of a measuring device according to the present invention
  • FIG. 2 represents the measuring device of FIG. 1 with an increased angle of incidence
  • FIG. 3 represents the device for measuring from FIG. 1 with a reduced angle of incidence
  • FIG. 4 schematically represents a detection cell C intended to be arranged in the embodiments of the measuring device represented in FIGS. 1 and 5 (see below)
  • FIG. 5 schematically represents an embodiment of the measuring device according to the invention adapted to SPR measurement
  • FIG. 6 represents an angular scanning reflectometric measurement in intensity carried out with the device according to FIG. -
  • fig. 7 represents an angular scanning reflectometric measurement in intensity and in phase carried out with the device according to FIG. 5, this figure being commented on in example embodiment No. 2;
  • FIG. 8 schematically represents an embodiment of the measuring device according to the invention suitable for the ellipsometric characterization of thin layers
  • Figure 1 shows an angle scanning reflectometric device 100 according to an embodiment suitable for SPR measurement.
  • This device 100 comprises a transmitter device 1 producing a beam 2 represented in the figure by two of its emerging rays.
  • a convergent optical system comparable to a thick lens 3 makes it possible to create an image of the radiation source in the vicinity of the object plane PO of a second optical system comparable to a thick lens 7 of effective focal length f in order to produce an illumination beam collimated or approximately collimated within the detection cell C, which comprises the optical surface to be analyzed.
  • the detection cell C typically includes coupling optics Cl provided with an entrance surface SI through which the illumination beam passes.
  • the main role of Cl is to allow illumination of the optical surface to be analyzed under conditions of total internal reflection.
  • the surface to be analyzed is therefore here placed on the upper surface of Cl .
  • the presence of Cl is necessary to excite the majority of SPR surfaces; which in fact require a supercritical incidence, that is to say an incidence in a condition of total internal reflection, around a particular angle.
  • the entry surface S is comparable to a diopter which with an appropriate curvature can play the role of the lens 7, but this is undesirable because it poses greater dimensional constraints on the coupling optic Cl.
  • the lens 7 forms an element in its own right of the device, that is to say dissociated from Cl.
  • the orientation of the SI input surface is such that the angle between its normal and the beam passing through it and causing the resonance is small. Indeed, it is known that working with angles that are small with respect to the normal to a diopter promotes the stigmatism and minimizes any angular averaging by this diopter, which would be linked to its aberrations.
  • the mean angle of incidence q Ne of the beam 8 emerging from the optics 7 in the direction of the detection cell C is adjusted by tilting the angle a of a mobile transparent plate 5 whose role is to shift the axis of propagation of the beam 4 emerging from the optics 3. Thus, the beam 6 emerging from the transparent blade 5 will be shifted if the transparent blade is tilted.
  • the image produced by the thick lens 3 is also shifted, producing a beam 8 of average inclination adjustable in this way and advantageously passing through a fixed point centered on the zone of interest on the surface of the optical chip present at the within the detection cell C.
  • the beam emerging from the detection cell with an angle e REF is collected by a detection device 11 comprising at least one optical detector.
  • the detection system is of the optoelectronic type and its role is to collect the optical signal from the area of interest. It may include elements to facilitate the analysis of the optical signal such as collection optics, an optical filter to minimize unwanted radiation, etc.
  • Figure 2 shows the angle-scanning SPR device 100 where the mobile transparent blade, initially attacked at normal incidence in Figure 1, has been tilted so as to increase the angle of incidence emc with respect to its initial value, as it was schematically represented in Figure 1.
  • Figure 3 shows the angle-scanning SPR device 100 where the movable transparent blade has been tilted so as to reduce the angle of incidence emc from its initial value, as it was schematically represented on Figure 1.
  • the movable transparent blade 5 can be a simple parallel blade of thickness e and index n and can consist of a simple glass blade.
  • the slide can be treated to avoid multiple reflections.
  • the offset D is a known function of the index n, the angle of inclination a of the blade and the thickness of the blade e.
  • the device 100 is advantageous because it notably offers two independent ways of improving the angular resolution with respect to the resolution u(a) of the system used to tilt the blade, either by reducing the thickness e of the blade, either by increasing the focal length r.
  • the inclination of the blade 5 can be easily achieved by placing it on the axis of a servomotor or even a stepper motor.
  • the maximum scanning angular range for 9INC can be optimized by playing on the position and the dimensions of the plate as well as the dimensions of the beam 4. This analysis can be done by ray tracing considering the extreme inclinations of the blade 5 making it possible to obtain that the beam 6 is correctly intercepted by the lens 7, that is to say ideally in its entirety so as not to diffuse the beam and to maintain a luminous flux favorable to the getting a good report signaled there noise. Without simulation, an analysis Quick analysis shows that the maximum algebraic shift D induced by a blade of thickness e is ⁇ e at grazing incidence, which gives a maximum theoretical angular range of ⁇ e/r. Table 2 below gives the maximum accessible ranges (in °) for the angle e c for representative values of e and f .
