Détection par résonance de plasmon surface (SPR)

Introduction 

Parmi les biocapteurs, ceux basés sur la détection de la résonance de plasmon de surface (SPR) sont de plus en plus utilisés.1 Contrairement à ceux exploitant la détection par fluorescence, ils présentent l’avantage d’une détection directe (sans fluorophore) et permettent une détection sensible et en temps réel de reconnaissance moléculaire par suivi du changement d’indice à la surface. Depuis leur invention à la fin des années 90, les biocapteurs SPR sont devenus des outils d’analyse particulièrement intéressants pour l’étude d’interactions moléculaires.2 Dans le cadre de cette étude, nous avons collaboré avec le groupe de S. Szunerits et R. Boukherroub de l’institut de recherche interdisciplinaire de Villeneuve d’Ascq, pour améliorer la physico-chimie des substrats plasmoniques et avec le Groupe de A. T. A. Jenkins du département de chimie de l’université de Bath (G.B.) pour l’étude de la fluorescence couplée au plasmon de surface (SPFS). Le but de ce chapitre est de montrer comment la fonctionnalisation de surface jusqu’alors utilisée essentiellement sur or peut être améliorée en utilisant une couche mince de silicium amorphe. Nous nous intéresserons à la sensibilité de ces substrats et à l’utilisation combinée des plasmons de surface et de la fluorescence pour la détermination de constantes de dissociation, particulièrement intéressantes pour identifier des mutations ponctuelles de bases dans les brins d’ADN.

Les plasmons de surface 

Certaines des propriétés des métaux nobles peuvent être décrites par le modèle des électrons libres, dans lequel la présence du réseau d’atomes est ignorée. Les électrons libres sont dans ce cas considérés comme un plasma d’électrons ce qui confère au métal une fonction diélectrique de la forme : 2 2 1 ω ω ε p m = − (9) où ωp est la pulsation du plasma, qui correspond au quantum d’excitation d’oscillations d’ondes de densité électronique qui peuvent se propager dans le volume du métal lorsque εm = 0, c’est-à-dire lorsque ω = ωp. 2 Dans la gamme de fréquence ω < ωp, où εm < 0, il apparaît des modes de surface, appelés plasmons de surface, qui se couplent au champ électromagnétique.2,

Relation de dispersion 

Les plasmons de surface se propagent le long de l’interface métal/diélectrique avec une constante de propagation x k (équation 10) déterminée grâce aux équations de Maxwell : d m d m x c k ε ε ω ε ε + = (10) où ω est la pulsation, c la vitesse de la lumière, d ε et m ε les permittivités respectives du diélectrique et du métal. La fonction diélectrique du métal m ε ( m m m ε = ε + iε ′′ ‘ ) est complexe, on peut donc écrire ‘  » x x x k = k + ik avec : m d m d x c k ε ε ω ε ε ′ + ′ ′ = (11)         ′ ′′         ′ + ′ ′′ = 2 3 (2 ) m m m d m d x c k ε ε ε ε ω ε ε (12) Afin de comprendre le couplage de l’onde incidente avec les plasmons de surface, il est utile d’étudier leur relation de dispersion. Le vecteur d’onde et la fréquence d’oscillation d’une onde électromagnétique sont liés par leur relation de dispersion (figure 61). Celle d’un photon se propageant dans le milieu diélectrique s’écrit : photon d c k ε ω = (13) La relation de dispersion du mode plasmon est donnée par les relations (11) et (12). Pour coupler un plasmon de surface à une excitation électromagnétique seule la partie propagative de l’onde importe, c’est à dire la partie réelle x k′ du vecteur d’onde (équation 11). La figure 61 représente la relation de dispersion ω(k’x) des plasmons de surface. Celle-ci n’est pas linéaire puisque la fonction diélectrique m ε dépend de ω. On note que pour les grands vecteurs d’onde, la fréquence d’oscillation tend vers une valeur ωs :  Au-delà de cette limite, le plasmon de surface est non propagatif (il n’existe que des plasmons de volume dont la fréquence d’oscillation est ωp).On note que, pour une pulsation donnée, le vecteur d’onde du plasmon de surface est toujours plus grand que celui de la lumière se propageant dans le diélectrique. L’absence d’interaction entre leurs courbes de dispersion interdit tout couplage. Par conséquent les deux courbes ne se croisent jamais. Il ne peut donc pas y avoir de couplage entre une onde lumineuse qui se propage dans le diélectrique et un mode de plasmon de surface. Il existe différentes techniques pour réaliser l’adaptation entre les vecteurs d’ondes : le couplage par prisme (expliqué ci-dessous) ou le couplage par réseau.

