Procédé de fabrication contrôlable de fibre optique

May 03, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9566 (2022) Citer cet article

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Les biocapteurs OF-LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) basés sur fibre optique sont devenus un outil miniaturisé ultra-sensible pour une grande variété d'applications. Leur fabrication par immobilisation chimique de nanoparticules d'or (AuNPs) sur la face d'extrémité de la fibre optique est une méthode simple et polyvalente. Cependant, cela peut rendre la reproductibilité médiocre étant donné le nombre de paramètres qui influencent la liaison des AuNPs. Afin de développer une méthode pour obtenir des capteurs OF-LSPR avec une reproductibilité élevée, nous avons étudié l'effet que des facteurs tels que la température, la concentration d'AuNPs, la taille du cœur de la fibre et le temps d'immersion avaient sur le nombre et l'agrégation d'AuNPs à la surface des fibres. et leur signal de résonance. Notre méthode consistait à contrôler le dépôt d'une densité déterminée d'AuNPs sur la pointe de la fibre en mesurant son signal LSPR (ou signal plasmonique, Sp) en temps réel. Les capteurs ainsi créés ont été utilisés pour mesurer les changements de l'indice de réfraction de leur environnement et les résultats ont montré que, à mesure que le nombre d'AuNP sur les sondes augmentait, les changements dans les valeurs maximales de Sp étaient de plus en plus faibles mais les décalages de longueur d'onde étaient plus élevés. Ces résultats ont mis en évidence la pertinence de contrôler la relation entre la composition du capteur et ses performances.

La résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) est la résonance d'électrons libres sur une nanostructure de métal noble (généralement de l'or ou de l'argent) lorsqu'elle est excitée par une lumière dont la longueur d'onde est supérieure à sa taille. Cette oscillation cohérente se traduit par un spectre de diffusion et d'absorption unique qui dépend de la composition, de la taille, de la forme et de la densité surfacique des nanostructures mais aussi des caractéristiques chimiques et physiques de leur environnement, rendant un signal dont le maximum a atteint une valeur spécifique et a été positionné à une longueur d'onde spécifique1. Les capteurs basés sur le LSPR tirent parti de cette sensibilité pour mesurer les modifications induites par la cible dans l'environnement immédiat des nanostructures métalliques telles que les changements d'indice de réfraction, le couplage plasmonique-moléculaire ou la croissance des nanoparticules ; bien que le premier soit le plus largement utilisé2, mesuré sous forme de décalages de longueur d'onde ou de changements dans les valeurs maximales du signal. En raison de leur nature ultrasensible et sans étiquette, ce type de capteurs suscite un intérêt croissant dans le domaine de la biodétection3,4,5,6.

Les fibres optiques (OF) transmettent des signaux lumineux entre deux points grâce à leur réflexion interne totale due à la différence entre les indices de réfraction de leur cœur et de leur gaine. En tant que capteurs, les OF offrent une myriade d'avantages, notamment leur taille miniature et leur flexibilité, qui en font des outils très polyvalents à mettre en œuvre dans des appareils portables avec une configuration optique simple7. Ces propriétés, en plus de leur immunité électromagnétique élevée, de leur durabilité, de leurs capacités de télédétection, de leur rentabilité et de leur fiabilité, en ont fait d'excellentes plates-formes pour la détection chimique et biologique8,9,10,11. Lorsque les OF sont combinés à l'effet LSPR, des biocapteurs OF-LSPR ultrasensibles et ultra-petits peuvent être obtenus12,13,14,15,16,17,18.

Il existe trois grands groupes de configurations dans lesquelles tous les différents types de fibres optiques peuvent être exploités comme biocapteurs : par excitation directe de leur face terminale19, par exposition de leur coeur sur leur dimension longitudinale20 ou par couplage résonant de réseaux internes21,22 . Dans cette étude, la première stratégie est choisie, qui fournit une meilleure interaction lumière-échantillon, est moins complexe à fabriquer et permet la régénération du capteur en clivant simplement la fibre optique23,24.

Bien que les méthodes lithographiques soient consolidées comme la principale option pour nanostructurer la facette d'une fibre optique et pour fabriquer d'autres types de plates-formes nanospectroscopiques, elles peuvent être longues, complexes et coûteuses, en raison du coût élevé et de la taille volumineuse de l'équipement requis25 ,26,27,28,29,30,31. En revanche, l'immobilisation chimique des nanoparticules d'or (AuNPs) sur la face d'extrémité d'une fibre optique résulte en un processus beaucoup plus simple et rentable. Kajikawa et ses collègues ont décrit cette méthode pour la première fois32, et elle a été largement utilisée au cours de la dernière décennie pour de nombreuses applications de biodétection33,34,35,36,37,38,39,40. Cette méthode consiste en la fixation d'AuNPs colloïdaux sur une monocouche auto-assemblée (SAM) par immersion de la facette de fibre fonctionnalisée dans une suspension d'AuNPs, qui nécessite moins d'équipement et est plus polyvalente (elle peut être utilisée avec tout type de NPs).