  • this limit angle for a is higher or lower depending on the diameter of the beam and the lateral dimensions of the blade with respect to its thickness. For example, experimentally, a large part of the signal disappears beyond an angle
  • the lateral dimension of the lens 7 is greater than twice the maximum offset, accessible in practice, plus the diameter of the beam at the level of the lens 7, in order to avoid needlessly diaphragming the beam.
  • the SI input surface of the coupling optic Cl is separated from the lens 7, that is to say it is not integral, as is possible, of the optical system 7.
  • the input surface SI of the coupling optics is flat. It is then preferable for the angle at the top of the prism A PR to be close to the angle of the rays e PR making it possible to excite the optical resonance in the biochip. Under these conditions, the flat entrance surface SI plays the role of approximately stigmatic optics guaranteeing that the zone of interest in the vicinity of the optical axis and of the plane PI always remains targeted during the scan.
  • beam 8 undergoes refraction reducing the accessible angular range for e PR , with respect to the range of 0 INC , by a factor approximately equal to n PR/ m Nc , where n PR is the index of the coupling optics and m Nc the index of the medium between the lens 7 and the entrance surface SI typically approximately equal to one.
  • the angular range for the angle e PR is also reduced by the same factor with respect to the theoretical maximum values given in table 2.
  • An example of an accessible range realized in practice is given in particular in the first detailed example which follows.
  • EXAMPLE 1 production of a reflectometric analysis device with angular scanning of an SPR type target surface in intensity.
  • An angular scanning reflectometric device 200 illustrated in the diagram of FIG. 5 is produced, suitable for SPR biodetection and making it possible to detect the reflection response of a target surface here located within a detection cell C shown in the detailed diagram of Figure 4.
  • the device 200 comprises the following elements fixed on a flat surface T2 parallel to the plane of incidence:
  • a transmitter device here composed of a collimated laser source of the VCSEL type referenced "VC670M-TO46GL” emitting at approximately 670 nm;
  • a movable blade 5 consisting of a glass blade 5.0mm thick and square side dimensions of 15mm, mounted on the axis of a stepper motor;
  • the entrance surface SI is flat and polished.
  • the upper face of the prism, also flat and polished, is coupled via an index oil to a C2 optical chip comprising on the surface an optically resonant layer of 47 nm of functionalized gold Fl.
  • the resonant layer of functionalized gold F1 constitutes the surface of interest to be analyzed on which the radiation is reflected in total internal reflection at the level of a target zone.
  • the surface of interest to be analyzed is in contact with a microfluidic circuit C3 comprising channels closed by a glass cover C4 provided with inlets C41 and outlets C42, provided to be able to convey a fluid on the surface to be analyzed from the optical chip.
  • the detection cell comprising the surface to be analyzed is inserted into a mechanical support T1 (cf. figure 5).
  • This mechanical support T1 makes it possible to position the target surface in such a way as to produce an angled illumination with respect to the normal to the target surface F 1.
  • the mechanical support here consists of a perforated plastic tray T1 to accommodate the detection cell C T1 is here perpendicular to the plane of incidence and the surface of the optical chip is parallel to the plate T1.
  • the optical surface to be analyzed is inclined approximately 67.5° with respect to the incident radiation. This angle corresponds to the angle between the optical axis of the thick lens 7 and the normal to the surface of interest, which corresponds to off-axis illumination. It is also the angle between the normal to the surface of interest and the normal to the entry surface Sl.
  • mirrors can be added on the path of the beam to fold the optical path in order to minimize the total size of the device 200.
  • a mirror M1 is placed between the thick lens 3 and the tiltable blade 5 to minimize the size of the device in the initial direction of the beam 2.
  • a second mirror, M2 is added here to minimize the size of the device in the direction of the beam 6 having passed through the blade 5.
  • the entire device produced shown schematically in Figure 5 here occupies an area less than 16 cm by 8 cm.
  • the VCSEL laser is relatively linearly polarized and is oriented so that the p component of polarization is preponderant in order to increase the signal-to-noise ratio.
  • the detection system simply consists of a point detector referenced Hamamatsu S6967.
  • the electronic signal acquisition system to which the detector is connected is located behind the surface T2.
  • This system therefore serves as an electronic interface to recover the detected optical signal and also makes it possible to control the orientation of the blade.
  • this interfacing is carried out using an electronic card comprising digital inputs/outputs within a microcontroller referenced STM32 G474.
  • This card is connected to a display and power supply device by a USB cable.
  • the electronic card is thus connected to a portable PC which allows via the electronic card to adjust the angular scanning parameters.
  • this electronic card also powers the laser source and it also controls the inclination of blade 5 via a NEMA14 stepper motor referenced at Stepperonline with 400 steps per rotation, which is connected to the electronics by an A4988 driver from Alegro Microsystems.
  • the SPR system produced is entirely powered by USB and does not require any other power or communication cables.
  • the program embedded in the microcontroller is used to control the motor, the VCSEL and the acquisition of signals. It is here written in C, and is loaded into the microcontroller using the STM32CubeIDE software development environment.
  • the firmware accepts input variables to define the desired angular scan range and acquisition time for each motor position. These inputs are defined here from a user interface produced in Python3 programming language on the PC, allowing this information to be sent to the microcontroller via the USB port. The firmware also sends the detected signal to the user interface for display.
