Titre : Procédé et dispositif d'analyse d'un échantillon, mettant en œuvre un support résonant, illuminé par un rayonnement infra-rouge.

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine technique de l'invention est l'analyse d'un échantillon, l'échantillon étant déposé sur un support comportant des cristaux photoniques dont les propriétés spectrales de transmission ou de réflexion comportent une longueur d'onde de résonance, cette dernière subissant une variation sous l'effet de la présence d'un analyte.

ART ANTERIEUR

Le recours à la détection infra-rouge est usuel dans le domaine de l'analyse d'échantillons. En effet, sous l'effet d'une illumination infra-rouge, on peut détecter une signature d'un échantillon, à partir de laquelle on obtient une information relative à la composition chimique de l'échantillon. Dans le domaine de la biologie ou de la santé, par exemple, la caractérisation d'échantillons par imagerie spectrale infrarouge est à présent une technologie largement décrite dans la littérature pour ses applications dans le diagnostic, et en particulier dans le domaine de l'histopathologie. Elle permet d'obtenir, sans marquage, des informations biomoléculaires relatives à des cellules ou à des tissus. Cette méthode est basée sur une signature spectrale d'un échantillon vis-à-vis d'une pathologie. Lorsqu'un faisceau lumineux traversant l'échantillon présente une longueur d'onde correspondant à une énergie entre deux niveaux de vibration moléculaire, une partie du faisceau est absorbée. Ainsi, par spectrométrie d'absorption, on peut estimer une absorbance spectrale de l'échantillon, permettant l'obtention d'une information sur la composition moléculaire de ce dernier. Le spectre de l'absorbance constitue en cela une signature moléculaire de l'échantillon.

Cependant, dans ce type de méthode, il est nécessaire de balayer l'échantillon avec un faisceau laser. La taille du faisceau laser conditionne en effet la résolution spatiale de la mesure. Aussi, lorsqu'on souhaite obtenir une information spectrale spatialement résolue, le faisceau laser doit être fin. Il en résulte qu'une analyse d'une surface d'échantillon de quelques mm ² ou quelques cm ² est longue. De plus, l'instrumentation liée à l'imagerie spectrale infrarouge est complexe et onéreuse. En dehors du domaine des échantillons biologiques, la détection infra-rouge est usuelle dans le domaine de la détection de gaz. C'est par exemple le cas des capteurs de gaz NDIR (non dispersive Infra red). Dans ce type de capteur, un gaz est illuminé par une source de lumière infrarouge, dans une bande spectrale d'illumination correspondant à une bande spectrale d'absorption d'une espèce gazeuse. Un photodétecteur détecte la lumière s'étend propagée à travers le gaz. La quantité de lumière détectée par le photodétecteur, dans la bande spectrale d'absorption, est représentative de l'atténuation de la lumière par l'espèce gazeuse. A partir de la quantité de lumière détectée, il est possible d'estimer une quantité de l'espèce gazeuse dans le gaz.

La publication Andréas Titl et al imaging based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces », Science, vol. 360, n°6393, 2018-06-08, pp 1105-1109, décrit un support comportant des cristaux photoniques résonants, permettant d'obtenir des profils d'absorption de rayonnement infra-rouge de protéines.

Le document US2004/155309 décrit le recours à des structures métalliques induisant une résonance plasmon, pour l'analyse d'échantillons.

Le document Cheng F. et al « Tuning asymmetry parameter of Fano résonance of spoof surface plasmons by modes coupling », Applied Physics Letters, vol 100, n° 3, 2012-03-26 décrit des structures métalliques induisant une résonance plasmon. Chaque structure est constituée de deux motifs décalés l'un par rapport à l'autre, le décalage étant fixe.

Les inventeurs ont conçu un dispositif d'analyse simple d'utilisation, ne nécessitant pas d'instrumentation complexe, tel qu'un spectromètre, et pouvant être mis en oeuvre pour étudier la composition d'un échantillon.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un premier objet de l'invention est un procédé d'analyse d'un échantillon, l'échantillon étant susceptible de comporter un analyte, l'échantillon s'étendant sur un support résonant, le support résonant comportant une surface sur laquelle s'étendent plusieurs cristaux photoniques, séparés les uns des autres, de telle sorte que l'échantillon s'étend entre une source de lumière et les cristaux photoniques, les cristaux photoniques étant tels que :

une longueur d'onde de résonance est associée à chaque cristal photonique, les longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques définissant une bande spectrale de résonance, s'étendant entre 2 pm et 20 pm ; la transmission ou la réflexion de la lumière, par chaque cristal photonique est maximale à la longueur d'onde de résonance qui lui est associée ;

le procédé comportant les étapes suivantes :

a) illumination du support résonant par la source de lumière, la source de lumière émettant une onde lumineuse d'illumination, définissant une bande spectrale d'illumination recouvrant au moins en partie la bande spectrale de résonance, de telle sorte que plusieurs cristaux photoniques sont simultanément illuminés ;

b) acquisition d'une image du support résonant, dite image de mesure, par un capteur d'image, l'image comportant des régions d'intérêt différentes, chaque région d'intérêt étant optiquement couplée à un cristal photonique de telle sorte que chaque région d'intérêt représente une intensité transmise ou réfléchie par chaque cristal photonique lors de l'illumination du support résonant; puis détermination de la présence de l'analyte dans l'échantillon à partir de l'image de mesure. De préférence, deux régions d'intérêt différentes sont optiquement couplées à deux cristaux photoniques différents.

Selon un mode de réalisation, le procédé comporte également :

c) prise en compte d'une image de référence, l'image de référence étant représentative d'une image acquise par le capteur d'image, lorsque le support résonant est illuminé dans la bande spectrale d'illumination, dans une configuration de référence, en l'absence de d'analyte ;

d) comparaison de l'image de mesure, acquise lors de l'étape b) avec l'image de référence, prise en compte lors de l'étape c);

e) en fonction de la comparaison, détermination de la présence de l'analyte dans l'échantillon.

Selon un mode de réalisation, plusieurs cristaux photoniques sont alignés selon une ligne parallèlement à un axe longitudinal, de telle sorte que la longueur d'onde de résonance respectivement associée à un cristal photonique augmente, ou diminue, progressivement le long de l'axe longitudinal. Le support résonant peut comporter différentes lignes de cristaux photoniques parallèles les unes aux autres, les cristaux photoniques formant des colonnes, parallèlement à un axe latéral, de telle sorte que les cristaux photoniques d'une même colonne présentent une même longueur d'onde de résonance. L'axe longitudinal et l'axe latéral sont sécants. L'axe longitudinal est de préférence perpendiculaire à l'axe latéral. De préférence, les cristaux photoniques s'étendent selon un plan de support, l'onde lumineuse d'illumination se propageant jusqu'au support résonant parallèlement à un axe de propagation perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire au plan de support.

Selon un mode de réalisation, préalablement à l'étape a), le procédé comporte une étape de formation de l'image de référence, comportant :

illumination du support résonant par la source de lumière, dans la bande spectrale d'illumination, sans analyte entre la source de lumière et le support résonant;

acquisition d'une image du support résonant par le capteur d'image, l'image ainsi acquise formant l'image de référence.

L'image référence peut être une image obtenue en :

illuminant, selon la bande spectrale d'illumination, un support de référence, considéré comme représentatif du support résonant illuminé dans l'étape a), la quantité d'analyte entre le support de référence et la source de lumière étant considérée comme nulle ; formant une image du support de référence, l'image ainsi formée correspondant à l'image de référence.

Selon un mode de réalisation, le support résonant comporte des cristaux photoniques de référence,

dont la bande spectrale de résonance n'est pas modifiée par l'analyte ;

ou dont la bande spectrale de résonance correspond à une longueur d'onde non absorbée par l'échantillon ;

auquel cas l'image de référence est une image des cristaux photoniques de référence lorsqu'ils sont illuminés selon la bande spectrale d'illumination.

L'image de référence et l'image de mesure peuvent former deux parties distinctes d'une même image acquise par le capteur d'image.

Selon un mode de réalisation,

l'échantillon est un liquide ;

le support résonant est en contact avec l'échantillon ;

le support résonant comporte des cristaux photoniques adressant l'analyte, configurés pour être en contact avec l'analyte ;

l'image de mesure comporte des régions d'intérêt associées à l'analyte, optiquement couplées aux cristaux photoniques adressant l'analyte ;

sous l'effet du contact avec l'analyte, la longueur d'onde de résonance des cristaux photoniques adressant l'analyte subit une variation spectrale ; l'illumination étant telle que l'intensité d'illumination est variable, dans la bande spectrale de résonance, selon une fonction spectrale d'illumination.

Selon ce mode de réalisation, pour chaque cristal photonique adressant l'analyte, la longueur d'onde de résonance peut dépendre d'un indice de réfraction de l'échantillon, au niveau d'une interface entre l'échantillon et le cristal photonique, l'indice de réfraction variant en fonction de la quantité d'analyte au contact du cristal photonique.

Selon ce mode de réalisation, l'étape e) peut comporter les sous-étapes suivantes :

i) à partir de l'image de mesure, détermination d'un profil, dit profil de mesure, de l'intensité des régions d'intérêt associées à l'analyte ;

ii) à partir de l'image de référence, détermination d'un profil, dit profil de référence, représentatif de l'intensité, en l'absence d'analyte ou en présence d'une quantité connue d'analyte dans l'échantillon, des régions d'intérêt associées à l'analyte ;

de telle sorte que la présence de l'analyte est déterminée en fonction d'un décalage du profil de mesure par rapport au profil de référence.

Selon ce mode de réalisation, l'étape e) peut comporter les sous-étapes suivantes :

i) sur l'image de mesure, détermination d'une position, dite position de mesure, d'une région d'intérêt présentant une valeur d'intensité maximale parmi les régions d'intérêt associées à l'analyte ;

ii) sur l'image de référence, détermination d'une position, dite position de référence, d'une région d'intérêt présentant une valeur d'intensité maximale parmi les régions d'intérêt associées à l'analyte ;

de telle sorte que la présence de l'analyte est déterminée en fonction d'un décalage de la position de mesure par rapport à la position de référence.

Selon ce mode de réalisation, l'étape e) peut comporter une estimation d'une quantité d'analyte dans l'échantillon, en fonction de la comparaison entre l'image de mesure et de l'image de référence. La quantité d'analyte peut être estimée en fonction :

du décalage du profil de mesure par rapport au profil de référence ;

ou du décalage de la position de mesure par rapport à la position de référence.

La quantité d'analyte peut notamment être une concentration d'analyte.

Le procédé peut être tel que :

chaque cristal photonique comporte des trous ménagés à travers une couche mince ; la longueur d'onde de résonance de chaque cristal photonique dépend du rayon ou de la diagonale des trous, et de l'espacement entre les trous, et éventuellement de l'indice de réfraction de l'échantillon.

Chaque cristal photonique peut comporter :

des premiers trous, ayant une première dimension, la première dimension étant un rayon ou une diagonale, les premiers trous définissant un premier motif périodique; des deuxièmes trous, ayant une deuxième dimension, la deuxième dimension étant strictement inférieure à la première dimension, les deuxièmes trous définissant un deuxième motif périodique ;

le deuxième motif et le premier motif sont décalés l'un par rapport à l'autre, parallèlement à la surface du support résonant, selon un décalage spatial ;

de telle sorte que la longueur d'onde de résonance associée à chaque cristal photonique dépend de la première dimension, de la deuxième dimension, et du décalage spatial.