Cependant, cette immobilisation chimique à la surface des facettes de la fibre est difficile à contrôler car les AuNPs peuvent atteindre plusieurs degrés d'agrégation (monomères, dimères, trimères, etc.), affectant directement la forme du signal LSPR, ainsi que la position et l'intensité de sa valeur maximale, et donc, les performances du capteur OF-LSPR. L'intensité du signal LSPR augmente avec la taille et le nombre d'AuNP sur la face de la fibre optique (ce qui pourrait être décrit comme un rapport de densité de surface plus élevé), cependant, ce paramètre n'est pas directement corrélé à la sensibilité du capteur.

Jeong et al. décrit comment la taille et le rapport de densité de surface des AuNPs sur les facettes OFs sont inversement proportionnels à la sensibilité du capteur, c'est-à-dire que plus les AuNPs sont petits et plus la couverture de la surface OF est faible, plus la sensibilité est élevée41. Ils ont contrôlé la densité d'AuNPs sur la fibre pendant le processus de fabrication en faisant varier le temps d'immersion dans la solution d'AuNPs et ont observé que les fibres avec une densité d'AuNPs plus élevée présentaient une sensibilité plus faible aux changements d'indice de réfraction. Cette sensibilité a été mesurée à travers les variations des valeurs maximales du signal LSPR. La perte de sensibilité était corrélée à la quantité d'AuNPs agrégées à l'extrémité de la fibre, qui augmentait avec le temps d'immersion dans la solution d'AuNPs. De cette manière, il a été constaté qu'un rapport de densité de surface de 45 % donnait des résultats optimaux, car à des couvertures inférieures, le signal était instable41.

Néanmoins, dans les travaux de Jeong et al. il a également été souligné que le caractère aléatoire du processus d'immobilisation rendait difficile le contrôle correct de la quantité d'AuNP immobilisés, même dans les sondes préparées par lots42, ce qui réduisait la linéarité et la fiabilité globale des mesures, une caractéristique cruciale dans le développement de biocapteurs. Un système d'étalonnage du signal a été proposé où le signal LSPR obtenu après la fabrication du capteur a été utilisé comme valeur de référence38. Compte tenu du fait que le comportement du capteur OF-LSPR change avec sa composition, le regroupement et l'analyse de sondes avec des caractéristiques de surface variables pourraient donner des résultats trompeurs.

Par conséquent, il existe un besoin pour un procédé de préparation de nanocapteurs ultrasensibles basés sur une fibre optique revêtue d'AuNPs (capteurs OF-LSPR) avec une composition reproductible. Ici, nous proposons de produire des capteurs OF-LSPR avec des performances similaires en surveillant en temps réel le signal LSPR lorsque les AuNP sont immobilisés sur la surface de la face d'extrémité de la fibre optique. De cette façon, de nombreuses sondes peuvent être facilement fabriquées avec un nombre similaire d'AuNP à leur surface (Fig. 1).

Schéma de l'influence de la composition du capteur OF-LSPR sur son signal et ses performances LSPR. La densité et le degré d'agrégation des AuNPs immobilisés sur la facette d'une fibre optique peuvent être déduits de son signal LSPR. Les capteurs OF-LSPR avec différentes valeurs de crête LSPR rendent différentes sensibilités lors de changements dans leur environnement.

Pour cela, nous avons réalisé trois approches principales. Premièrement, afin de mieux comprendre les facteurs qui affectent l'immobilisation des AuNPs, nous avons étudié l'effet de la température et de la concentration des AuNPs sur l'évolution temporelle du signal LSPR (ou résonance). De plus, l'effet de l'utilisation de fibres avec différentes tailles de noyau, ce qui aide à profiler le protocole de fabrication qui convient le mieux à chaque essai, a également été étudié. Deuxièmement, nous avons effectué une analyse microscopique détaillée des facettes d'extrémité des fibres avec différentes densités d'AuNPs immobilisés et les avons liées à la valeur maximale du signal LSPR. Et troisièmement, afin de déterminer comment ces différences dans la composition finale des capteurs affectaient leurs performances, une étude finale a été réalisée pour comparer la sensibilité de l'indice de réfraction des fibres optiques avec différentes valeurs d'intensités de résonance, non seulement en analysant les changements dans ce valeur de crête mais aussi son décalage de longueur d'onde.