  • Figure 6 represents the SPR signal detected as a function of the angle of incidence defined and scanned from the user interface.
  • the signal thus represents the intensity reflected on the biochip at the level of a microfluidic channel in which circulates a saline solution (Buffer PBS), with an index slightly greater than 1.333.
  • Buffer PBS saline solution
  • the angle can possibly be determined using optical control, here it is known precisely in absolute value because the angle of the motor a is controlled by the electronics.
  • the angle a of the blade is controlled at a constant close by the engine.
  • a complete rotation of the blade makes it possible to find the angular limits of detection which corresponds here to approximately 10° within the coupling optics, that is to say for 0 PR .
  • the angular scan shown in Figure 6 is here obtained in about 5 seconds.
  • the process for measuring the SPR of the reflected signal as a function of the angle of incidence leading to this type of curve simply consists of recording the intensity of the reflected signal for a series of angular positions defined via electronic interfacing.
  • the scan can be performed faster, for example in less than a second if no temporal averaging is performed.
  • the optical chip consisted of a BK7 glass coverslip covered with a monolayer of mercapto-silane bonding metallized with approximately 47 nm of gold.
  • the thick lens 3 therefore makes it possible to avoid angular averaging, it is therefore very preferable to put it on to improve the sensitivity of the SPR device, unless the detection device 11 comprises a large plurality of detectors making it possible to discriminate the angles reflected, in particular if the detection device comprises a CCD or a CMOS sensor. Nevertheless in this case, that is to say without the thick lens 3 but with a CCD or a CMOS sensor in the detection device 11, these sensors cannot be fully used for imaging since then a direction of the sensor is used to discriminate the angle. Thus the addition of the additional lens 3 is advantageous in this respect by avoiding this drawback. In particular, it makes it possible to adjust the collimation of the beam emerging from the optical system.
  • the angular range chosen corresponds approximately to an angle range for the emergent angle of the system SO from 0 INC of approximately 15° centered on 67.5°. Taking into account the index of the prism, this range corresponds for 0 PR to a range of 10° beyond 62°.
  • This beach allows the optical chip to be excited at the resonant angle which is typically a little beyond the critical angle.
  • the critical angle for e PR is close to 62°.
  • This critical angle value is given by the formula asin(n S up/ nsu B ).
  • the range chosen between 62° and 72° is suitable for Q knowing that the angle of resonance, greater than the critical angle, increases as the target of interest is grafted to the surface of the optical chip.
  • the design can be easily adapted to increase the angle, which remains in any case less than 90°, either by increasing the angular range by choosing a thick lens 7 with a shorter focal length or by increasing the inclination of the axis optics defined by the SO optical system.
  • n Sup is approximately one and the critical angle is greatly reduced.
  • the design elements given previously allow easy adjustment of the angle range and the average angle to guarantee resonance excitation. SPR devices usually do not work below because optical chip resonance is typically achieved at higher angles.
  • the angle of analysis is generally high enough to be able to approach Brewster's angle, so it is preferable to work beyond In the infrared, near phononic frequencies or plasma resonances of certain target surfaces, the Brewster angle may be lower, but this remains exceptional. For space reasons, it is also preferable to work above about.
  • EXAMPLE 2 production of an SPR device with interferometric scanning and multiple detection.
  • the transmitter device 1 can produce a beam composed of several parallel beams.
  • the block diagram 200 is similar to the previous one with regard to the angular scanning whose range and angular resolution is identical.
  • the transmitter device 1 produces two beams of similar intensity, only separated in a direction perpendicular to the plane of incidence.
  • the beam from the VCSEL is here separated into two parallel beams separated by an approximate distance of 3 mm.
  • the two beams being parallel at the output of the transmitter device 1, these it can also be perceived as forming a single beam of radiation possessing a particular intensity profile, composed of two maxima. This separation is carried out using a first semi-reflecting surface then a second reflecting surface recovering the semi-reflected beam.
  • the transmitter device 1 here includes a laser device for polarization interferometry to make it possible to detect not only the intensity but also the phase of the SPR optical signal conveyed by the beam 10 using the detection system 11 .
  • the transmitter device 1 consists of a laser device for polarization interferometry similar to that detailed in the international application WO2020128293A1 and shown schematically in the first figure of this application. This device is used to generate a laser beam whose polarization components are temporally phase modulated with respect to each other.
  • the source here is composed of the same VCSEL as in the first detailed example, but its electrical injection current is here modulated temporally using control electronics included in electronic interfacing, ie implemented in the microcontroller program.
  • the VCSEL is followed by a YV04 birefringent crystal whose main axis is oriented so that said temporal modulation induces a modulated phase difference between the p and s components. of the beam 2 emerge from the transmitter device 1.
  • the length of the crystal here is approximately 14mm and its square section is 5mm.
  • the injection current modulation of the VCSEL is of the order of 2mA.
  • a fixed polarizer called an analysis polarizer
  • the two detectors referenced Hamamatsu S6967 are therefore placed just after this analysis polarizer to detect these beats.