Selon un mode de réalisation :

des cristaux photoniques sont alignés parallèlement à un axe longitudinal ;

les longueurs d'onde de résonance respectivement associées à deux cristaux photoniques adjacents sont décalées selon un pas de discrétisation compris entre 1 nm et 50 nm, et de préférence entre 1 nm et 10 nm.

Selon un mode de réalisation, des cristaux photoniques, adressant à un même analyte, sont recouverts d'une couche de fonctionnalisation, propice à une capture sélective, par exemple par greffage, de l'analyte sur les cristaux photoniques.

Selon ce mode de réalisation le support résonant peut comporter:

des cristaux photoniques de rang 1 configurés pour capturer un premier analyte ; des cristaux photoniques de rang j configurés pour capturer un j' ^eme analyte, différent des analytes capturés par les cristaux photoniques de rang inférieur à j.

j est un entier naturel non nul.

Selon ce mode de réalisation :

les cristaux photoniques de même rang peuvent être alignés parallèlement à un axe longitudinal ;

et les cristaux photoniques présentant une même longueur d'onde de résonance, en l'absence d'analyte capturé, peuvent être alignés parallèlement à un axe latéral, l'axe latéral et l'axe longitudinal n'étant pas parallèles. Le support résonant peut être disposé entre la source de lumière et le capteur d'image, de telle sorte que lors de l'étape b), chaque région d'intérêt formée sur l'image de mesure est représentative d'une intensité transmise par le cristal photonique à laquelle elle est optiquement couplée.

Selon un mode de réalisation, aucune optique de formation d'image n'est disposée entre le capteur d'image et le support résonant ;

Selon un mode de réalisation, un système optique, de type lentille ou objectif, est disposé entre le capteur d'image et le support résonant, le système optique conjuguant le capteur d'image au support résonant.

Selon un mode de réalisation, le support résonant délimite un demi-espace, comportant la source de lumière, et le capteur d'image est disposé dans le même demi-espace que la source de lumière, de telle sorte que chaque région d'intérêt formée sur l'image de mesure est représentative d'une intensité réfléchie par le cristal photonique à laquelle elle est optiquement couplée.

Selon un mode de réalisation, l'échantillon est disposé entre la source de lumière et le support résonant, l'analyte étant apte à absorber l'onde lumineuse d'illumination, émise par la source de lumière, dans une bande spectrale d'absorption, le procédé étant tel que la bande spectrale d'absorption comporte au moins une longueur d'onde d'absorption correspondant à une longueur d'onde de résonance d'un cristal photonique. Le procédé comporte, à partir de l'image de mesure :

une détermination d'au moins un cristal photonique, dont la longueur d'onde de résonance correspond à la longueur d'onde d'absorption;

une identification de la longueur d'onde de résonance dudit cristal photonique ;

une détermination de la présence de l'analyte à partir de la longueur d'onde de résonance du cristal photonique ainsi déterminé.

Le procédé peut alors comporter :

à partir de l'image de mesure, une estimation d'une intensité lumineuse d'absorption, transmise ou réfléchie par au moins un cristal photonique dont la longueur d'onde de résonance est comprise dans la bande spectrale d'absorption ;

une estimation d'une intensité lumineuse de référence, transmise ou réfléchie par ledit cristal photonique, en l'absence d'analyte ;

une estimation d'une quantité d'analyte à partir de l'intensité lumineuse d'absorption et de l'intensité lumineuse de référence. L'échantillon peut être est un gaz ou un liquide ou un solide.

Un autre objet de l'invention est un dispositif d'analyse d'un échantillon, comportant une source de lumière, un capteur d'image et un support résonant, disposé entre la source de lumière et le capteur d'image, de telle sorte que le capteur d'image est configuré pour acquérir une image du support résonant, le support résonant étant destiné à être disposé au contact d'un échantillon, ou face à un échantillon, le support résonant comportant une surface présentant des cristaux photoniques, séparés les uns des autres, le support résonant étant tel que :

une longueur d'onde de résonance est associée à chaque cristal photonique, de telle sorte que la transmission ou la réflexion de la lumière, par chaque cristal photonique, est maximale à la longueur d'onde de résonance à laquelle il est associé, les longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques définissant une bande spectrale de résonance, s'étendant entre 2 pm et 20 pm ;

la source de lumière est configurée pour illuminer simultanément différents cristaux photoniques, dans une bande spectrale d'illumination recouvrant au moins en partie la bande spectrale de résonance ;

au moins deux cristaux photoniques sont configurés pour être en contact de ou face à un même analyte, lesdits cristaux photoniques étant associés à deux longueurs d'onde de résonance différentes, la longueur d'onde de résonance associée à chaque cristal photonique dépendant d'une quantité d'analyte au contact du cristal photonique.

Selon un mode de réalisation :

chaque cristal photonique comporte des trous ménagés à travers une couche mince ; la longueur d'onde de résonance de chaque cristal photonique dépend du rayon et de l'espacement entre les trous, ainsi que de l'indice de réfraction de la couche mince et éventuellement de l'indice de réfraction de l'échantillon.

Selon un mode de réalisation, chaque cristal photonique comporte :

des premiers trous ayant une première dimension, la première dimension étant un rayon ou une diagonale, les premiers trous définissant un premier motif ;

des deuxièmes trous, ayant une deuxième dimension, la deuxième dimension étant strictement inférieure à la première dimension, les deuxièmes trous définissant un deuxième motif périodique ;

le deuxième motif et le premier motif sont décalés l'un par rapport à l'autre, parallèlement à la surface du support, selon un décalage spatial; de telle sorte que la longueur d'onde de résonance associée à chaque cristal photonique dépend de la première dimension, de la deuxième dimension, et du décalage spatial.

Selon un mode de réalisation, les cristaux photoniques, configurés pour être en contact avec un même analyte, sont alignés parallèlement à un même axe longitudinal, les longueurs d'onde de résonance respectivement associées à deux cristaux photoniques adjacents étant décalées selon un pas de discrétisation compris entre 1 nm et 10 nm ou entre 1 nm et 50 nm.

Selon un mode de réalisation, des cristaux photoniques, adressant un analyte, sont configurés pour capturer sélectivement un même analyte. Ils peuvent notamment être recouverts d'une couche de fonctionnalisation d'intérêt, propice à une capture sélective de l'analyte.

Selon un mode de réalisation, le support d'analyse comporte

des cristaux photoniques de rang 1, configurés pour capturer sélectivement un premier analyte ;

des cristaux photoniques de rang j, configurés pour capturer sélectivement un jième analyte, différent des analytes de rang inférieurs à j.

Selon un mode de réalisation,

les cristaux photoniques de même rang sont alignés parallèlement à un axe longitudinal; et les cristaux photoniques associés selon une même longueur d'onde de résonance, en l'absence d'analyte, sont alignés parallèlement à un axe latéral, l'axe latéral et l'axe longitudinal n'étant pas alignés.

Selon un mode de réalisation, les cristaux photoniques s'étendent selon un plan de support, et la source de lumière est configurée pour émettre une onde lumineuse d'illumination, dans la bande spectrale d'illumination, se propageant jusqu'au support selon un axe de propagation perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire au plan de support.

Le plan du support peut s'étendre parallèlement à un plan de détection défini par le capteur d'image.

Le dispositif peut comporter l'une des caractéristiques décrites en lien avec le premier objet de l'invention.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

La figure IA est un premier exemple de dispositif selon l'invention.

La figure IB représente un deuxième exemple de dispositif selon l'invention.

La figure IC est un troisième exemple de dispositif selon l'invention. La figure 1D est un détail du support résonant représenté sur les figures IA, IB et IC.

Les figures 2A à 2H schématisent le fonctionnement de l'invention selon un premier mode de réalisation.

La figure 2A montre un exemple d'agencement du capteur d'image par rapport au support résonant.

La figure 2B schématise des cristaux photoniques adressant un même analyte et répartis selon une même ligne.

La figure 2C montre un exemple de fonction d'intensité spectrale que suit la source de lumière, dans une bande spectrale de résonance définie par les longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques formés sur le support résonant.

Les figures 2D, 2E et 2F illustrent une intensité transmise par chaque cristal photonique respectivement :

en l'absence d'analyte ;

en présence d'une faible quantité d'analyte capturé par le support résonant ;

en présence d'une quantité élevée d'analyte capturé par le support résonant.

La figure 2G montre des profils, selon l'axe longitudinal, de l'intensité transmise par les cristaux photoniques représentés sur les figures 2D (pointillés), 2E (trait plein) à 2F (traits mixtes).

La figure 2H schématise les principales étapes d'un procédé selon l'invention.

La figure 3A montre une superposition d'un support résonant et d'un capteur d'image d'un dispositif selon l'invention, l'invention fonctionnant selon un mode de réalisation dit bidimensionnel.

Les figures 3B et 3C illustrent une intensité transmise par chaque cristal photonique respectivement en présence d'analytes capturés par le support résonant et en l'absence d'analyte capturé sur le support.

La figure 4A montre une variation de la longueur d'onde de résonance en transmission de cristaux photoniques en fonction de la longueur d'onde.

La figure 4B représente un détail d'un support résonant, le support résonant présentant des trous répartis selon une double période.

La figure 4C montre une évolution de la longueur d'onde de résonance en fonction de l'agencement des trous d'un cristal photonique tel que représenté sur la figure 4B.

La figure 4D montre une évolution modélisée de la réflectance d'un cristal photonique en fonction de la longueur d'onde. Les figures 5A et 5B sont des exemples de deux agencements différents de trous formant des cristaux photoniques.

Les figures 6A à 6M illustrent les étapes de fabrication d'un support résonant.

La figure 7A montre une évolution de la transmission spectrale d'un cristal photonique illuminé par un faisceau lumineux polychromatique, en incidence normale, en fonction de la longueur d'onde d'illumination. La figure 7A a été obtenue expérimentalement.

La figure 7B est une comparaison de longueurs d'onde de résonance de réflexion, mesurées expérimentalement et modélisées, pour différents cristaux photoniques.

La figure 8A montre un mode de réalisation préféré de l'invention.

La figure 8B schématise les directions de polarisation de polariseurs décrits en lien avec la figure 8A.

Les figures 9A et 9B sont respectivement des images d'un support résonant illuminé selon une fonction spectrale d'illumination, et mis au contact d'eau et d'éthanol.

La figure 9C est une comparaison de profils horizontaux respectivement formés sur les figures 9A et 9B.

Les figures 10A à 10D schématisent des images obtenues selon un deuxième mode de réalisation.

Les figures 10E et 10F schématisent des profils d'une intensité de la lumière transmise par des cristaux photoniques selon les configurations respectivement illustrées sur les figures 10A et 10D.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La figure IA montre un exemple de dispositif 1 d'analyse d'un échantillon selon l'invention. Le dispositif 1 comporte une source de lumière 10, configurée pour émettre une onde lumineuse d'illumination 11 se propageant vers un échantillon 20. L'onde lumineuse d'illumination se propage parallèlement à un axe de propagation Z, dans une bande spectrale d'illumination Dl. L'échantillon 20 est disposé sur un support 15, dit support résonant. L'échantillon 20 peut comporter être un gaz, ou un liquide, ou un solide, comportant au moins un analyte 21. L'échantillon est disposé entre la source de lumière 10 et le support résonant 15.