Afin de caractériser l'effet de facteurs externes sur l'immobilisation chimique des AuNPs sur la pointe des OF, l'évolution temporelle du signal LSPR a été mesurée dans différentes conditions : différentes températures, différentes concentrations d'AuNPs et différents diamètres de cœur de fibre.

Les fibres optiques ont été fonctionnalisées avec un SAM de (3-Aminopropyl)triéthoxysilane (APTES) afin que leur surface de verre présente des groupes amino qui interagissaient avec les AuNPs colloïdaux (40 nm de diamètre) en suspension tandis que le signal plasmonique était suivi en temps réel (Fig. .2a). Afin d'obtenir ce signal, la lumière blanche d'une LED a été utilisée pour exciter les AuNPs qui étaient immobilisés sur la pointe de l'OF. La lumière qui est revenue au spectromètre a été traitée et exprimée en Sp, le résultat d'une expression logarithmique qui comprend tous les changements de lumière dus à la présence des AuNP sur la fibre (Eq. 1).

Effet de la température, de la concentration d'AuNPs et de la taille du cœur de la fibre optique sur le signal LSPR des capteurs OF-LSPR. ( a ) Évolution temporelle du signal LSPR d'un 105MMF immergé dans une concentration de stock d'AuNPs à température ambiante (22 ° C). ( b ) Valeurs maximales de Sp pour 105MMF à différentes températures (5, 25 et 50 ° C) mesurées toutes les minutes pendant 14 min après immersion dans des AuNP. ( c ) Valeurs maximales de Sp atteintes à 22 ° C et diamètre du cœur de la fibre de 105 μm, avec différentes concentrations d'AuNPs, mesurées toutes les minutes pendant 14 min après immersion dans des AuNPs. ( d ) Valeurs maximales de Sp pour les fibres optiques avec différents diamètres de noyau (2, 5, 50 et 105 μm), où les AuNP ont été immobilisés chimiquement jusqu'à 10 min. Les barres d'erreur correspondent à l'écart type des mesures dans trois fibres optiques différentes (n = 3).

Dans l'éq. (1), S est le spectre enregistré lorsque les AuNP sont immobilisés, R est le spectre obtenu lorsqu'il n'y a pas d'AuNP sur la facette de la fibre optique et D est le spectre enregistré lorsque la LED est éteinte. Les valeurs de Sp ont été exprimées en unités arbitraires (au).

En ce qui concerne l'effet des différents paramètres, premièrement, trois fibres différentes (trois fibres multimodes avec un diamètre de cœur de 105 µm, 105MMF) ont été immergées dans des AuNPs (à concentration de stock) tout en étant soumises à trois températures environnementales différentes : 5, 25 et 50 ° C (Fig. 2b). Parallèlement à ces expériences, un autre ensemble de fibres a été exposé à différentes concentrations d'AuNPs : celle du stock (3 × 1010 particules·mL-1), 1/2 de la concentration du stock et 1/4 de la concentration du stock ; à température ambiante constante (22 °C) (Fig. 2c). Un troisième groupe d'expériences consistait à utiliser des MMF de différentes tailles de cœur - 105 et 50 µm - et des fibres monomodes avec un cœur de 2, 5 µm à immerger dans la concentration en stock d'AuNPs à température ambiante constante (Fig. 2d). L'impact de ces trois variables a été évalué sur l'immobilisation des AuNPs et leurs spectres LSPR à travers les valeurs maximales de Sp, mesurées chaque minute pendant 10 à 14 min.

La figure 2a montre un exemple de l'évolution temporelle générale du signal de résonance observée dans chaque cas, qui suit une tendance distincte. À des temps plus courts, la valeur maximale de Sp augmentait linéairement ; lorsque la fibre a été immergée plus longtemps, cette valeur a atteint un plateau, qui s'est maintenu pendant quelques minutes, puis elle a commencé à diminuer. Un décalage vers le rouge du spectre LSPR a également été observé (Fig. 2a). Cependant, le temps qu'il a fallu pour que la valeur maximale de Sp atteigne le plateau dépendait de la combinaison des paramètres testés.