  • two detectors are used, so that there are has one for each analyzed area.
  • the beat between the polarization components is obtained independently on each of the two detectors.
  • These signals acquired by the acquisition electronics give access not only to amplitude or intensity information on the SPR signal reflected on the optical chip but also to the optical phase information of the p polarization component.
  • the analysis of the interferometric beat between the two components of the field makes it possible to recover amplitude and phase of the component p, with respect to the component s, considered as constant.
  • FIG. 7 represents the intensity signals, that is to say the squared amplitude, and phase signals recorded on one of the two detectors present in the detection arm 11, obtained after analysis of the interferometric beats acquired by the electronic acquisition device. These signals are obtained as a function of angle, i.e. the intensity and phase of the SPR signal from a channel are obtained for a series of angles.
  • the optical chip consisted of an N-BK7 glass coverslip metallized with approximately 47 nm of gold without a bonding layer.
  • the fluid superstrate consisted of a saline solution (PBS buffer solution) with an index close to 1.334.
  • the process for measuring SPR in amplitude and phase of the reflected signal as a function of the angle of incidence leading to this type of curve represented in FIG. 7 simply consists in analyze the interferometric beats generated by the device and recorded via the electronic interface for each angle defined via the electronic interface.
  • EXAMPLE 3 Method of reflectometric measurement using the angular scanning device SPR used in examples 1 and 2.
  • the choice of this angle made it possible in particular to detect DNA in a nanomolar concentration in about ten minutes using complementary DNA attached to the gold surface of the functionalized optical chip.
  • the same type of measurement can be performed on a quantity of molecular targets by varying the nature of the functionalized probes on the surface of the biochips.
  • detection limits of the order of a few micro-RIUs were obtained using the second example of detailed device 200. This evaluation of the detection limit is obtained by circulating in the microfluidic channels of liquids of known indices.
  • optical properties of the surface to be analyzed within the detection cell can also be analyzed using the type of curve shown in Figure 7.
  • the analysis of Figure 7 can lead to the determination of the characteristics of the gold layer such as its thickness and its roughness as well as the characteristics of a possible addendum which is useful for characterizing the optical chip before and after interaction with the fluid medium containing the targets of interest.
  • an analysis of this type of curve using a multilayer code adapted to ellipsometry allows to estimate the thickness of the layer of gold, which in this case is determined to be equal to approximately 46.5 nm as well as the presence on the surface of a rough layer of gold lnm thick filled to 50%.
  • This type of measurement is then similar to an ellipsometric measurement, i.e. a sensitive measurement of the phase of the p component with respect to the s component, by angular scanning reflectometry.
  • the SPR resonance of the layer makes it possible to amplify the sensitivity of the reflectometric measurement and to characterize very thin layers such as the rough layer mentioned.
  • EXAMPLE 4 other embodiments of a scanning SPR device.
  • the detection system 11 can include a larger plurality of detectors such as a CMOS type matrix detector with a view to detecting the SPR signal coming from a markedly greater number of functionalized zones within the illumination spot, that is to say within the illuminated zone at the surface of the biochip.
  • CMOS type matrix detector with a view to detecting the SPR signal coming from a markedly greater number of functionalized zones within the illumination spot, that is to say within the illuminated zone at the surface of the biochip.
  • the incident beam 2 can be made up of more parallel incident beams, typically generated within the laser device.
  • the intensity profile of beam 2 can present several maxima in order to excite in a privileged way specific zones in the excitation spot.
  • a plurality of detectors can be used within the detection arm 11 to selectively monitor these different zones.
  • the thick optic 3 can form an intermediate image located outside the plane Po so as to illuminate the resonant surface with a plurality of angles simultaneously.
  • the rays propagated at different angles are collected by a matrix detector within 11.
  • the role of the tilting blade 5 is to adjust the average characteristic angle of this plurality of angles
  • the detection arm 11 may include an imaging system to map the resonant optical surface.
  • EXAMPLE 5 production of a reflectometric device according to the invention for the ellipsometric characterization of thin layers.
  • FIG. 8 schematically represents a device 101 similar to device 200, but which does not contain a mirror capable of reducing the size of the device.
  • the device is simpler because it also does not include coupling optics, which have been removed.
  • it contains the same transmitter device 1 as in the second detailed example, that is to say a laser device for polarization interferometry, the same thick lens 3, the same tiltable transparent plate and thick lens 7 and the same system of detection than in the second detailed example, that is to say a detector equipped with an analysis polarizer. These elements are fixed to a T22 support parallel to the plane of incidence.
  • the target surface here is that of a silicon sample whose surface to be analyzed, here denoted Gl, is covered with an oxide layer of initially unknown thickness.
  • This target surface to be analyzed rests on a mechanical support T21, perpendicular to the support T22.
  • the sample being homogeneous the zone of interest is here the place targeted by beam at the level of the surface Gl.
  • This area is therefore here the size of the beam at the level of the surface, ie approximately 6 mm 2 .
  • the targeted area is always the same during the angular scan.