Par analyte, on entend une espèce chimique ou biologique dont on souhaite déterminer la présence, et éventuellement une quantité, dans l'échantillon. L'analyte 21 peut par exemple être une molécule chimique, une protéine, un peptide, un anticorps, un antigène, un fragment de séquence de nucléotides, ou une particule. Par particule, on entend par exemple une cellule biologique, une gouttelette insoluble dans un milieu, une nanobille. Il peut également s'agir d'un microorganisme, par exemple une bactérie, une levure ou une microalgue. De préférence, une particule a un diamètre, ou est inscrite dans un diamètre, inférieur à 20 pm, voire à 10 pm ou à 5 pm.

Lorsque l'échantillon est un gaz, l'analyte est une espèce gazeuse présentant une bande spectrale d'absorption A _a de la lumière comprise dans la bande spectrale d'illumination Dl. L'espèce gazeuse peut être par exemple CFU, CF4, CO2, NO, NH3. D'une façon générale, l'espèce gazeuse présente une absorption considérée comme significative dans la bande spectrale d'illumination. Le cas d'un échantillon gazeux est abordé dans le deuxième mode de réalisation.

Lorsque l'échantillon est un solide, il est suffisamment transparent, dans au moins une partie de la bande spectrale d'illumination Dl, de façon à permettre une propagation de la lumière à travers l'échantillon. Il peut par exemple s'agir d'une fine lame de tissu biologique obtenue à partir d'un prélèvement de type biopsie ou frottis. Il s'agit par exemple d'une lame d'anatomo pathologie. Il peut également s'agir d'un extrait sec obtenu par séchage d'un liquide corporel, par exemple une fine lame de sang séché. L'analyte peut alors être une molécule, ou une partie d'une molécule, ou d'une liaison moléculaire, présentant une bande spectrale d'absorption A _a dans la bande spectrale d'illumination AX. Le cas d'un échantillon solide est abordé dans le deuxième mode de réalisation.

Par support résonant, on entend un support dont une partie est apte à entrer en résonance, de façon à transmettre ou à réfléchir une intensité maximale de lumière dans une longueur d'onde de résonance. La structure du support résonant est décrite par la suite.

L'échantillon 20 peut se présenter sous la forme d'une goutte déposée sur le support résonant 15. Il peut également s'agir d'un liquide ou d'un gaz, confiné dans une chambre fluidique 18, associée au support résonant 15. Le support résonant peut par exemple constituer une paroi de la chambre fluidique 18 dans laquelle s'étend l'échantillon. La chambre fluidique 18 est de préférence transparente dans la bande spectrale d'illumination AX. Elle peut par exemple comprendre ou être constituée de matériaux transparents dans l'infra-rouge : il s'agit par exemple de silicium, de germanium, de fluorure de calcium (CaF ₂ ) ou de fluorure de baryum (BaF ₂ , ou de sulfure de Zinc (ZnS) ou de chalcogénure.

La source de lumière 10 peut être monochromatique ou polychromatique. L'onde d'illumination 11 s'étend selon une bande spectrale d'illumination AX. La bande spectrale d'illumination s'étend entre 2 pm et 20 pm. De préférence, la bande spectrale d'illumination s'étend entre une longueur d'onde minimale et une longueur d'onde maximale, la longueur d'onde minimale étant strictement supérieure à 1.5 miti, voire à 2 pm. Ainsi, la bande spectrale d'illumination peut s'étendre dans le proche infra-rouge (typiquement entre 2pm et 3 pm), ou dans l'infra-rouge moyen (typiquement entre 3 et 8 pm), ou dans l'infra-rouge long (typiquement jusqu'à 20 pm).

La source de lumière 10 peut être formée par un filament chauffé, formant une source de lumière dont l'émission spectrale est proche de celle d'un corps noir. La source de lumière peut être formée par un laser. Il peut s'agir d'un laser accordable en longueur d'onde, par exemple un laser QCL, acronyme de Quantum Cascade Laser, signifiant laser à cascade quantique. La source de lumière peut comporter plusieurs sources laser élémentaires QCL, émettant respectivement dans différentes bandes spectrales d'illumination.

Dans un premier mode de réalisation, décrit en lien avec les figures 2 à 9, la largeur de la bande spectrale d'illumination Dl est de préférence inférieure à 200 nm, voire inférieure à 100 nm voire à 10 nm. Dans un deuxième mode de réalisation, décrit en lien avec les figures 10A à 10F, la largeur de la bande spectrale d'illumination Dl peut être de quelques pm.

De préférence, la source de lumière 10 est disposée à une distance D du support résonant 15, de telle sorte que l'onde lumineuse 11 atteint ce dernier sous la forme d'une onde plane. Un élément optique de collimation, connu de l'homme du métier, peut être disposé entre la source de lumière 10 et l'échantillon 20, de façon à former une onde lumineuse 11 plane.

Le dispositif 1 comporte également un capteur d'image 30, sensible à l'infra-rouge. Le capteur d'image est de préférence un capteur pixelisé, comportant des pixels 31 disposés selon un arrangement matriciel. Les pixels du capteur d'image 30 définissent un plan de détection P30. Dans cet exemple, le capteur d'image est formé par une matrice de bolomètres, chaque bolomètre de la matrice présentant une bande spectrale de détection comprise entre 2 pm et 20 pm. Chaque bolomètre forme un pixel. Dans les exemples décrits par la suite, chaque pixel est formé par un bolomètre encapsulé sous vide.

De préférence, le plan de détection P ₃₀ est disposé perpendiculairement à l'axe de propagation Z, ou sensiblement perpendiculairement à ce dernier. Par sensiblement perpendiculairement, il est entendu perpendiculairement, en admettant une tolérance angulaire de ± 20° ou de préférence ± 10°, voire ± 5°. Ainsi, l'onde d'illumination 11 émise par la source de lumière 10 atteint le support selon une incidence normale, à la tolérance angulaire près.

De préférence, le support résonant 15 définit un plan de support P15. Le plan de support P15 s'étend perpendiculairement à l'axe de propagation Z, ou sensiblement perpendiculairement à ce dernier. Le support résonant s'étend selon un axe longitudinal X et un axe latéral Y. Les axes X et Y sont coplanaires du plan de support. Ils sont sécants, et de préférence perpendiculaires.

De préférence, le plan de détection P30 s'étend parallèlement au plan de support P15.

Un aspect important de l'invention est que le support résonant 15 comporte des zones élémentaires nanostructurées, séparées les unes des autres, chaque zone élémentaire formant un cristal photonique 16 _k . Ainsi, le support résonant comporte des cristaux photoniques 16 _k , différents les uns des autres, et espacés les uns des autres. L'indice k est un entier strictement compris entre 1 et K, K correspondant au nombre de cristaux photoniques ménagés sur le support résonant 15.

Chaque cristal photonique 16 _k présente une longueur d'onde de résonance À _k qui lui est propre. A la longueur d'onde de résonance À _k qui lui est associée, chaque cristal photonique 16 _k présente un pic de transmission ou de réflexion de la lumière. Chaque cristal présente ainsi une longueur d'onde de résonance en réflexion et une longueur d'onde de résonance en transmission.

Le capteur d'image 30 est configuré de telle sorte que les pixels 31 sont répartis en groupes de pixels 32 _k , les pixels 31 appartenant à un même groupe de pixels 32 _k étant optiquement couplés à un même cristal photonique 16 _k .

Par groupe de pixels, on entend un pixel ou un ensemble de pixels adjacents les uns des autres et optiquement couplés à un même cristal photonique.

Par optiquement couplé, il est entendu que les pixels 31 d'un même groupe de pixel 32 _k collectent une lumière dont l'intensité est au moins 80% ou 90% due à la lumière se propageant à travers le cristal photonique 16 _k .

Dans l'exemple représenté sur la figure IA, la distance d entre chaque cristal photonique 16 _k et le groupe de pixel 32 _k qui lui est respectivement associé, est de 500 pm. Cette distance est de préférence comprise entre quelques dizaines de pm et 1 mm. Une distance faible améliore le couplage optique entre chaque cristal photonique 16 _k et le groupe de pixel 32 _k qui lui est associé. La configuration représentée sur la figure IA est une configuration d'imagerie sans lentille, aucune optique de formation d'image n'étant interposée entre le support résonant 15 et le capteur d'image 30. Il s'agit d'une configuration peu coûteuse et compacte.

De façon alternative, comme représenté sur la figure IB, un système optique 12, par exemple une lentille ou un objectif infra-rouge, est disposé entre le support résonant 15 et le capteur d'image 30. Le système optique 12 permet un couplage optique de chaque cristal photonique 16 _k avec un groupe de pixels 32 _k . Un tel système optique 12 permet de conjuguer chaque réseau diffraction 16 _k avec un groupe de pixel 32 _k .

La source de lumière est disposée à une distance D du support résonant, de telle sorte que plusieurs cristaux photoniques sont simultanément illuminés par la source de lumière. Ainsi, au moins 3, et de préférence au moins 5 ou 10 cristaux photoniques sont simultanément illuminés par la source de lumière. L'illumination du support résonant est de préférence étendue, au sens où la surface éclairée est de préférence supérieure à 1 mm ² , voire 1 cm ² . La surface illuminée peut correspondre au champ d'observation du capteur d'image 30. Selon la configuration sans lentille, décrite en lien avec la figure IA, la surface illuminée correspond à la surface du capteur d'image, soit de l'ordre de 35 mm ² .

Le dispositif 1 comporte également une unité de traitement 40, par exemple un microprocesseur, configurée pour traiter et/ou afficher des images acquises par le capteur d'image 30. L'unité de traitement peut être reliée à une mémoire 41, comportant des instructions pour la mise en oeuvre d'algorithmes de traitement d'image. L'unité de traitement 40 est de préférence reliée à un écran 42.

Les configurations schématisées sur les figures IA et IB sont des configurations en transmission, selon lesquels le support résonant 15 est interposé entre la source de lumière 10 et le capteur d'image 30. Ainsi, le capteur d'image 30 détecte une onde lumineuse 14 transmise par le support résonant 15. Par transmise, on entend se propageant dans le même sens que l'onde lumineuse incidente 11. Selon une autre configuration, illustrée sur la figure IC, le plan de support Pis sépare l'espace en deux demi-espaces. Le capteur d'image 30 se trouve dans le même demi- espace que la source de lumière 10. Dans l'exemple représenté sur la figure IC, une lame semi- réfléchissante 13 réfléchit l'onde lumineuse 11, émise par la source de lumière 10, vers l'échantillon 20, et transmet une onde lumineuse 14', réfléchie par le support résonant 15, vers le capteur d'image 30. Une telle configuration est usuellement désignée par le terme "en réflexion". Un système optique 12 permet un couplage optique de chaque cristal photonique 16 _k avec un groupe de pixels 32 _k du capteur d'image 30, comme précédemment décrit.