Les facteurs chimiques - température et concentration d'AuNPs - ont montré l'effet attendu d'accélération de la réaction. Lorsque la température augmente, une cinétique plus rapide est attendue, en augmentant les interactions entre les AuNPs et la face d'extrémité des fibres optiques entraînant une immobilisation plus rapide, atteignant ainsi le point de saturation plus rapidement à des températures plus élevées. Plus d'AuNPs dans le même volume (concentrations plus élevées) ont eu le même résultat. En ce qui concerne la fabrication de la sonde avec des fibres de différentes tailles de noyau, plus le diamètre du noyau est petit, plus la saturation du signal a été atteinte rapidement et plus la Sp maximale atteinte est faible. Cela ne signifie pas que la vitesse d'immobilisation variait, mais plutôt que, comme le cœur de la fibre était plus petit, la zone à couvrir par les AuNP l'était également ; ainsi, la surface s'est saturée plus tôt et le nombre d'AuNPs qui ont contribué à la résonance totale du LSPR était plus faible. Par conséquent, des cœurs de fibre plus larges offrent une plage dynamique plus large pour fabriquer des sondes OF-LSPR à utiliser pour la détection. De plus, les fibres avec une taille de noyau plus grande offrent une capacité de liaison plus élevée, ce qui peut améliorer la sensibilité du capteur lorsqu'il est utilisé pour la biodétection grâce à la mesure des changements induits par la liaison à la cible sur la valeur maximale de Sp.

Ces résultats soulignent l'importance d'un protocole de conception approprié avant de développer un capteur OF-LSPR. Pour les expériences suivantes, des conditions constantes de température (22 ° C), de concentration de suspension AuNPs (stock, 3 × 1010 particules · mL -1) et de taille de cœur de fibre optique (105 µm MMF) ont été utilisées.

Une fois l'effet des conditions externes sur le spectre LSPR défini, l'immobilisation des AuNPs sur la fibre optique a été analysée par imagerie SEM afin d'obtenir la relation entre le nombre et l'agrégation des nanoparticules et leur signal LSPR.

À cette fin, une série de MMF ont été fonctionnalisées comme décrit précédemment et immergées dans une solution d'AuNPs pendant différents temps : 2 à 14 min à des intervalles de 2 min. Après l'immobilisation, leurs valeurs Sp ont été enregistrées, puis elles ont été prises pour être imagées par un SEM (Fig. 3a, b). Trois images SEM de 100 µm2 de chacune des faces d'extrémité des fibres ont été prises et analysées pour obtenir deux ensembles de données. Premièrement, les proportions des AuNPs totaux qui ont été immobilisées avec différents degrés d'agrégation : simples, doubles, triples, quadruples et cinq AuNPs joints ou plus, après chaque temps d'immobilisation (Fig. 3c, Fig. SI1). Deuxièmement, le nombre total d'AuNP immobilisés par zone (ou densité de surface), qui a ensuite été tracé par rapport à leurs valeurs Sp maximales respectives (Fig. 3d).

Caractérisation SEM : corrélation entre la densité de surface des AuNPs et le signal LSPR (valeurs maximales de Sp). (a) Images des fibres optiques collées sur le porte-échantillon SEM, la vue d'une seule fibre optique à l'intérieur de la chambre SEM et un détail de la face d'extrémité de la fibre. (b) Images SEM représentatives pour chaque temps d'immersion (barre d'échelle 1 µm). ( c ) Valeurs de distribution des AuNPs indiquant si chaque AuNPs était seul (simple) ou en contact avec d'autres (double, triple, quadruple et cinq nanoparticules agrégées ou plus) tracées en fonction de leurs temps d'immersion respectifs; les barres d'erreur correspondent à l'écart type du nombre d'AuNPs présents sur les faces d'extrémité de trois fibres optiques différentes pour chaque temps d'immersion (n = 3, sauf à 2 min, où une seule fibre est représentée avec l'écart entre ses trois images) . ( d ) Densité de surface AuNPs (nanoparticules par micromètre carré) des fibres immergées pendant différents temps, tracée par rapport à leurs valeurs maximales Sp respectives. Les barres d'erreur correspondent à l'écart type du nombre d'AuNPs dans trois images SEM différentes de chaque fibre optique (n = 3).

En ce qui concerne la disposition des AuNPs, il a été observé qu'à des temps d'incubation plus courts, il y avait un pourcentage prédominant de nanoparticules uniques (jusqu'à 90% à 2 min), alors que, à des temps plus longs, cette population d'AuNPs diminuait considérablement (jusqu'à 50 % après 14 min). Cependant, à des moments intermédiaires, les proportions d'AuNPs simples et agrégées pourraient être considérées comme restant équivalentes. Ces résultats sont en corrélation avec le fait qu'il n'y a pas d'association linéaire entre le nombre total d'AuNPs sur la face d'extrémité des fibres optiques et le temps qu'ils ont été immergés dans la solution, en particulier à ces intervalles de temps intermédiaires, comme on peut l'apprécier dans Figure 3d.