  • the device thus constitutes a device for a reflectometric measurement in off-axis lighting condition, adjustable in angle over a range of about ten degrees centered around 71°.
  • the device made it possible to determine Brewster's angle around 75.4° by identifying the minimum intensity in the detection system as a function of the angle of incidence.
  • the analysis of the ellipsometric parameter D also made it possible to measure the thickness of the thin oxide layer of approximately 2 nm for an index close to 1.46.
  • the second ellipsometric parameter tar very close to zero at the Brewster angle, was also determined in order to constitute a complete variable angle ellipsometer, by incorporating an adjustable polarizer in the transmitter device 1 in order to measure the intensity reflected for the two polarization components successively.
  • Other implementations based on the same angular scanning device can be implemented for the same purpose of determining the physical characteristics of thin layers, for example by separating the polarization components within the detection device.

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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).

Description

DESCRIPTION
Titre de l’inventioii : DISPOSITIF OPTIQUE REFLECTOMETRIQUE A BALAYAGE ANGULAIRE INCLINE DE SURFACES CIBLES ET PROCEDE DE MESURE ASSOCIE
Domaine technique de l’invention
[1] 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
[2] 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.
[3] 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. [4] 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 apparaître 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.
[5] Pour l’analyse ré flecto métrique 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.
[6] 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’ateindre 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.
[7] 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. Cete couche mince constitue la surface optique à analyser.
[8] 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.
[9] 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. [10] 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.
[11] 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.
[12] 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.
[13] 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.
[14] 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.
[15] 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.
[16] 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.
[17] 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.
[18] 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.
[19] 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.
[20] 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).
[21] 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. [22] 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 ORES dépendant directement de l’indice optique du milieu sondé recouvrant ladite couche résonante.
[23] Généralement, la biopuce est recouverte d’une chambre microfluidique pour permettre la mise en contact aisée avec l’élément fluide à analyser.
[24] 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.
[25] 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 PRÈS par 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.
[26] 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 D, 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 interféro métrique, 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.
[27] L’évolution temporelle de l’intensité ou de la phase induit par le changement d’indice superficiel est communément appelé sensorgramme. 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. [28] Cependant, comme l’angle résonant ORES dépend 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.
[29] L’excitation optimum de la résonance requiert idéalement une longueur d’onde l 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.
[30] 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.
[31] 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 coûteux. 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.
[32] 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.
[33] 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.
[34] 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. Cete 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.
[35] 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. [36] 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 permetre 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.
[37] 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 galvano métrique.
[38] 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.
[39] De même, la demande de brevet chinois CN109490278 décrit un dispositif complexe nécessitant de metre 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.
[40] 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 permetant 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.
[41] 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 permetant de s’affranchir des problèmes susmentionnés. Exposé de l’invention
[42] 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.
[43] 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.
[44] 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).
[45] 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.
[46] 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.
[47] 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 emc par 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 emc du faisceau émergent de ladite lentille convergente tout en conservant la même surface cible.
[48] 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. [49] 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.
[50] 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 à éviter un moyennage angulaire.
[51] 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 0INC du rayonnement de la surface cible.
[52] 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.
[53] 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.
[54] 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.
[55] 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.
[56] 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. [57] 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.
[58] 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.
[59] 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
[60] 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 :
- [fig. 1] : la figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif de mesure selon la présente invention ;
- [fig. 2] : la figure 2 représente le dispositif de mesure de la figure 1 avec un angle d’incidence augmenté ;
- [fig. 3] : la figure 3 représente le dispositif de mesure de de la figure 1 avec un angle d’incidence réduit ;
- [fig. 4] : la figure 4 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)
- [fig. 5] : la figure 5 représente un schématiquement un mode de réalisation du dispositif de mesure selon l’invention adapté à la mesure SPR ;
- [fig. 6] : la figure 6 représente une mesure réflectométrique à balayage angulaire en intensité réalisée avec le dispositif selon la figure 5, cette figure étant commentée dans l’exemple de réalisation n°l ; - [fig. 7] représente une mesure réflectométrique à balayage angulaire en intensité et en phase réalisée avec le dispositif selon la figure 5, cette figure étant commentée dans l’exemple de réalisation n°2;
- [fig. 8] 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
[61] La figure 1 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 PO 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.
[62] La cellule de détection C inclus typiquement une optique de couplage Cl munie d’une surface d’entrée SI traversée par le faisceau d’illumination. Le rôle principal de Cl 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 Cl . La présence de Cl 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 Cl, 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 Cl est avantageusement escamotable.
[63] La surface d’entrée S lest 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 Cl. Ainsi, on préfère que la lentille 7 forme un élément à part entière du dispositif, c’est-à-dire dissocié de Cl.
[64] Avantageusement, l’orientation de la surface d’entrée SI 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. [65] L’angle moyen d’incidence qNe du faisceau 8 émergent de l’optique 7 en direction de la cellule de détection C est ajusté en inclinant l’angle a 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.
[66] Le faisceau émergent de la cellule de détection avec un angle eREF est recueilli par un dispositif de détection 11 comprenant au moins un détecteur optique.
[67] 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.