Couplage par prisme

 Il est possible d’illuminer la surface métallique au travers d’un milieu optique élevé, par exemple un prisme, pour augmenter le vecteur d’onde de la lumière incidente. Il existe 2 types de configurations : – la configuration d’Otto : La lumière est projetée sur le métal en approchant un prisme de la surface métallique figure 62a.5 – la configuration de Kretschmann : la face arrière d’un film métallique est éclairée au travers d’un prisme figure 62b.5 Dans ces configurations, au-delà d’un certain angle (appelé angle critique) nous sommes en réflexion totale interne (ATR) ce qui permet l’apparition d’une onde évanescente à l’interface prisme / diélectrique possédant un vecteur d’onde plus grand que celui d’une onde se propageant dans le diélectrique (configuration d’Otto) ou l’excitation des plasmons de surface à l’interface métal / diélectrique dans la mesure où l’indice de réfraction du prisme est suffisamment grand devant celui du diélectrique (configuration de Kretschmann).

Influence de la couche métallique 

La fonction diélectrique d’un métal varie en fonction de la pulsation de l’onde incidente. Chaque métal aura donc une résonance plasmon spécifique à un couple longueur d’onde et angle d’incidence (λ, θ) particulier et des caractéristiques de dispersion propres qui vont influencer le couplage entre l’onde incidente et les plasmons de surface.5,6 Pour une excitation dans le rouge, l’or et l’argent présentent les meilleures propriétés. L’argent possède la résonance plasmon la plus étroite et donc la meilleure sensibilité, mais est très peu utilisé du fait qu’il s’oxyde à l’air. Des sous-couches d’adhérence de titane ou de chrome sont utilisées pour l’accrochage du métal sur la lame de verre ou prisme. L’efficacité du couplage entre excitation et plasmons de surface d’un substrat SPR, maximale lorsque la réflectivité est nulle (c’est à dire à la résonance) dépend de l’épaisseur du métal dm. En configuration de Kretschmann, l’onde se propageant dans le prisme ne peut en effet qu’exciter le mode plasmon à l’interface métal / diélectrique. Il faut donc éviter que la couche soit trop épaisse et n’atténue l’excitation. Réciproquement, il faut que la couche métallique soit suffisamment épaisse pour que l’oscillation de la densité de charge, qui s’étend sur une épaisseur finie à la surface, puisse se développer. La longueur correspondante est de l’ordre de l’épaisseur de la couche métallique, soit environ 30 nm (en fait 38 nm Ag ; 50 nm Au). Le plasmon reste donc très confiné dans le prisme et il sera sensible à toutes variations qui peuvent se produire à la surface du métal.

Fluorescence couplée au plasmon de surface 

A l’angle de résonance presque toute l’énergie des photons est utilisée pour exciter les plasmons de surface. Ceci conduit au minimum de réflectivité et à l’exaltation du champ électromagnétique à l’interface métal/diélectrique (air ou eau). Ainsi il sera possible d’exciter plus efficacement des biomolécules marquées par un fluorophore.7 La figure 65 montre bien que la bande plasmon centrée sur le minimum de réflectivité est plus étroite dans le cas de l’argent que dans celui de l’or. Le facteur d’exaltation du champ électromagnétique a été calculé pour différentes interfaces (prisme/métal/air ; prisme/métal/eau) pour l’or et l’argent. Comme on peut le voir sur la figure 65, chaque intensité du champ atteint un maximum à un angle proche de la résonance (la valeur indiquée sur l’échelle de droite est normalisée par rapport à l’intensité du champ incident). Les facteurs sont de 58 et 17 pour les interfaces Ag/eau et Au/eau.7 L’augmentation significative du facteur pour l’argent s’explique par le fait 114 que l’argent présente une fonction diélectrique avec une partie imaginaire plus petite. Le facteur d’exaltation est plus faible pour les interfaces immergées dans l’eau que dans l’air parce que le champ associé au plasmon de surface se dissipe davantage dans le métal pour des milieux diélectriques plus denses. On note par ailleurs que l’angle de résonance correspondant au maximum du facteur d’exaltation du champ électromagnétique et celui associé au minimum de réflectivité ne sont pas strictement égaux. On peut expliquer cela si l’on considère notre système comme un résonateur guidé par la lumière incidente. La partie imaginaire ε ′′ de la fonction diélectrique correspond au facteur de perte du résonateur et entraîne ainsi la séparation entre l’angle de résonance des plasmons et le maximum de l’intensité du champ. Plus ε ′′ est grand, plus la séparation entre les angles est importante, ce qui explique que cette séparation est plus faible dans le cas de l’argent que dans celui de l’or.