Ces observations concordent avec le fait que la méthodologie d'immobilisation AuNPs employée est un processus chimique régi non seulement par le temps, mais par tous les paramètres affectant les réactions chimiques telles que la température et la concentration de réactifs. De plus, ce comportement peut expliquer la saturation du signal LSPR observé sur la figure 2a, car ce signal est directement corrélé au nombre d'AuNP immobilisés jusqu'à un point où un état métallique est atteint et l'effet plasmonique se transforme progressivement en une augmentation. réflexion de la lumière.

En fait, une relation linéaire a été trouvée lors du tracé de la densité de surface AuNP de chaque sonde par rapport à leur maximum Sp respectif, mettant en évidence la puissance de cette valeur - qui peut être mesurée en temps réel - comme référence pour obtenir des sondes de détection avec les mêmes caractéristiques. De plus, à partir de cette corrélation linéaire, nous avons pu calculer la quantité minimale d'AuNPs pouvant être détectée par notre système (2,125 AuNPs µm−2), ce qui correspond à un total de 18 404 AuNPs à la surface du cœur d'un 105MMF.

Une fois qu'il a été confirmé qu'il existe une corrélation linéaire entre la valeur maximale de Sp et la densité de surface AuNP sur un OF-LSPR - mais pas avec le temps, en raison de la difficulté de contrôler tous les paramètres influençant le processus chimique - une expérience a été réalisée pour démontrer que plusieurs capteurs avec la même densité AuNP pourraient être facilement fabriqués en surveillant Sp, indépendamment d'autres facteurs. Neuf capteurs avec trois densités différentes d'AuNPs ont été fabriqués en arrêtant la réaction d'immobilisation à des signaux dont les valeurs maximales de Sp étaient de 0, 05, 0, 1 et 0, 2 au. Ces pointes ont également été imagées par SEM (voir Fig. SI2). Le nombre d'AuNPs sur leurs surfaces a été compté et comparé à la valeur attendue estimée à partir de l'équation linéaire de la Fig. 3d : y = 1,48 (± 0,32) + 64,54 (± 3,21)x ; où y est la quantité d'AuNPs par micromètre carré (densité de surface des AuNPs) et x est la valeur maximale de Sp. La figure 4 montre la comparaison entre les valeurs calculées et observées aux trois maxima Sp différents.

Densité AuNPs de sondes avec différentes valeurs maximales initiales de Sp. Densité de surface AuNPs observée et calculée des fibres fabriquées avec trois valeurs maximales de Sp différentes : 0,05, 0,10 ou 0,20 au (n = 3).

La précision de cette méthode a été calculée comme étant faible pour tous les échantillons, mais elle a augmenté avec la valeur Sp, atteignant 9 % pour 0,2 au. Cela signifie que la capacité de notre méthode à prédire le nombre d'AuNPs immobilisés sur la face d'extrémité de la fibre optique à partir de la valeur de son maximum Sp devient plus élevée à mesure que la densité d'AuNPs augmente. De plus, il a été confirmé qu'une très faible variabilité entre les échantillons pouvait être obtenue en contrôlant le maximum de Sp pendant l'immobilisation des AuNPs.

Enfin, afin d'évaluer comment différentes compositions des capteurs peuvent affecter leurs performances, leur sensibilité aux changements de l'indice de réfraction (IR) de leur environnement a été testée par rapport au nombre d'AuNPs à leur surface. Une série de capteurs OF-LSPR avec un Sp maximum dans l'eau allant de 0,01 à 0,30 ont été fabriqués en surveillant leur signal en temps réel pendant l'immobilisation des AuNPs. Ensuite, ils ont été exposés à des solutions d'eau : glycérol avec des valeurs de RI croissantes : de 1,33 à 1,37 mesurées en RIU (unités d'indice de réfraction).

Le signal LSPR de ce type de capteurs est affecté par les altérations de leur environnement immédiat, de sorte que les changements de position et de valeur des maxima Sp peuvent être mesurés lorsque le RI de la solution augmente ou diminue (Fig. 5). Pour leur application sur la biodétection, les IR de 1,33 à 1,37 sont les plus intéressants, étant donné que 1,33 est l'IR approximatif de l'eau et que les biomolécules interagissant avec la surface du capteur peuvent augmenter cette valeur jusqu'à 1,37. Ce phénomène est à la base de la plupart des biocapteurs LSPR3. Dans cette expérience, la position du pic (longueur d'onde, λ, en nm) et les valeurs maximales de Sp (en au) ont été mesurées lorsqu'elles sont immergées dans chaque solution RI (n), puis normalisées en prenant ces valeurs à un RI de 1,33 comme référence ( équations 2 et 3).