[68] La figure 2 représente le dispositif SPR à balayage d’angle 100 où la lame transparente mobile, initialement attaquée en incidence normale sur la figure 1 , a été inclinée de manière à augmenter l’angle d’incidence emc par rapport à sa valeur initiale, telle qu’elle était schématiquement représentée sur la figure 1.
[69] La figure 3 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 emc par rapport à sa valeur initiale, telle qu’elle était schématiquement représentée sur la figure 1.
[70] 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.
[71] 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
Figure imgf000015_0001
de l’angle où r est la distance focale effective du système optique formé par le système optique 7.
[72] 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 AePR=D/r.
[73] Par ailleurs, le décalage D est une fonction connue de l’indice n, de l’angle d’inclinaison a de la lame et l’épaisseur de la lame e. En choisissant l’origine angulaire de a pour une incidence normale du faisceau 4 par rapport à la surface de la lame 5, on a :
D=e*sin a (1-cos(a)/g0 ’ 5) avec g=(n2-sin2a). [74] On remarque que la variation de D du faisceau 4 induite par une rotation de l’angle a de la lame est maximale pour les faibles valeurs de a, et dans ce cas, D est proportionnel à a et vaut simplement D= a*e*sin(a) = a*e*a, avec a = (n-1)/n.
[75] Si la précision ou rincertitude sur le contrôle de l’inclinaison a de ladite optique 5 est de u(a), alors le dispositif 100 permet d’obtenir une précision sur l’angle d’incidence
Figure imgf000016_0001
qui par rapport à la valeur de u® est divisée d’un facteur minimal ¥effmin=f/(a*e) allant aisément de 10 à plus de 100 en fonction du facteur de forme e/r consentit. Des coefficients d’amélioration représentatifs sont donnés dans le tableau 1 ci-après pour n=l .5 :
[Tableau 1]
Figure imgf000016_0002
[76] Ainsi le dispositif 100 est avantageux car il offre notamment deux manières indépendantes d’améliorer la résolution angulaire par rapport à la résolution u(a) du système employé pour incliner la lame, soit en diminuant l’épaisseur e de la lame, soit en augmentant la distance focale r.
[77] Par ailleurs, Tinclinaison de la lame 5 peut être aisément réalisée en la plaçant sur Taxe 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(a)=o,os° ou mieux. Ainsi la résolution angulaire typique sur eiNc peut être de l’ordre de U(9INC)=O,OOI ° OU mieux selon la valeur de coeffmin obtenu par design, c’est-à-dire selon le choix de l’épaisseur e de la focale r.
[78] Pour une épaisseur de lame e donnée, la plage angulaire de balayage maximale pour 9INC peut 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/r. Le tableau 2 ci-après donne les gammes maximales accessibles (en °) pour l’angle e cpour des valeurs représentatives de e et f .
[Tableau 2]
Figure imgf000017_0001
[79] En pratique ces valeurs limites pour 9INC ne 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 entraîne 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/(n -i)°5 au moins. La conséquence est que, en pratique, au-delà d’un certain angle pour a, 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 a 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 |a| 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 0INC théoriques maximales exposées dans le tableau 2 peuvent être approchées à plus de 70% avec des facteurs de formes eir de l’ordre d’un cinquième et un faisceau de largeur e/2.
[80] 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. [81] Selon une réalisation préférée de l’invention, la surface d’entrée SI de l’optique de couplage Cl est écartée de la lentille 7, c’est-à-dire qu’elle n’est pas solidaire, comme cela est possible, du système optique 7.
[82] Avantageusement, pour des raisons de coût et de facilité d’obtention de l’optique de couplage C, la surface d’entrée SI de l’optique de couplage est plane. Il est alors préférable que l’angle au sommet du prisme APR soit proche de l’angle des rayons ePR permettant d’exciter la résonance optique dans la biopuce. Dans ces conditions, la surface d’entrée SI plane joue le rôle d’une optique approximativement stigmatique garantissant que la zone d’intérêt au voisinage de l’axe optique et du plan PI reste toujours ciblée au cours du balayage. Pour une surface d’entrée SI plane, le faisceau 8 subit une réfraction réduisant la plage angulaire accessible pour ePR, par rapport à la plage des 0INC, d’un facteur approximativement égal à nPR/mNc, où nPRest l’indice de l’optique de couplage et mNc l’indice du milieu entre la lentille 7 et la surface d’entrée SI typiquement approximativement égal à un. Dans ces conditions, les variations sur l’angle 9PR au sein de l’optique de couplage sont contrôlées avec une précision u(ePR) encore améliorée, par rapport à u(emc) donnée précédemment, d’un facteur valant typiquement nPR=i,5 pour un prisme en verre dans le visible et plus généralement valant u(ePR)= u(emc)* niNc/nPR. La plage angulaire pour l’angle ePR est 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
[83] EXEMPLE 1 : réalisation d’un dispositif d’analyse réflectométrique à balayage angulaire d’une surface cible de type SPR en intensité.
[84] On réalise un dispositif réflectométrique à balayage angulaire 200 illustré sur le schéma de la figure 5, 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 figure 4. 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 APR= 67.5°. La surface d’entrée SI 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 Fl .
