Le développement de systèmes de détection biologique toujours plus rapides et précis devient un enjeu majeur dans le contexte actuel de pandémie, mais aussi pour la sécurité alimentaire et pour le développement de la médecine personnalisée. L’objectif de ce projet est de mettre au point un nouveau concept de détecteur d’agent biologique, qu’il s’agisse d’antigène, d’anticorps, de protéine ou de séquence ADN, qui soit rapide et précis.

Ce système de détection original développé au LPEM s’appuie sur une détection par transfert d’énergie entre des microlasers, dont la fabrication est le cœur même de cette thèse, et des molécules fluorescentes. Ces microlasers sont constitués d’une microcavité cylindrique en polymère, à l’intérieur de laquelle sont insérés des nanocristaux de semi-conducteurs. La lumière émise par les nanocristaux sous excitation extérieure est piégée dans ces piliers de polymères et est couplée à des modes de galerie, circulant à l’interface entre le pilier et son environnement. Ces modes sont caractérisés par un champ évanescent de très courte portée au voisinage extérieur du pilier.  Celui-ci joue ainsi le rôle de cavité optique, permettant la réalisation de lasers de dimensions micrométriques.

Le principe des capteurs biologiques qui seront réalisés à partir de ces microlasers repose sur un transfert de l’énergie lumineuse de la cavité vers une molécule fluorescente (accepteur) située à sa surface, par le champ évanescent. En l’absence de la molécule d’intérêt, l’accepteur reste en solution, et n’est pas sensible au champ évanescent. Mais en présence de la molécule d’intérêt, l’accepteur vient se fixer à la surface du pilier, absorbant l’énergie lumineuse du microlaser et réémettant une fluorescence à une longueur d’onde différente.

L’objectif de la thèse est le développement, la caractérisation et l’optimisation de ces microlasers afin de maximiser le couplage entre l’émission des nanocristaux et les modes de galerie des piliers. La fabrication de ces microcavités se réalise par lithographie optique, au laboratoire de l’INSP, tandis que les nanocristaux sont synthétisés au LPEM. L’optimisation des microlasers passe donc par l’optimisation de ses deux composantes : les microcavités d’une part, en améliorant le processus de lithographie optique,  et les nanocristaux d’autre part. Il s’agira également de déterminer les paramètres clés pour maximiser le couplage à la cavité et les propriétés optiques optimales pour réaliser un laser brillant. Enfin les caractérisations optiques en terme de brillance, de spectre, puis de transfert d’excitation à l’accepteur permettront d’optimiser les structures