La figure 1D montre une coupe transversale, selon un plan perpendiculaire au plan de support P i5, d'un détail du support résonant 15. Chaque cristal photonique 16 _k , 16 _k+i est formé par des trous 23 formés dans une couche mince 22, et débouchant à la surface de cette dernière. La couche mince 22 peut être réalisée dans un matériau diélectrique ou semi-conducteur. Les trous 23 sont agencés selon un motif périodique, de préférence bidimensionnel. Lors de l'utilisation du support résonant, les trous 23 sont destinés à être remplis par l'échantillon 20. Il est préférable que la couche mince 22 présente un indice de réfraction éloigné de l'indice de réfraction de l'échantillon, de façon à obtenir un contraste d'indice élevé entre l'échantillon 20, remplissant les trous 23, et la couche mince 22. De préférence, l'écart d'indice de réfraction entre l'échantillon et le matériau formant la couche mince 22 est supérieur à 0.1, voire à 0.5. Ainsi, l'indice de réfraction de la couche mince 22 est de préférence supérieur à 2, et encore de préférence supérieur à 3. Par exemple, la couche mince peut être en silicium (n = 3.48), ou en nitrure de silicium S13N4 (n = 2) ou en oxyde de titane (T1O2). Lorsque la bande spectrale d'illumination s'étend au-delà de 5 pm, la couche mince 22 peut être comprendre du germanium. Elle peut par exemple être constituée d'un mélange silicium/germanium ou d'un chalcogénure.

Ainsi, la couche mince 22 comporte plusieurs cristaux photoniques résonants 16 _k , séparés les uns des autres, présentant chacun une longueur d'onde de résonance À _k en transmission ou en réflexion. L'épaisseur de la couche mince 22 est ajustée en fonction de la bande spectrale d'illumination. Elle est de préférence comprise entre 50 nm à quelques pm. Lorsque la bande spectrale d'illumination Dl s'étend au-delà de 5 pm, l'épaisseur de la couche mince peut par exemple atteindre 1.5 pm à 3 pm. Les trous 23 s'étendent à travers la couche mince 22, autour d'un axe perpendiculaire au plan du support. Les trous 23 peuvent en particulier s'étendre autour d'un axe parallèle à l'axe de propagation Z.

Dans le plan du support Pi ₅ , les cristaux photoniques 16 _k présentent une diagonale ou un diamètre compris entre 10 pm et 500 pm, par exemple 100 pm. Chaque cristal photonique est porté par une membrane transparente ou translucide, formée par une couche 24, qui peut être formée de silicium. La fabrication des cristaux photoniques est décrite par la suite, en lien avec les figures 6A à 6M.

Les propriétés spectrales de transmission et de réflexion de la lumière des cristaux photoniques peuvent être déterminées à l'aide de simulations effectuées par des codes de calcul. En effet, les propriétés de propagation de la lumière dans les cristaux photoniques découlent de leur arrangement périodique spécifique. Ces propriétés de propagation sont aisément modélisées, par l'homme du métier, sur la base des équations spatio-temporelles de Maxwell. Dans la suite de cette description, les modélisations sont réalisées à l'aide du logiciel Rsoft, mettant en oeuvre une méthode de type RCWA. Par cristal photonique, on entend une structure, dont l'indice de réfraction varie périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde, dans une ou plusieurs directions. Dans les exemples décrits dans cette description, les cristaux photoniques sont bidimensionnels, ce qui constitue une configuration préférée. L'invention tire alors profit du développement de techniques de micro structuration des matériaux diélectriques, semi-conducteurs, ou métalliques, permettant un contrôle de l'interaction des ondes électromagnétiques dans des structures tridimensionnelles basées sur l'agencement de matériaux de différents indices.

Chaque cristal photonique 16 _k transmet (ou réfléchit) la lumière selon une fonction spectrale de transmission (ou de réflexion), décrivant une évolution d'une intensité de lumière transmise (ou réfléchie) par le cristal photonique, en fonction de la longueur d'onde. L'exploitation de la résonance de Fano permet de concevoir des cristaux photoniques résonants compacts, pouvant être illuminés collectivement par une onde lumineuse d'illumination, selon une incidence normale. Cela permet d'illuminer simultanément, de façon simple, des cristaux photoniques répartis selon une ou deux dimensions. La fonction spectrale de transmission de chaque cristal photonique présente un maximum, à une longueur d'onde de résonance en transmission. De façon analogue, la fonction spectrale de réflexion présente un maximum, à une longueur de résonance en réflexion.

La fonction spectrale de transmission ou de réflexion, et en particulier les longueurs d'onde de résonance en transmission ou en réflexion, dépendent tout d'abord de la structure de chaque cristal photonique, c'est-à-dire de la taille et de l'arrangement spatial des trous 23 réalisés dans la couche mince 22, pour former le cristal photonique 16 _k . En réflexion ou en transmission, la longueur d'onde de résonance À _k dépend également du contraste d'indice de réfraction entre la couche mince 22 et l'échantillon, au niveau des trous 23. La longueur d'onde de résonance dépend également de l'épaisseur de la couche mince 22. Elle dépend également de l'indice de réfraction et de l'épaisseur de la couche transparente 24.

Les figures 2A à 2H illustrent le principe d'un premier mode de réalisation de l'invention. Selon ce mode de réalisation, l'échantillon est liquide. Il s'étend au contact du support 15, et notamment au contact des cristaux photoniques 16 _k . On se place dans cet exemple, selon une configuration en transmission, telle que décrite sur la figure IA. Sur la figure 2A, on a représenté le support résonant 15, ainsi que des cristaux photoniques 16 _k répartis sur le support résonant. Le capteur d'image 30 s'étend parallèlement au support résonant. On a également représenté des groupes de pixels 32 _k , chaque groupe de pixels étant optiquement couplé à un cristal photonique 16 _k . Chaque groupe de pixels 32 _k comporte au moins un pixel. Le couplage optique d'un groupe de pixels avec un cristal photonique peut être établi, en imagerie sans lentille (cf. figure IA), en minimisant la distance d entre le capteur d'image 30 et le support résonant 15. Lorsqu'on utilise un système optique 12, le couplage est effectué par le système optique (cf. figure IB ou figure IC), ce dernier conjuguant chaque groupe de pixels 32 _k à un cristal photonique.

Préalablement à la mise en contact avec l'échantillon, le support résonant 15 a fait l'objet d'une fonctionnalisation de surface, au niveau du plan du support Pis, de telle sorte que chaque cristal photonique est apte à capturer un analyte prédéterminé. La fonctionnalisation de surface est une notion connue de l'homme du métier. Elle consiste à ajouter une fonction spécifique sur la surface à fonctionnaliser, par nanostructuration, ou par le dépôt d'un revêtement, ou par l'adsorption ou le greffage de molécules aux propriétés spécifiques. Dans le cas présent, la fonctionnalisation de surface confère, sur chaque cristal photonique, une propriété de capture sélective d'un analyte. La capture de l'analyte peut être obtenue par établissement d'une liaison covalente, hydrogène ou électrostatique avec l'analyte et/ou d'un greffage de l'analyte avec un ligand disposé sur la surface de capture fonctionnalisée. Suite à la fonctionnalisation, le plan de support P i5 est également un plan de support, fonctionnalisé pour capturer un ou plusieurs analytes.

Lorsque le support résonant est mis au contact de l'échantillon, l'échantillon remplit les trous 23 de chaque cristal photonique 16 _k . Les propriétés spectrales de transmission (ou de réflexion) de la lumière de chaque cristal photonique 16 _k sont alors gouvernées par la structure de chaque cristal photonique, en particulier la taille et la répartition des trous 23, ainsi que les indices de réfraction respectifs de l'échantillon 20 et de la couche mince 22.

Sur la figure 2B, on a représenté les cristaux photoniques 16 _k adressant un même analyte, c'est- à-dire configurés pour capturer un même analyte. Ils sont alignés selon des lignes, parallèlement à l'axe longitudinal X.

Du fait de la fonctionnalisation de surface, lorsque l'analyte recherché est présent dans l'échantillon, la concentration d'analyte, capturée par le support, augmente après que ce dernier a été mis en contact avec l'échantillon. Il en résulte une variation d'indice locale de l'échantillon, à l'interface entre l'échantillon et le support fonctionnalisé. Sous l'effet d'une telle variation d'indice, les propriétés spectrales de transmission (ou de réflexion) de chaque cristal photonique fonctionnalisé évoluent, et en particulier la longueur d'onde de résonance des cristaux photonique.

Un aspect remarquable de l'invention est que les cristaux photoniques sont dimensionnés de telle sorte que :

- les longueurs d'onde de résonance respectives de cristaux photoniques, et notamment des cristaux photoniques adressant un même analyte, sont différentes les unes des autres;

- le décalage spectral entre deux longueurs d'onde de résonance de deux cristaux photoniques adjacents est fin et maîtrisé.

L'ensemble des longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques adressant un même analyte s'étendent entre une longueur d'onde de résonance minimale À _r,min et une longueur d'onde de résonance maximale _r,max . Ces dernières délimitent une bande spectrale de résonance Dl _G . Il est nécessaire que la bande spectrale d'illumination Dl de la source de lumière soit, au moins en partie, incluse dans la bande spectrale de résonance Dl _G . La bande spectrale d'illumination Dl peut être confondue avec la bande spectrale de résonance Dl _G . Elle peut être plus large ou plus étroite que la bande spectrale de résonance Dl _G . Sur la figure 2C, on a représenté la bande spectrale d'illumination Dl, la bande spectrale de résonance Dl _G ainsi que les longueurs d'onde de résonance li _< =i,...li _< ,...li _< =k respectives des cristaux photoniques 16k=i,...16k,... 16k=K-

Dans la bande spectrale de résonance Dl _G , définie par les cristaux photoniques du support, l'intensité de l'onde lumineuse 11 émise par la source de lumière 10 n'est pas constante. Dans la bande spectrale de résonance Dl _G , l'intensité de l'onde lumineuse 11 est variable, et suit une fonction spectrale d'illumination /. La fonction spectrale d'illumination / définit l'intensité de l'onde lumineuse incidente 11 dans différentes longueurs d'ondes de la bande spectrale de résonance, de telle sorte que :

I(l) = f( )

où :

- l est une longueur d'onde de la bande spectrale de résonance Dl _G ;

- 1(l) est l'intensité de l'onde d'illumination 11, ou intensité d'illumination, à la longueur d'onde l.

Il est important que la fonction d'illumination /ne soit pas constante, c'est-à-dire que l'intensité de l'onde d'illumination ne soit pas uniforme dans la bande spectrale de résonance Dl _G . La fonction d'illumination / peut alors être monotone dans la bande spectrale d'illumination, en étant par exemple croissante ou décroissante. Elle peut également être croissante (respectivement décroissante) jusqu'à un extremum puis être décroissante (respectivement croissante) à partir de l'extremum. Lorsque la source de lumière est monochromatique, la fonction d'illumination forme un pic dans la bande spectrale de résonance Dl _G .

Dans le mode de réalisation préféré, deux cristaux photoniques adjacents 16 _k , 16 _k+i , ont des longueurs d'onde de résonance décalées d'un décalage spectral dÀ _k connu. Le décalage spectral dÀ _k conditionne la résolution spectrale du procédé. En valeur absolue, le décalage spectral dÀ _k est de préférence inférieur à 10 nm, et encore de préférence inférieur à 5 nm, voire à 2 nm. Il correspond à un pas spectral de discrétisation, selon lequel l'onde lumineuse d'illumination 11 est discrétisée, comme décrit en lien avec la figure 2G. Des structures de cristaux photoniques permettant d'obtenir un tel décalage sont décrites par la suite.