[85] Dans cet exemple pratique de réalisation, la couche résonante d’or fonctionnalisée Fl, représentée sur la figure 4, 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 micro fluidique 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.
[86] La cellule de détection comprenant la surface à analyser est insérée dans un support mécanique Tl (cf. figure 5). Ce support mécanique Tl permet de positionner la surface cible de manière à réaliser un éclairage incliné vis-à-vis de la normale à la surface cible F 1. Le support mécanique consiste ici en plateau en plastique Tl ajouré pour accueillir la cellule de détection C. Tl est ici perpendiculaire au plan d’incidence et la surface de la puce optique est parallèle au plateau Tl. Dans cet exemple, pour une position initiale a=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 Sl.
[87] 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 Ml 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.
[88] L’ensemble du dispositif réalisé représenté schématiquement sur la figure 5 occupe ici une surface inférieure à 16 cm par 8 cm. [89] 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.
[90] Le système électronique d’acquisition du signal auquel le détecteur est raccordé, non représenté sur la figure 5, 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.
[91] 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.
[92] 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.
[93] Ainsi l’angle d’incidence au niveau de la biopuce peut être ajusté librement ou balayé.
[94] La figure 6 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 a est contrôlé par l’électronique.
[95] En effet, l’angle obtenu en amont de la cellule de détection est donné par 0iNc=atan(D/H’F’), où le décalage optique vaut D=e*sin a (i-¥s(a)/g0-5) et g=(n2-sin2a). Dans notre cas H’F’=24.88mm, l’épaisseur de la lame e est de 5mm et son indice est environ n=i ,5i5. L’angle a de la lame est contrôlé à une constante près par le moteur. L’angle emc d’incidence sur la cellule de détection permet aisément de trouver l’angle incident sur la biopuce qui vaut 0PR=asin(0iNc/i ,5i5). 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 0PR. Pour ce dispositif la résolution angulaire est u(0PR)= 0.0025°. Cette résolution est améliorable par design comme discuté auparavant.
[96] Le balayage angulaire représenté sur la figure 6 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.
[97] 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.
[98] 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.
[99] Pour ce premier exemple détaillé, la plage angulaire choisie correspond environ à une plage d’angle pour l’angle émergent du système SO de 0INC de 15° environ centrée sur 67,5°. Compte tenu de l’indice du prisme, cette plage correspond pour 0PR a une plage de 10° au-delà de 62°. Cette plage perniet 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 nSuB=i,si pour le verre BK7 composant le substrat, ainsi que de l’indice du superstrat la recouvrant, typiquement proche de nSUp=l ,33 pour un milieu aqueux. Pour ces valeurs d’indice, l’angle critique pour ePR est proche de 62°. Cette valeur d’angle critique est donnée par la formule asin(nSup/ nsuB). Comme il convient d’être au-dessus, la plage choisie entre 62° et 72° est adaptée pour Q 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
Figure imgf000022_0001
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.
[100] Si l'analyse se fait à sec (analyse de vapeur ou de gaz ou après séchage), ce qui est moins commun, nSup vaut approximativement un et l'angle critique est largement réduit. Dans ce cas, une plage conduisant à un angle eRR allant 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
Figure imgf000022_0002
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
Figure imgf000022_0003
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
Figure imgf000022_0004
environ.
[101] EXEMPLE 2 : réalisation d’un dispositif SPR à balayage interférométrique et détection multiple.
[102] 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.
[103] 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.
[104] 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.
[105] 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 YV04 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.
[106] 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.
[107] 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 OPR pour chaque zone analysée : un signal de phase et un signal d’amplitude ou d’intensité si celle-ci est mise au carré.
[108] A titre d’exemple, la figure 7 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.
[109] 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.
[110] 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 figure 7 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.
[111] EXEMPLE 3 : Procédé de mesure reflectométrique à l’aide du dispositif à balayage angulaire SPR utilisé dans les exemples 1 et 2.
[112] 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 figure 7 (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.
[113] 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.
[114] 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.
[115] Les propriétés optiques de la surface à analyser au sein de la cellule de détection, si cete surface inclut des couches d’indices et épaisseurs inconnues, peuvent également être analysées à l’aide du type de courbe représenté sur la figure 7. Par exemple, l’analyse de la figure 7 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 figure 7 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 lnm 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.
[116] EXEMPLE 4 : autres exemples de réalisation d’un dispositif SPR à balayage.
[117] Des exemples précédemment donnés, il 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.
[118] 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.
[119] 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
[120] Egalement le bras de détection 11 peut inclure un système imageur en vue de cartographier la surface optique résonante.
[121] EXEMPLE 5 : réalisation d’un dispositif réflectométrique selon l’invention pour la caractérisation ellipsométrique de couches minces.
[122] La figure 8 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.