Sensibilité aux changements de l'indice de réfraction des sondes avec différents maxima Sp initiaux. ( a ) Exemples de performances de fibres avec des maxima Sp initiaux de 0, 03, 0, 11 et 0, 29 au Sur la colonne de droite, l'évolution de la position de longueur d'onde normalisée et de la valeur des maxima Sp lors de l'exposition à des solutions RI croissantes. ( b ) Valeurs Sλ et Smax obtenues à partir des pentes des régressions linéaires des résultats des fibres avec des maxima Sp initiaux différents. Les fibres mesurées ont été regroupées en cinq ensembles en fonction de leur plage de valeurs maximales Sp initiales. Les barres d'erreur correspondent à l'écart type entre les fibres de chaque ensemble (n = 4, sauf pour la plage de 0,2 à 0,25 au, avec une seule réplique).

La sensibilité de chaque capteur OF-LSPR a été définie comme le changement soit du changement de position, soit de la valeur du Sp maximum par unité de changement du RI (RIU) et exprimée en fonction des valeurs normalisées pour ces paramètres (Sλ et Smax , respectivement) comme indiqué dans les équations. (4) et (5). Ces valeurs coïncidaient avec les pentes des régressions linéaires de la position normalisée et de la Sp maximale par rapport aux RI testés (Fig. 5a, colonne de droite, en caractères gras).

Les résultats indiquent que la quantité d'AuNPs sur la pointe du capteur a effectivement eu un effet sur sa réponse aux changements du RI. La figure 5a montre trois exemples : deux sondes dans les cas extrêmes avec soit très peu d'AuNPs sur la face d'extrémité de la fibre (faible densité d'AuNPs) soit une très forte densité d'AuNPs (Sp maxima de 0,03 et 0,29 au, respectivement) et une dans un état intermédiaire ( Sp maximale de 0,11 au).

Fait intéressant, les changements de sensibilité lors de la mesure des changements de position ou de la valeur des maxima Sp ont suivi des tendances opposées à mesure que la densité de surface des AuNP sur les sondes augmentait. D'une part, les capteurs à faible densité d'AuNPs ont fourni une sensibilité élevée concernant Smax, mais une faible sensibilité lors de l'évaluation de Sλ. En revanche, lors de l'utilisation de capteurs avec des quantités plus élevées d'AuNPs, les changements dans les valeurs maximales du Sp ont diminué (Smax inférieur), leurs valeurs atteignant même des valeurs négatives (indiquant que le signal Sp a été réduit avec l'augmentation des RI), tandis que la longueur d'onde se déplace augmenté (Sλ plus élevé). Ces tendances peuvent être mieux reconnues sur la figure 5b, qui montre les valeurs de Sλ et Smax obtenues à partir de la régression linéaire des fibres avec différents maxima Sp initiaux dans cinq plages : de 0,01 à 0,05, 0,05 à 0,10, 0,10 à 0,15, 0,15 à 0,20, 0,20 à 0,25 et 0,25 à 0,30 (tous en au).

Certains biocapteurs LSPR reposent sur les décalages de longueur d'onde et d'autres sur les changements dans les maxima Sp, selon l'application. Les résultats de ce travail montrent comment la composition de la face d'extrémité OF-LSPR (en termes de densité et d'agrégation d'AuNPs) peut modifier distinctement la réponse du capteur pour les deux types de mesures, fournissant, à notre connaissance, des informations jusque-là inconnues. les utilisateurs.

Les résultats de ce travail fournissent aux utilisateurs de capteurs LSPR à base de fibre optique fabriqués par l'immobilisation chimique d'AuNPs sur la face d'extrémité de la fibre trois principaux points d'information. Tout d'abord, les conditions environnementales telles que la température et la concentration d'AuNPs doivent être contrôlées afin de réduire la variabilité du processus de fabrication. De plus, les fibres optiques avec des diamètres de noyau plus grands offrent une plage dynamique plus large que les fibres plus petites ou monomodes, permettant ainsi la fabrication de capteurs OF-LSPR avec une plus grande variété de propriétés. Deuxièmement, et pour ajouter à ce contrôle non managé nanométriquement, entraînant des agrégations indésirables, la densité surfacique d'AuNPs sur le capteur ne dépend pas uniquement du temps d'immersion des fibres fonctionnalisées sur la suspension d'AuNPs, mais elle peut être estimée en mesurant le Sp maximum du signal LSPR. Et troisièmement, la densité d'AuNPs à la surface de la sonde affecte la sensibilité du capteur aux changements du RI de son environnement, non seulement dans son amplitude mais sur quel paramètre il altère le plus : la position du Sp maximum ou sa valeur . Il convient de noter que les résultats rapportés n'ont été validés qu'avec des AuNP d'un diamètre de 40 nm et que des tailles différentes peuvent présenter des différences de comportement. Cependant, ce diamètre a été choisi comme taille optimale afin de créer des capteurs OF-LSPR dans lesquels la contribution des effets d'absorbance sur le signal est supérieure à celle de la diffusion tout en offrant le meilleur rapport surface/volume pour interagir avec les analytes.