Lors de la capture de l'analyte, la longueur d'onde de résonance de chaque cristal photonique varie, en passant d'une valeur l _Gb ¾ en l'absence d'analyte, à une valeur À _k, en présence d'analyte, avec À _k = l _Gqί + dl (1). On note que la variation de longueur d'onde de résonance dl est la même pour les cristaux photoniques adressant un même analyte. Autrement dit, la sensibilité de la longueur d'onde de résonance vis-à-vis des variations d'indice est la même pour les différents cristaux photoniques.

Le changement de la longueur d'onde de résonance dl est consécutif à la capture de l'analyte, qui se traduit généralement par une augmentation de l'indice au niveau de l'interface entre le support résonant et l'échantillon. L'augmentation de l'indice entraîne une variation de la longueur d'onde de résonance de chaque cristal photonique.

Ainsi, l'invention est basée sur une mesure d'une variation de la longueur d'onde de résonance dl sous l'effet de la capture de l'analyte par les cristaux photoniques, adressant un même analyte.

La variation dl de la longueur d'onde de résonance est observée en prenant en compte une configuration de référence, dans laquelle la quantité d'analyte capturée est connue. De préférence, dans la configuration de référence, la quantité d'analyte capturée par chaque cristal photonique est nulle. C'est ce qui sera considéré dans la suite de la description. De façon alternative, on peut prévoir un mode de réalisation dans lequel dans la configuration de référence correspond à une quantité capturée d'analyte connue. La précision avec laquelle la variation dl de la longueur d'onde de résonance est estimée dépend du décalage spectral dÀ _k entre deux cristaux photoniques adjacents. Plus le décalage spectral dÀ _k est faible, meilleure est la résolution avec laquelle on estime la variation dl.

La variation de la longueur d'onde de résonance dl est déterminée en comparant une image de référence l _ref du support résonant, dans la configuration de référence, avec une image I du support résonant formée après capture de l'analyte. L'image I du support, après capture, est appelée image de mesure.

Sur la figure 2C, on a représenté une fonction spectrale d'illumination f précédemment évoquée. L'axe des ordonnées représente l'intensité I(l) de l'onde lumineuse d'illumination 11 en fonction de la longueur d'onde l. Dans le cas présent, la fonction spectrale d'illumination comporte un maximum, compris entre les bornes À _r,mm , l _G ^ _c de la bande spectrale de résonance Dl _G . De façon alternative, la fonction spectrale d'illumination / peut comporter un minimum dans la bande spectrale de résonance Dl _G . Qu'il s'agisse d'un minimum ou d'un maximum, l'extremum est de préférence compris au milieu de la bande spectrale de résonance Dl _G . De préférence, l'extremum est situé entre le milieu Dl _G /2 de la bande spectrale de résonance Dl _G la longueur d'onde maximale _r,max .

La figure 2D montre les intensités détectées par chaque région d'intérêt ROl _k d'une image l _ref acquise par le capteur d'image, dans la configuration de référence, en l'absence de capture d'analyte. Chaque région d'intérêt ROl _k de l'image correspond à un groupe de pixels 32 _k optiquement couplée à un cristal photonique 16 _k . Ainsi, chaque région d'intérêt ROl _k est représentative d'une intensité lumineuse transmise par chaque cristal photonique 16 _k , à la longueur d'onde de résonance À _ref,k de ce dernier.

Les régions d'intérêt ROl _k sont distinctes les unes des autres, et alignées parallèlement aux cristaux photoniques 16 _k . Sur les figures 2D à 2F, les intensités sont représentées en niveau de gris, le niveau de gris le plus sombre correspondant à une valeur maximale d'intensité.

La figure 2E montre les intensités de chaque région d'intérêt ROl _k d'une image, acquise par le capteur d'image, dans la configuration de mesure, après capture de l'analyte par les cristaux photoniques. Chaque région d'intérêt ROl _k est représentative d'une intensité lumineuse transmise par chaque cristal photonique 16 _k , à la longueur d'onde de résonance À _k de ce dernier. Sous l'effet de la capture d'un analyte, la longueur d'onde de résonance À _k est différente de la longueur d'onde de résonance À _ref,k avec À _k = À _ref,k + dl. La comparaison entre l'image de mesure I, représentée sur la figure 2E, et l'image de référence I _ref , représentée sur la figure 2D, montre l'effet de variation de la longueur d'onde de résonance de chaque cristal photonique sous l'effet de la capture d'analyte.

A partir de l'image de mesure et de l'image de référence, on peut former un profil d'intensité, représentatif d'une distribution spatiale de l'intensité de chaque région d'intérêt ROl _k le long de l'axe longitudinal X. Sur la figure 2G, on a représenté un profil de référence, en pointillés, formé à partir de l'image de référence, ainsi qu'un profil de mesure, en traits pleins, formé à partir de l'image de mesure. Le recours à de tels profils facilite la comparaison des deux images I et I _ref et l'estimation de la variation dl de la longueur d'onde de résonance des cristaux photoniques sous l'effet de la capture d'analyte. Dans la représentation de la figure 2G, chaque profil est un profil interpolé à partir des valeurs discrètes des intensités des différentes régions d'intérêt ROl _k de l'image considérée.

Compte tenu de l'alignement des cristaux photoniques selon une même ligne X, et du décalage spectral fin dÀ _k entre deux cristaux photoniques adjacents, chaque profil prend approximativement la même forme que la fonction spectrale d'illumination. Ainsi, le support résonant 15 permet une conversion d'une information spectrale en une information spatiale. Il agit de la même façon qu'un spectromètre. L'information spatiale correspond à une position, selon l'axe X, de chaque région d'intérêt ROl _k . Une variation spectrale dl, en l'occurrence la variation de la longueur d'onde de résonance affectant chaque cristal photonique, se traduit par un décalage spatial Dc du profil, entre l'image de référence et l'image de mesure. Comme le décalage spectral dÀ _k entre deux cristaux photoniques adjacents est maîtrisé, la variation de la longueur d'onde de résonance dl peut être estimée, selon l'expression :

où : - Ak correspond à la variation spatiale, obtenue par une comparaison de l'image de mesure et de l'image de référence, et représentant le nombre de régions d'intérêt 32 _k formant la variation spatiale Dc observée ;

c+ ^Ak dA _k correspond à la somme des décalages spectraux entre les cristaux photoniques respectivement associées aux régions d'intérêt formant la variation spatiale Dc observée. De préférence, le décalage spectral άli _< entre deux cristaux photoniques adjacents est considéré comme constant et égal à άl. Dans ce cas, l'expression précédente devient : dl = Ak x άl (3)

On comprend ici l'intérêt de recourir à une fonction spectrale d'illumination/non uniforme. Cela facilite une comparaison des profils d'intensités respectivement dans la configuration de référence et dans la configuration de mesure, de façon à estimer le nombre Ak de régions d'intérêt ROl _k selon lesquelles le profil d'intensité est décalé entre la configuration de référence et la configuration de mesure. Dans l'exemple représenté sur les figures 2D et 2E, Ak = 3. Le décalage dÀe st connu et est lié à la géométrie des cristaux photoniques respectivement associés à chaque région d'intérêt, comme décrit dans la suite de la description.

Contrairement à certains dispositifs de l'art antérieur, nécessitant le recours à un spectromètre, l'invention reporte la fonction de séparation spectrale sur le support résonant 15. Cela permet l'utilisation d'un simple capteur d'image, nettement moins onéreux et complexe à mettre en oeuvre.

Selon un mode de réalisation, la source de lumière est monochromatique, et peut être accordable. La bande spectrale d'illumination peut alors être inférieure ou égale au décalage spectral dÀ _k de longueur d'onde de résonance de deux cristaux photoniques adjacents. Afin de pouvoir estimer la variation dl de longueur d'onde de résonance sous l'effet de la capture de l'analyte, la bande spectrale d'illumination correspond alors à une longueur d'onde de résonance d'un seul cristal photonique dans la configuration de référence, c'est-à-dire en l'absence de capture d'analyte, et dans la configuration de mesure.

La source de lumière peut être monochromatique et accordable, de façon à ce que la bande spectrale d'illumination puisse être modifiée.

L'image de référence peut être une image de l'échantillon acquise avant la capture. Dans ce cas, l'image de référence est formée à un instant initial, auquel on considère que la capture de l'analyte par le support est négligeable. Il peut par exemples s'agir d'un instant proche de la mise en contact du support avec l'échantillon. L'image de mesure est alors acquise postérieurement à l'image de référence

De façon alternative, l'image de référence est une image obtenue avec un support de référence, considéré comme représentatif du support mis en contact avec l'échantillon. Le support de référence est alors mis en contact avec un échantillon de référence, considéré comme représentatif de l'échantillon analysé. L'image de référence est mémorisée. Un tel mode de réalisation suppose une bonne reproductibilité dans la fabrication des supports.

Ainsi, l'image de référence, prise en compte pour estimer la variation de longueur d'onde de résonance, peut être :

acquise par le capteur d'image, préalablement à l'acquisition de l'image de mesure; soit obtenue en utilisant un autre support, puis mémorisée ;

soit acquise par le capteur d'image, simultanément à l'image de mesure, en utilisant le même support de capture, l'image de référence correspondant à l'image de cristaux photoniques configurés pour ne pas capturer l'analyte. Il s'agit par exemple de cristaux photoniques non fonctionnalisés. Dans ce cas, une partie de l'image acquise par le capteur d'image forme l'image de mesure : cela correspond aux régions d'intérêt de l'image acquise représentant les cristaux photoniques ayant capturé l'analyte, ou, plus généralement, étant en contact avec l'analyte. Une autre partie de l'image acquise par le capteur d'image forme l'image de référence : elle correpond aux régions aux régions d'intérêt de l'image acquise représentant les cristaux photoniques n'ayant capturé l'analyte, ou plus généralement n'étant pas en contact avec l'analyte. Par exemple, les cristaux photoniques fonctionnalisés pour capturer l'analyte sont alignés selon une première ligne, tandis que les cristaux photoniques n'étant pas configurés pour capturer l'analyte sont alignés selon une deuxième ligne, les deux lignes étant parallèles l'une à l'autre. L'image de la première ligne forme l'image de mesure, tandis que l'image de la deuxième ligne forme l'image de référence. Ainsi, à partir d'une même image acquise par le capteur d'image, on peut obtenir l'image de mesure et l'image de référence.

Quel que soit le mode de réalisation, l'image de référence est formée en illuminant le support ou le support de référence selon une bande spectrale d'illumination Dl et une fonction spectrale d'illumination / égales à celles mises en oeuvre lors de l'acquisition de l'image de mesure. Autrement dit, lors de l'obtention de l'image de référence et de l'image de mesure, les conditions d'illumination du support utilisé sont les mêmes.

Sur la figure 2F, on a représenté une image de mesure, dans laquelle la quantité d'analyte capturée par les cristaux photoniques est supérieure à celle correspondant à l'image de la figure 2E. Il en résulte une variation d'indice plus importante au niveau de l'interface entre les cristaux photoniques et l'échantillon, ce qui entraîne une variation plus importante de la longueur d'onde de résonance dl'. Sur cette image, chaque région d'intérêt ROl _k est représentative de l'intensité transmise par le cristal photonique 16 _k auquel elle est associée, dans une longueur d'onde de résonance À' _k de ce dernier, avec À' _k = À _ref,k + dl'. Sur la figure 2G, le profil correspondant est en traits mixtes.