[123] Dans cet exemple, la surface cible est ici celle d’un échantillon de silicium dont la surface à analyser, ici notée Gl, 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 Gl . 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 a=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 D 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 tar , 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

REVENDICATIONS
[Revendication 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 (Fl, Gl) 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 (Fl, Gl), ledit faisceau émergent (8) étant incliné d’un angle emc par rapport à la normale de ladite surface cible (Fl, Gl) et
- un dispositif de détection (11) de nature optoélectronique pour déterminer, après réflexion sur ladite surface cible (Fl, Gl), 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 emc du faisceau émergent (8) de ladite lentille convergente (7) tout en conservant la même surface cible (Fl, Gl),
[Revendication 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).
[Revendication 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 emc du rayonnement de ladite surface cible (Fl, Gl).
[Revendication 4] Dispositif de mesure (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite surface cible (Fl) 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
[Revendication 5] Dispositif de mesure (100, 200) selon la revendication 4,
- qui comprend en outre une optique de couplage (Cl) présentant au moins une face d’entrée (SI) 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 (Cl).
[Revendication 6] Dispositif de mesure (100, 200) selon la revendication 5, dans lequel
- l’optique de couplage (Cl) est un prisme dont ladite surface d’entrée (SI) est plane, et
- ladite lentille convergente (7), et le cas échéant ladite lentille supplémentaire (3), sont cylindriques.
[Revendication 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.
[Revendication 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).
[Revendication 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 (Fl, Gl) est déterminé par rapport à la phase de la composante s dudit rayonnement après réflexion sur la surface cible.
[Revendication 10] Dispositif de mesure (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel : ladite surface cible (Fl) à analyser comprend de multiples zones d’intérêt (Zl, Z2) fonctionnalisées pour détecter des cibles biochimiques ; l’illumination au sein de l’optique de couplage (Cl) est collimatée, et le dispositif de détection (11) comprend une pluralité de détecteurs.
[Revendication 11] Procédé de caractérisation optique d’une surface cible (Gl) 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.
[Revendication 12] Utilisation du procédé tel que défini selon la revendication 11, à des fins de détection biomoléculaire.
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2247749A (en) * 1990-09-05 1992-03-11 Marconi Gec Ltd Sensor utilising surface plasmon resonance
JPH06137818A (ja) * 1992-10-27 1994-05-20 S K S Kk レーザー利用測定装置
US20040079871A1 (en) * 2002-08-07 2004-04-29 Omron Corporation Photoelectric sensor
JP2006220582A (ja) * 2005-02-14 2006-08-24 Fuji Photo Film Co Ltd センシング装置
US20090046275A1 (en) * 2007-08-14 2009-02-19 Agilent Technologies, Inc Method and system for estimating surface plasmon resonance shift
US7576863B2 (en) 2007-02-15 2009-08-18 Gwc Technologies, Inc. Horizontal surface plasmon resonance sensor apparatus
JP2010020239A (ja) * 2008-07-14 2010-01-28 Kyocera Mita Corp ビーム調整機構、ビーム走査装置、画像形成装置、およびビーム方向調整方法
US20100231914A1 (en) * 2007-08-20 2010-09-16 Korea Research Institute Of Bioscience And Biotechnology Surface plasmon resonance sensor using rotating mirror
WO2012070942A1 (fr) * 2010-11-25 2012-05-31 Ibis Technologies B.V. Procédé et appareil de balayage de l'angle de résonance plasmonique de surface
CN109490278A (zh) 2018-09-10 2019-03-19 桂林电子科技大学 三角形微棱镜旋转式spr测试光学芯片
WO2020128293A1 (fr) 2018-12-18 2020-06-25 Universite De Technologie De Troyes Dispositif laser pour interferometrie a polarisation

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2247749A (en) * 1990-09-05 1992-03-11 Marconi Gec Ltd Sensor utilising surface plasmon resonance
JPH06137818A (ja) * 1992-10-27 1994-05-20 S K S Kk レーザー利用測定装置
US20040079871A1 (en) * 2002-08-07 2004-04-29 Omron Corporation Photoelectric sensor
JP2006220582A (ja) * 2005-02-14 2006-08-24 Fuji Photo Film Co Ltd センシング装置
US7576863B2 (en) 2007-02-15 2009-08-18 Gwc Technologies, Inc. Horizontal surface plasmon resonance sensor apparatus
US20090046275A1 (en) * 2007-08-14 2009-02-19 Agilent Technologies, Inc Method and system for estimating surface plasmon resonance shift
US20100231914A1 (en) * 2007-08-20 2010-09-16 Korea Research Institute Of Bioscience And Biotechnology Surface plasmon resonance sensor using rotating mirror
JP2010020239A (ja) * 2008-07-14 2010-01-28 Kyocera Mita Corp ビーム調整機構、ビーム走査装置、画像形成装置、およびビーム方向調整方法
WO2012070942A1 (fr) * 2010-11-25 2012-05-31 Ibis Technologies B.V. Procédé et appareil de balayage de l'angle de résonance plasmonique de surface
CN109490278A (zh) 2018-09-10 2019-03-19 桂林电子科技大学 三角形微棱镜旋转式spr测试光学芯片
WO2020128293A1 (fr) 2018-12-18 2020-06-25 Universite De Technologie De Troyes Dispositif laser pour interferometrie a polarisation

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