Afin d'assurer la meilleure reproductibilité possible (en ce qui concerne le nombre d'AuNPs sur la facette de la fibre et la sensibilité des capteurs), nous proposons de contrôler la seule variable entièrement contrôlable en temps réel : le signal LSPR, dont la position en longueur d'onde et la valeur maximale peut être suivie dans le temps avec une grande précision.

Cette découverte sans précédent constitue un progrès dans la compréhension de la fabrication des capteurs OF-LSPR sur la facette des fibres, ce qui aidera les futurs utilisateurs à obtenir de meilleurs résultats dans leurs découvertes sans avoir besoin de caractérisations exhaustives avant leur utilisation.

Tous les produits chimiques, à savoir : (3-aminopropyl)triéthoxysilane (APTES), acide sulfurique (H2SO4, réactif ACS, 95,0–98,0 %), peroxyde d'hydrogène (H2O2, 30 %), isopropanol (IPA, réactif ACS ≥ 99,5 %) et glycérol (C3H8O3, 99 %, GC); ont été achetés auprès de Merck KGaA (Spain Branch Division) et utilisés tels que reçus du fournisseur. Une solution de nanoparticules d'or sphériques (AuNP) de 40 nm de diamètre stabilisées au citrate a été achetée auprès de Nanovex Biotechnologies SL (Espagne) à une concentration de 3 × 1010 particules·mL−1, qui a été réduite à 1,5 × 1010 et 7,5 × 109 particules·mL−1 avec de l'eau MilliQ pour étudier l'effet de la concentration en nanoparticules sur le spectre LSPR. Les AuNPs ont été stockés à 4 ° C et conservés dans l'obscurité. Les AuNPs de cette taille (40 nm) ont été sélectionnés car ils en fournissent.

La configuration optique utilisée dans ce travail consistait en une LED (MCWHL5, Thorlabs) comme source de lumière dans la gamme 400–700 nm (qui correspond à la longueur d'onde de résonance des AuNP utilisés), un coupleur à fibre optique (FOC) et un mini-spectromètre (Avantes, mini2048-VI25) (Fig. SI3). Afin d'étudier l'effet de la taille du cœur dans le signal obtenu, trois fibres différentes ont été utilisées avec leurs coupleurs correspondants. Deux fibres multimodes (MMF) avec un diamètre de cœur de 105 µm et 50 µm (FG105LCA et FG050LCA, Thorlabs). Ici, ces fibres seront désignées par 105MMF et 50MMF, respectivement. Les FOC pour le 105MMF et le 50MMF étaient, respectivement, un TM105R5S1A et un TM50R5S2A achetés chez Thorlabs. L'autre fibre utilisée était une fibre monomode (SMF) dans le visible avec un diamètre de coeur de 2,5 µm (460HP, Thorlabs) avec un FOC (TW560R5F2, Thorlabs).

Toutes les fibres optiques ont été nettoyées et clivées à l'aide d'un cliveur à fibre optique (VF-78, INNO Instrument America).

Afin de fixer les AuNP à la face d'extrémité des fibres optiques, une méthodologie décrite précédemment38 a été appliquée dans chacune des expériences décrites dans cet article. En bref, les fibres optiques ont été traitées avec une solution de piranha (H2SO4:H2O2, 3:1) pendant 30 min, pour nettoyer et oxyder le verre afin que la surface soit activée pour la réaction à l'étape suivante. La solution Piranha libère des vapeurs irritantes et est très corrosive pour la plupart des matériaux, elle doit donc être manipulée et stockée avec soin, en travaillant sous une hotte et en la plaçant dans des récipients résistants tels que des flacons en verre. Après rinçage à l'eau:éthanol (1:1) et séchage, les fibres optiques ont été immergées dans une solution d'APTES IPA à 5% pendant 90 min, à l'obscurité. Plus tard, les fibres optiques ont été rincées dans une solution IPA-eau (1:1) et laissées sécher. Enfin, les fibres optiques ont été immergées dans la solution AuNPs pour les immobiliser sur la pointe. Le processus d'immobilisation est résumé sur la Fig. SI4, où l'impact de chaque étape sur le spectre optique est indiqué à titre de référence.