Le procédé permet de détecter une présence de l'analyte dans l'échantillon, ce qui correspond à l'observation d'une variation dl non nulle de la longueur d'onde de résonance. Il permet également d'estimer une quantité d'analyte capturée par le support résonant, avec une précision dépendant du nombre de cristaux photoniques et du décalage spectral dÀ _k de la longueur de résonance de deux cristaux photoniques adjacents.

A partir de la quantité d'analyte capturée par le support, il est ensuite possible d'estimer une quantité d'analyte dans l'échantillon, cette dernière pouvant être par exemple exprimée sous la forme d'une concentration. Un étalonnage, utilisant des échantillons dont la concentration en analyte est connue, permet d'obtenir une fonction d'étalonnage, reliant la quantité d'analyte capturée par le support à la concentration d'analyte initialement présente dans l'échantillon.

La figure 2H résume les principales étapes du procédé.

Etape 100 : mise au contact de l'échantillon avec le support résonant.

Etape 110 : illumination de l'échantillon dans la bande spectrale d'illumination Dl, selon la fonction spectrale d'illumination /.

Etape 120 : acquisition d'une image de mesure I du support résonant.

Etape 130 : prise en compte d'une image de référence l _ref , l'image de référence pouvant être une image du support acquise juste après l'étape 110, préalablement à l'acquisition de l'image de mesure, ce qui forme l'étape optionnelle 115.

Etape 140 : comparaison de l'image de mesure I avec l'image de référence l _ref , de façon à estimer une variation de la longueur d'onde de résonance dl des cristaux photoniques. Il s'agit notamment de déterminer le nombre de cristaux photoniques (ou le nombre de régions d'intérêt) correspondant à la variation de la longueur d'onde de résonance dl. Connaissant le décalage spectral dÀ _k entre les longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques, on peut ainsi déterminer la variation de la longueur d'onde de résonance dl.

Etape 150 : à partir de la comparaison, détermination de la présence, dans l'échantillon, de l'analyte adressé par les cristaux photoniques, et éventuellement estimation d'une quantité d'analyte dans l'échantillon. Sur l'exemple représenté sur les figures 3A à 3C, le support résonant comporte des cristaux photoniques 16 _k répartis selon J lignes Xi...X _j ...X . Les cristaux photoniques d'une même ligne X _j sont configurés pour adresser un même analyte. Ainsi, les cristaux photoniques de la première ligne Xi adressent un premier analyte, et les cristaux photoniques de la j ^ième ligne X _j adressent un j ^ième analyte. L'indice j est un entier naturel tel que 1 < j < J

Comme décrit en lien avec le premier mode de réalisation, les cristaux photoniques sont répartis selon des colonnes Yi, Y2, Y _k , YK, de telle sorte que les cristaux photoniques appartenant à deux colonnes adjacentes Y _k présentent, dans la configuration de référence, une même longueur d'onde de résonance À _k,ref .

Cette configuration, dite bidimensionnelle, correspond à l'ajout d'une dimension par rapport au mode de réalisation décrit en lien avec les figures 2A à 2H. La dimension ajoutée correspond au type d'analyte. Une telle configuration suppose que chaque ligne ait fait l'objet d'une fonctionnalisation différente l'une de l'autre, de telle sorte que chaque analyte puisse être capturé par une ligne, et de préférence par une seule ligne. Ainsi, la première ligne Xi est fonctionnalisée de façon à capturer un premier analyte. La j' ^eme ligne X _j est fonctionnalisée de façon à capturer un j' ^eme analyte, de préférence différents des analytes adressés par les lignes de rang inférieur.

On note que le dispositif permet d'illuminer simultanément une pluralité de cristaux photoniques, ce qui permet d'obtenir une information exploitable, relative à différents analytes, à partir d'une même image acquise à l'aide d'un simple capteur d'image.

Selon ce mode de réalisation, les étapes 100 à 150, décrites en lien avec la figure 2H, sont répétées pour chaque ligne X _j du support. Les figures 3B et 3C schématisent respectivement une image de mesure et une image de référence. Sur ces figures, la source de lumière est monochromatique. Ainsi, seul le cristal photonique dont la longueur d'onde de résonance correspond à la bande spectrale d'illumination forme une tâche de forte intensité dans la région d'intérêt qui lui est associée sur l'image acquise par le capteur d'image.

Sur l'image de référence (figure 3C), les régions d'intérêt correspondant, sur chaque ligne, à la longueur d'onde d'illumination sont alignées. La comparaison de l'image de mesure (figure 3B) et de l'image de référence montre une variation importante de la longueur d'onde de résonance des cristaux photoniques de la quatrième ligne, moindre sur la première ligne et la 3 ^eme ligne, et nulle sur la 2 ^eme ligne. Cela permet de conclure à la présence du premier analyte, du 3 ^eme analyte et du 4 ^eme analyte dans l'échantillon, ainsi qu'à l'absence du deuxième analyte. Moyennant des étalonnages effectués pour chaque analyte, chaque variation en longueur d'onde de résonance permet une estimation d'une concentration des analytes considérés comme présents dans l'échantillon.

Selon un tel mode de réalisation, le dispositif permet d'effectuer simultanément une détection de la présence de différents analytes dans l'échantillon, et d'en estimer la concentration.

La figure 4A montre différentes fonctions spectrale de transmission modélisées de différents cristaux photoniques, chaque cristal photonique modélisé présentant différentes caractéristiques géométriques. Sur cette figure, l'axe des abscisses correspond à la longueur d'onde, exprimée en pm, tandis que l'axe des ordonnées représente l'intensité de la lumière transmise.

Les modélisations de la figure 4A ont été réalisées selon un mode préférentiel de réalisation, selon lequel chaque cristal photonique 16 _k est agencé selon une structure telle que représentée sur la figure 4B. Une telle structure, dite à double période, comporte :

des premiers trous 23i, d'un premier rayon Ri, et répartis selon un premier motif périodique Pi;

des deuxièmes trous 23 ₂ , d'un deuxième rayon R2, strictement inférieur au premier rayon Ri, et répartis selon un deuxième motif périodique P ₂ . Le deuxième motif périodique P ₂ est, dans cet exemple, similaire au premier motif périodique Pi, en étant décalé par rapport à ce dernier.

Dans cet exemple le premier motif périodique Pi et le deuxième motif périodique P2 définissent une maille rectangulaire, de période a selon X et 2 a selon Y, la maille rectangulaire étant reproduite selon deux directions de translation orthogonales. Dans cet exemple, les deux directions de translation correspondent respectivement à l'axe longitudinal X et à l'axe latéral Y. Le premier motif périodique Pi et le deuxième motif périodique P2 Sont entrelacés, au sens ou selon une direction de translation, en l'occurrence la direction Y, on observe une alternance entre des lignes de premiers trous 23i, parallèles à l'axe longitudinal X, et des lignes de deuxièmes trous 23 ₂ , également parallèle à l'axe longitudinal X. Dans cet exemple, la période Oi (selon X) du premier motif périodique Pi est égale à la période 02 (selon X) du deuxième motif périodique P2, la période commune des deux motifs étant notée a. La valeur de la période est typiquement comprise entre 100 nm et 5 pm. Dans cet exemple, la période a est supérieure à 1 pm. D'une façon générale, si l est une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'illumination Dl, la période a est comprise entre l/4 et l. Un avantage d'une structure résonante en double période est de pouvoir ajuster un décalage spatial d entre le premier motif et le deuxième motif. Le décalage spatial d correspond à une distance entre les lignes respectives des premiers et des deuxièmes trous. Sur la figure 4B, on a représenté deux structures différentes, correspondant respectivement à deux décalages différents. Le décalage spatial d permet de définir la position relative du deuxième motif par rapport au premier motif. Le recours à deux motifs décalés l'un par rapport l'autre permet un ajustement fin de la longueur d'onde de résonance. En effet, la longueur d'onde de résonance dépend de la position relative des premier et deuxième motifs.

On estime qu'une telle structure en double période permet d'obtenir des facteurs de qualité élevés, typiquement de l'ordre de 1000, soit une largeur à mi-hauteur du pic de 1 nm pour une longueur d'onde de résonance de 1000 nm.

Les courbes modélisées sur la figure 4A ont été obtenues en considérant :

une période a allant de 1.47 pm à 2.94 pm ;

un premier rayon Ri égal 0.4 fois o ;

un deuxième rayon R2 égal à 0,8 x Ri ;

une épaisseur de couche mince de 1.47 pm.

Le facteur de qualité dépend du rapport R2/R1. Lorsque R2/R1 est de l'ordre de 0.6, le facteur de qualité est égal à quelques dizaines. Lorsque R2/R1 tend vers 1, le facteur de qualité augmente rapidement. Le facteur de qualité peut alors dépasser plusieurs milliers.

D'une façon générale, le premier rayon Ri est inférieur à a/2. Le ratio R ₂ /Ri est de préférence supérieur ou égal à 0.8. La période a peut varier entre 100 nm à 5 pm, comme précédemment indiqué.

Sur la figure 4C, on a représenté une évolution de la longueur d'onde de résonance (axe des ordonnées, en nm) de différents cristaux photoniques tels que représentés sur la figure 4B. Sur la figure 4C, l'axe des abscisses est un identifiant de chaque cristal photonique considéré. Chaque double flèche recouvre des cristaux photoniques de même période a, cette dernière variant entre 288 nm et 304 nm. On observe que la période a influence la longueur d'onde de résonance. Les points englobés par une même période a correspondent à différents décalages spatiaux d entre les deux motifs du cristal photonique. Les valeurs de décalage spatial d considérées sont respectivement de 0 nm, 16 nm, 23 nm, 28 nm, 33 nm et 37 nm. Lorsque le décalage spatial d est égal à 0, la distance entre un deuxième trou et chaque premier trou lui étant adjacent est égale à o. On a estimé qu'un décalage spatial d de 16 nm induit une variation de la longueur d'onde de résonance de 2 nm. On remarque que le décalage en longueur d'onde (décalage spectral) dÀ _k de résonance entre deux cristaux photoniques adjacents ne varie pas linéairement avec le décalage spatial d. La figure 4C adresse des longueurs d'onde de résonance dans le très proche infra-rouge, comprises entre 920 nm et 980 nm. Cependant, ces résultats sont transposables dans d'autres bandes spectrales de l'infra-rouge, et notamment entre 2pm et 15 pm. En effet, la gamme spectrale de résonance des cristaux photoniques est directement proportionnelle aux dimensions des cristaux photoniques, à la variation de l'indice de réfraction près. Si l'on multiplie toutes les dimensions mentionnées en lien avec la figure 4C (période, rayons, décalages spatiaux), on obtient des longueurs d'onde de résonance voisines de 9000 nm, soit autour de 9 pm.

Ainsi, un autre avantage de la structure en double période, telle que précédemment décrite, est de permettre un ajustement de la longueur d'onde de résonance :

en modifiant la période a des motifs, ce qui conduit à une variation relativement importante de la longueur d'onde de résonance, typiquement 10 nm lorsque la période a varie de 4 nm ;

en modifiant le décalage spatial d des deux motifs, ce qui conduit à une variation plus fine de la longueur d'onde de résonance, typiquement 2 nm pour un décalage spatial d de 16 nm, dans l'exemple particulier de la géométrie décrite en lien avec les figures 4B et 4C.

Les valeurs quantitatives données dans le paragraphe précédent ont été obtenues par modélisation.

Les inventeurs ont fabriqué un support résonant de façon à procéder à des essais expérimentaux, dans une bande spectrale comprise entre 920 nm et 980 nm. Les caractéristiques du support résonant sont les suivantes :

couche mince 22 : silicium - épaisseur 58 nm ;

diamètre D de chaque cristal photonique : 100 pm ;

rayon Ri des premiers trous 23i : a / 3 ;

rayon R2 des deuxièmes trous 23 ₂ : 0.9 Ri _;

période a : variable entre 288 nm et 304 nm, avec des incréments de période Aa de 4 nm ;

décalage spatial du premier motif par rapport au deuxième motif : variable entre 0 nm, 16 nm, 23 nm, 28 nm, 33 nm et 37 nm. Ainsi, pour une même période a, on peut obtenir 6 cristaux photoniques, chaque réseau présentant respectivement un décalage spatial d choisi parmi 16 nm, 23 nm, 28 nm, 33 nm et 37 nm.

La figure 4D représente une évolution de la réflectance modélisée d'un cristal photonique (axe des ordonnées) en fonction de la longueur d'onde (axe des abscisses). Le cristal photonique modélisé est tel que décrit en lien avec la figure 4B. Ses caractéristiques géométriques suivantes:

couche mince 22 : silicium - épaisseur 1.47 pm ;

rayon Ri des premiers trous 23i : 0.94 pm ;

rayon R2 des deuxièmes trous 23 ₂ : 0.9 Ri _.

On observe bien une longueur d'onde de résonance, en réflexion, vers 7.8 pm avec un facteur de qualité de 1000.

Les figures 5A et 5B sont des vues de dessus de deux exemples de cristal photonique, présentant une même période et deux décalages spatiaux différents.

Les principales étapes de fabrication des cristaux photoniques sont décrites ci-dessous, en lien avec les figures 6A à 6M.

La figure 6A est un substrat de type SOI (Silicium sur isolant), comportant une couche supérieure 22 de Si, d'épaisseur 220 nm, s'étendant sur une couche intermédiaire 24 de S1O2, dite couche BOX (acronyme de Buried Oxyde, signifiant oxyde enterré), d'épaisseur 2 pm, cette dernière s'étendant sur une couche support 25 de Si d'épaisseur 725 pm.

Afin d'obtenir une couche supérieure 22 de Si présentant l'épaisseur recherchée, cette dernière subit une oxydation thermique, puis attaque chimique à l'acide fluorhydrique pour enlever le S1O2 résultant de façon à obtenir une couche 22 de Si d'épaisseur 58 nm ainsi qu'une couche 22' de S1O2 d'épaisseur 80 nm sur la couche supérieure 22. Cette étape est schématisée sur la figure 6B.

La figure 6C schématise une application d'une résine R de photolithographie selon une épaisseur de 570 nm, sur la couche oxydée 22'. La résine est ensuite exposée à une insolation UV à travers un masque de photolithographie. Suite à l'insolation, la couche oxydée 22' et la couche supérieure 22 font l'objet d'une gravure de type RIE (Reactive Ion Etching), cette étape étant représentée sur la figure 6D. Cette étape permet de former des marques de photolithographie 19, dites marques premières PM, permettant un alignement d'une photolithographie postérieure par rapport aux marques premières. La résine est ensuite retirée, cf. figure 6E. Les étapes représentées sur les figures 6F à 6H visent à former des trous 23 dans la couche supérieure 22, selon des motifs périodiques tels que précédemment décrits, de façon à former les cristaux photoniques 16 _k . Une résine de photolithographie R', d'épaisseur 300 nm, est déposée sur la couche oxydée 22' (cf. figure 6F). La résine de photolithographie comporte un revêtement antiréfléchissant désigné par l'acronyme Barc (Bottom Anti-Reflective Coating). Des zones de gravures sont délimitées, dans la résine R', par une insolation UV à travers un masque (cf. figure 6G). Les trous 23 sont formés à travers la couche oxydée 22' et la couche supérieure 22 par gravure RIE, puis la résine est retirée (cf. figure 6H).

Les étapes représentées sur les figures 61 à 6M sont des étapes de gravure en face arrière du substrat. Une résine R" est appliquée sur la couche oxydée 22', l'épaisseur étant de 1 pm (cf. figure 61). La résine appliquée permet une protection de la face avant du substrat, de façon à permettre un amincissement de la couche support 25, réduisant l'épaisseur de 725 pm à 500 pm. Le substrat est alors retourné et une couche d'oxyde de silicium 26, faisant office de masque dur, est ajoutée sur la couche support (figure 6J). Une résine R'" est appliquée sur la couche 26, selon une épaisseur de 5 pm (cf. figure 6K). La résine R'" subit une insolation à travers un masque, de façon à délimiter des zones de gravure pour la formation de cavités 27 en face arrière du substrat. Le substrat subit ensuite une gravure (deep RIE) en face arrière, à travers la couche support 25, la couche intermédiaire 24 faisant office de couche d'arrêt de gravure. La figure 6L représente l'étape de gravure en face arrière. Cette étape permet de ménager des cavités en regard des trous 23 pratiqués à travers les couches 22 et 22'. Cette étape permet une formation de cristaux photoniques 16 _k , séparés les uns des autres, et portés par la couche intermédiaire 24, cette dernière formant une membrane en dessous de chaque cristal photonique. Le diamètre ou la diagonale D de chaque membrane peut être compris entre 50 pm et 500 pm. Il est par exemple égal à 100 pm. La résine R" est ensuite retirée (figure 6M).

Dans le procédé de fabrication précédemment décrit, les trous 23 sont formés par photolithographie puis gravure, ce qui permet une fabrication collective de cristaux photoniques sur le support. Un tel procédé permet d'obtenir simultanément un grand nombre de cristaux photoniques, ce qui est favorable d'un point de vue économique. Alternativement, les trous peuvent être formés par un balayage à un faisceau électronique (e-beam), ce qui permet d'obtenir des géométries plus précises, au détriment du coût et de la rapidité de fabrication.

Des essais de caractérisation du support résonant 15 ainsi formé, et plus précisément des cristaux photoniques 16 _k , ont été réalisés. Pour cela, on a disposé une goutte d'eau sur un support résonant 15, et appliqué une lame de verre d'épaisseur 17 pm pour confiner la goutte d'eau. On a utilisé une source de lumière de type diode électroluminescente, centrée sur 940 nm, la bande spectrale d'illumination s'étendant à ± 40 nm par rapport à la longueur d'onde centrale de 940 nm. On a ensuite caractérisé la transmission de cristaux photoniques par des essais spectrométrie en transmission.

La figure 7A représente une fonction spectrale de transmission d'un cristal photonique. L'axe des ordonnées correspond au pourcentage de lumière réfléchie par le cristal photonique, l'axe des abscisses correspondant à la longueur d'onde. On observe bien une longueur d'onde de résonance en dessous de 950 nm, qui correspond à une résonance de Fano.

Pour différents cristaux photoniques 16 _k élaborés, d'autres essais, en réflectométrie, ont permis d'établir une longueur d'onde de résonance. La figure 7B est une comparaison entre les longueurs d'onde de résonance modélisées (points noirs) et expérimentales (points gris). Sur la figure 7B, l'axe des ordonnées correspond à la longueur d'onde (nm) tandis que l'axe des abscisses désigne la référence des cristaux photoniques testés. En dépit de la présence d'un écart, sensiblement constant, entre les longueurs d'onde de résonance modélisées et mesurées, on observe qu'il est possible de prévoir une série de cristaux photoniques, en l'occurrence 32 cristaux photoniques, disposés de façon adjacente, et entre lesquels le décalage spectral de la longueur d'onde de résonance dÀ _k est en moyenne de l'ordre de 2 nm, entre 880 nm et 940 nm.

Sous réserve de l'ajustement des dimensions des cristaux photoniques, en particulier la période a , les rayons Ri et R2, et l'épaisseur de la couche mince 22 dans laquelle les cristaux photoniques sont ménagés, les résultats décrits en lien avec la figure 7B sont transposables dans des bandes spectrales comprises entre 2 pm et 20 pm.

Un support résonant comportant de tels cristaux photoniques permet une identification d'une longueur d'onde de résonance dans une bande spectrale relativement étendue, de largeur spectrale typiquement supérieure à 50 nm, et dans cet exemple de largeur spectrale égale à 60 nm. Lorsque les cristaux photoniques sont alignés, comme représenté sur les figures 2A ou 3A, et couplés à un capteur d'image, l'image obtenue permet l'identification du cristal photonique transmettant une lumière d'intensité maximale. Ainsi, comme précédemment indiqué, le dispositif fonctionne de façon analogue à un spectromètre, la fonction de séparation spectrale étant assurée par le support résonant 15.

Selon une configuration avantageuse, représentée sur la figure 8A, formant une variante de la configuration représentée sur la figure IB, un polariseur amont 17i est disposé entre la source de lumière et l'échantillon, de façon à polariser l'onde lumineuse se propageant vers l'échantillon selon une direction non parallèle aux axes de périodicité des cristaux photoniques. La direction de polarisation du polariseur amont peut par exemple être de 45° par rapport à l'axe Y selon lequel est répété la période de chaque cristal photonique, comme représenté sur la figure 8B. Un polariseur aval 17 ₂ est également disposé entre le support résonant et le capteur d'image. La direction de polarisation du polariseur aval est orientée de 90° par rapport à la direction de polarisation du polariseur amont, ce qui permet une détection dite en polarisation croisée. La figure 8B montre, par une ligne en pointillés, les directions de polarisation respectives du polariseur amont 17i et du polariseur aval 17 ₂ . L'ajout de tels polariseurs permet d'éliminer la majeure partie de la lumière se propageant hors résonance jusqu'au capteur d'image. Cela permet d'augmenter le rapport signal à bruit de l'intensité de la lumière se propageant vers le capteur d'image à une longueur d'onde de résonance.

Le recours à une polarisation croisée, combinant un polariseur amont, en amont de l'échantillon, et un polariseur aval, en aval de l'échantillon, peut être prévu sur les modes de réalisation représentés sur les figures IA et IB (configurations en transmission) et IC (configuration en réflexion).

Les figures 9A à 9C illustrent une mise en oeuvre d'un support tel que précédemment décrit, selon la configuration en polarisation croisée. Sur cette figure, le support résonant est matriciel, tel que décrit en lien avec la figure 3A. Aucune fonctionnalisation n'a été effectuée. Les cristaux photoniques alignés selon une même colonne présentent la même longueur d'onde de résonance. La figure 9A montre une image du support mis en contact avec de l'eau. Cette figure montre la capacité du dispositif à former une image représentative du spectre de l'onde lumineuse d'illumination 11. La figure 9A représente ainsi la fonction spectrale d'illumination / discrétisée selon les différentes longueurs d'onde li _< de résonance des cristaux photoniques 16 _k . La figure 9B montre une image du support mis en contact avec de l'éthanol. Elle représente également la fonction spectrale d'illumination / discrétisée selon les différentes longueurs d'onde de résonance des cristaux photoniques, ces dernières ayant été décalées sous l'effet de la variation d'indice de l'échantillon. Les figures 9A et 9B illustrent la capacité de cristaux photoniques, tels que précédemment décrits, à convertir une information de nature spectrale en information spatiale, cette dernière pouvant être lue à partir de l'image acquise par le capteur d'image. Du fait de la variation d'indice entre l'eau et l'éthanol, la longueur d'onde de chaque cristal photonique subit une variation spectrale dl, en l'occurrence une augmentation, ce qui se traduit par un léger décalage, vers la gauche de l'image, de la fonction spectrale d'illumination discrétisée. La figure 9C montre des profils d'intensité respectivement établis le long d'une ligne de cristaux photoniques de la figure 9A (en gris) et de la figure 9B (en noir). Ces profils permettent d'observer la variation spectrale dl. Si la figure 9A forme une image de référence, la détermination de la variation spectrale dl permet une estimation de la variation d'indice entre l'eau et l'éthanol.

Selon un deuxième mode de réalisation, on exploite la faculté de l'invention à déterminer, à partir d'une image de mesure, une longueur d'onde d'absorption l ₃ d'un analyte.

Selon ce mode de réalisation, l'échantillon comporte un analyte présentant une bande spectrale d'absorption A _a se situant dans la bande spectrale de résonance Dl _G ainsi que dans la bande spectrale d'illumination Dl.

Comme représenté sur les figures IA à IC, l'échantillon 20 est disposé entre la source de lumière 10 et le support résonant 15. Contrairement au premier mode de réalisation, l'échantillon n'est pas nécessairement au contact du support résonant 15, mais il est de préférence disposé a proximité du support résonant 15. Le capteur d'image peut être disposé selon les configurations de transmission, représentées sur les figures IA et IB, et selon la configuration en réflexion, représentée sur la figure IC.

De même que dans le premier mode de réalisation, le support de capture 15 comporte différents cristaux photoniques 16 _k , chaque cristal photoniques présentant une longueur d'onde de résonance À _k en transmission. De préférence, comme dans le premier mode de réalisation, les cristaux photoniques 16 _k sont alignés selon une même ligne, par exemple parallèle à l'axe longitudinal X, de telle sorte que la longueur d'onde de résonance À _k augmente (ou diminue) progressivement d'un cristal photonique 16 _k , 16 _k+i à son voisin, le long de l'axe longitudinal X.

Comme représenté sur les figures 10A à 10D, les cristaux photoniques peuvent être agencés parallèlement à une colonne, selon un axe latéral Y sécant de l'axe longitudinal X, les axes longitudinal X et latéral Y étant de préférence perpendiculaires. Selon une telle configuration, les cristaux photoniques d'une même colonne présentent la même longueur d'onde de résonance À _k . Dans cet exemple, la structure des cristaux photoniques 16 _k est telle que décrite dans le premier mode de réalisation, et plus précisément en lien avec les figures 4B, 4C, 5A et 5B.

Comme précédemment évoqué, les différentes longueurs d'onde de résonance A _k des différents cristaux photoniques définissent une bande spectrale de résonance Dl _G . Comme précédemment décrit, l'échantillon peut être un gaz, auquel cas l'analyte est une espèce gazeuse. Le gaz peut être par exemple de l'air, ou un gaz expiré par un être vivant, ou un gaz mis en oeuvre dans un processus industriel.

L'échantillon peut être un solide ou un liquide, auquel cas l'analyte est une molécule. Il est en effet connu que la fonction de transmission spectrale de la lumière par un échantillon varie en fonction de la composition de ce dernier, en raison de la présence de pics d'absorption correspondant à des modes de vibrations de molécules composant l'échantillon. La présence de pics d'absorption est la base des méthodes de spectrométrie vibrationnelle de type spectroscopie infrarouge ou spectrométrie Raman.

Par fonction de transmission tr(À), on entend un ratio entre :

une intensité i(À), d'une onde lumineuse s'étant propagée à travers l'échantillon 20, et détectée par le capteur d'image 30, à la longueur d'onde l ;

une intensité, dite intensité de référence i _rej ( ), d'une onde lumineuse détectée par le capteur d'image, à la même longueur d'onde l, en l'absence d'échantillon.

Selon la loi de Beer-Lambert : tr (A) = i W

(1)

L'absorbance abs{ ), à la longueur d'onde l, est obtenue selon l'expression :

Selon ce mode de réalisation, la fonction spectrale d'illumination / peut être variable dans la bande spectrale de résonance, ou constante dans la bande spectrale de résonance Dl _G . Dans les exemples schématisés sur les figures 10A à 10D, la fonction d'illumination / est supposée constante dans la bande spectrale de résonance: les cristaux photoniques sont illuminés de façon uniforme. Sur chacune de ces figures, on a représenté des images d'un même support résonant 20. Chaque image comporte des régions d'intérêt ROl _k optiquement couplées à un cristal photonique 16 _k dont la longueur d'onde de résonance est A _k . La figure 10A correspond à une image de référence, obtenue sans analyte. Les différentes régions d'intérêt comportent un signal d'intensité homogène, car non atténué par un analyte. Chaque ligne représente une intensité spectrale de l'onde lumineuse d'illumination 11, discrétisée selon les différentes longueurs d'onde de résonance li _< . Chaque colonne représente des cristaux photoniques présentant la même longueur d'onde de résonance. Ainsi, à chaque colonne sont respectivement associées les longueurs d'onde de résonance li _< i, li _<2 , li _<3 et li _<4 .

La figure 10B correspond à une image de mesure acquise en disposant, entre la source de lumière 10 et le support résonant 15, un échantillon comportant un analyte dont la bande spectrale d'absorption A _a comporte une longueur d'onde d'absorption l ₃ correspondant à la longueur d'onde de résonance li _< i. L'absorption de l'onde lumineuse d'illumination 11 se traduit par un assombrissement relatif des régions d'intérêt ROl _ki , représentant les cristaux photoniques dont la longueur d'onde de résonance est li _< i.

La figure 10C correspond à une image de mesure acquise en disposant, entre la source de lumière 10 et le support résonant 15, un échantillon comportant un analyte dont la bande spectrale d'absorption A _a comporte une longueur d'onde d'absorption X _a correspondant à la longueur d'onde de résonance li _< 3. L'absorption de l'onde lumineuse d'illumination 11 se traduit par un assombrissement relatif des régions d'intérêt ROII<3, représentant les cristaux photoniques dont la longueur d'onde de résonance est li _< 3·

La figure 10D correspond à une image de mesure acquise en disposant, entre la source de lumière 10 et le support résonant 15, un échantillon comportant des analytes dont la bande spectrale d'absorption AX _a comporte les longueurs d'onde de résonance li _< i et li _<3 . L'absorption de l'onde lumineuse d'illumination 11 se traduit par un assombrissement simultané des régions d'intérêt ROl _ki et ROI _k 3, représentant les cristaux phoniques dont la longueur d'onde de résonance est À _ki et À _k 3.

Les figures 10E et 10F schématisent des profils d'une intensité de la lumière transmise par des cristaux photoniques selon les configurations respectivement illustrées sur les figures 10A et 10D. Sur ces figures, l'axe des ordonnées correspond à une intensité, tandis que l'axe des abscisses représente la position des cristaux photoniques, selon leur longueur d'onde de résonance respective.

Sur les images de mesure, l'intensité des régions d'intérêt correspondant aux cristaux photoniques, dont la longueur d'onde de résonance se situe dans la bande spectrale d'absorption d'un analyte, dépend de l'absorption de l'onde lumineuse d'illumination par l'analyte, exprimée par l'expression (2). L'absorption dépend en particulier d'un coefficient d'absorption de l'analyte, ce dernier variant en fonction de la longueur d'onde, ainsi que de la quantité d'analyte présente dans l'échantillon. La valeur du coefficient d'absorption, aux différentes bandes spectrales de résonance, étant connue, une estimation de l'atténuation permet une estimation de la quantité d'analyte présente dans l'échantillon.

L'image de mesure permet une estimation de l'intensité i ( l _a ) de l'onde lumineuse s'étant propagée à travers l'échantillon, en présence d'analyte, dans une longueur d'onde d'absorption l _o . La longueur d'onde d'absorption est une longueur d'onde de résonance l _G d'un cristal photonique appartenant à la bande spectrale d'absorption Dl ₃ . L'intensité de référence i _re ) de l'onde lumineuse s'étant propagée à travers l'échantillon, en l'absence d'analyte, à la longueur d'onde d'absorption, peut être estimée à partir d'une image de référence, acquise en l'absence d'échantillon comportant l'analyte.

De façon alternative, l'intensité de référence i _re f (; l _a ) peut être estimée sur l'image acquise par le capteur d'image, en présence de l'échantillon, à partir d'une région d'intérêt ROl _k optiquement couplée à un cristal photonique 16 _k dont la longueur d'onde de résonance lo est considérée comme non absorbée par l'analyte. La connaissance de la fonction d'illumination / permet passer d'une intensité mesurée, à la longueur d'onde non absorbée lo, à l'intensité de référence i _re f (; l _a ), à la longueur d'onde d'absorption l ₃ .

Les exemples décrits en lien avec les figures 10A à 10D illustrent la capacité d'un support résonant, tel que précédemment décrit, d'obtenir un spectre en longueur d'onde de l'onde lumineuse s'étant propagée à travers l'échantillon. Dans ce mode de réalisation, on utilise le fait que ce spectre comporte la signature d'analytes présents dans l'échantillon, présentant une absorption significative dans une ou plusieurs longueurs d'onde de résonance À _k de la plage de résonance Dl _G . Comme évoqué en lien avec le premier mode de réalisation, la résolution spectrale dépend d'un pas de discrétisation dÀ _k représentant un décalage de la longueur d'onde de résonance de deux cristaux photoniques 16 _k , 16 _k+i adjacents du support. Ce pas de discrétisation peut être très fin, typiquement inférieur à lOnm. Cela permet une identification précise des longueurs d'onde de résonance dans lesquelles une absorption de l'onde lumineuse d'illumination est constatée. Il en résulte une identification précise de l'analyte à l'origine de l'absorption. La comparaison avec une mesure de référence permet également une quantification de la quantité d'analyte. Lorsque l'échantillon est un gaz, une boucle de préconcentration peut être disposée en amont du dispositif. De façon connue, une telle boucle comporte un média absorbant, apte à piéger, de façon réversible, une ou plusieurs espèces gazeuses circulant dans la boucle. Cela permet un stockage réversible d'un analyte. Préalablement à la mesure, le média absorbant est configuré pour libérer les espèces gazeuses piégées. Le recours à une telle boucle de préconcentration permet d'augmenter la quantité d'analyte entre la source de lumière et le support résonant du dispositif.

Quels que soient les modes de réalisation, l'échantillon est de préférence spatialement homogène. Par spatialement homogène, il est entendu que, au moins selon une ligne de cristaux photoniques, la quantité d'analyte dans l'échantillon est considérée comme constante.

L'invention pourra être utilisée pour la détection et la quantification d'un analyte dans des échantillons, par exemple dans le domaine de l'analyse biologique ou de l'aide au diagnostic médical. L'invention peut également être mise en oeuvre pour le contrôle de procédés industriels, par exemple dans l'agroalimentaire, ou encore dans le contrôle de l'environnement.