La lumière est lancée de la LED à travers le FOC jusqu'à la face d'extrémité de la fibre optique, où se trouvent les AuNP. Ensuite, la lumière est réfléchie par la face d'extrémité de la fibre optique, qui agit comme un miroir à faible réflectivité et c'est là que les AuNP sont immobilisés. L'interaction de la lumière avec de telles nanoparticules déclenche l'effet LSPR. La lumière réfléchie passe à nouveau par le FOC, arrivant finalement au spectromètre, qui affiche le signal reçu comme Sp, dont la valeur est obtenue en appliquant l'expression suivante :

Dans l'éq. (1), S est le spectre enregistré lorsque les AuNP sont immobilisés, R est le spectre obtenu lorsqu'il n'y a pas d'AuNP sur la facette de la fibre optique et D est le spectre enregistré lorsque la LED est éteinte. Les valeurs de Sp ont été exprimées en unités arbitraires (au).

Pour caractériser l'immobilisation des AuNPs, un SEM JEOL JSM-6400 (JEOL, Japon) à une tension d'accélération de 10 kV a été utilisé. La facette des fibres optiques a été recouverte d'une monocouche de chrome de 5 nm par pulvérisation cathodique, pour métallisation de surface. Le taux d'agrégation a été obtenu par analyse de particules à l'aide du logiciel du domaine public FIJI (ImageJ, National Institutes of Health, USA).

Afin de fabriquer des sondes OF-LSPR présentant des compositions AuNPs similaires, 17 fibres de 105MMF ont été fonctionnalisées comme décrit précédemment, puis immergées dans une solution mère d'AuNPs colloïdales. Indépendamment du temps d'immersion, la réaction d'immobilisation a été stoppée en retirant les fibres de la solution lorsque leurs valeurs maximales de Sp dans l'eau ont atteint une certaine valeur comprise entre 0,01 et 0,29. Chacune de ces fibres a ensuite été immergée dans des solutions de glycérol dans l'eau avec des indices de réfraction (RI) croissants consécutivement : 1,332 (0 % de glycérol), 1,342 (5 % de glycérol), 1,349 (10 % de glycérol), 1,3615 (22,5 % de glycérol), 1,372 (30% glycérol). La longueur d'onde et les valeurs maximales de leurs signaux Sp respectifs ont été enregistrées après immersion pendant 30 s dans chaque solution, bien que les changements aient été immédiats après l'immersion.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Mayer, KM & Hafner, JH Capteurs de résonance de plasmons de surface localisés. Chim. Rév. 111, 3828–3857 (2011).

Article CAS PubMed Google Scholar

Guo, L. et al. Stratégies d'amélioration de la sensibilité des nanocapteurs plasmoniques. Nano Today 10, 213–239 (2015).

Article CAS Google Scholar

Kim, DM, Park, JS, Jung, S.-W., Yeom, J. & Yoo, SM Applications de biodétection utilisant des capteurs de résonance de plasmon de surface localisés basés sur la nanostructure. Capteurs 21, 3191 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, Z. et al. Plateformes plasmoniques pour le diagnostic des maladies infectieuses au point de service. Biotechnol. Adv. 37, 107440 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bellassai, N., D'Agata, R., Jungbluth, V. & Spoto, G. Résonance plasmonique de surface pour la détection de biomarqueurs : avancées dans le diagnostic non invasif du cancer. Devant. Chim. 7, 570 (2019).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Soler, M., Huertas, CS & Lechuga, LM Biocapteurs plasmoniques sans étiquette pour le diagnostic au point de service : une revue. Expert Rév. Mol. Diag. 19, 71 (2018).

Article PubMed CAS Google Scholar

Masson, J. Résonance plasmonique de surface portable et déployée sur le terrain et capteurs plasmoniques. Analyste 145, 3776–3800 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, X. & Wolfbeis, OS Capteurs chimiques et biocapteurs à fibre optique (2013-2015). Anal. Chim. 88, 203-227 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pospíšilová, M., Kuncová, G. & Trögl, J. Capteurs chimiques à fibre optique et biocapteurs à fibre optique. Capteurs 15, 25208–25259 (2015).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Riza, MA, Go, YI, Harun, SW & Maier, RR Capteurs FBG pour applications environnementales et biochimiques—Un examen. IEEE Sens. J. 20, 7614–7627 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

De Acha, N., Socorro-Leránoz, AB, Elosúa, C. & Matías, IR Tendances dans la conception de biocapteurs à fibre optique basés sur l'intensité (2010-2020). Biocapteurs 11, 197 (2021).

Article PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Consales, M. et al. Technologie Lab-on-fiber : Vers des nanosondes optiques multifonctionnelles. ACS Nano 6, 3163–3170 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ricciardi, A., Crescitelli, A. & Vaiano, P. Technologie de laboratoire sur fibre : Une nouvelle vision pour la détection chimique et biologique. Analyste 14, 868–879 (2015).

Google Scholar

Klantsataya, E., Jia, P., Ebendorff-Heidepriem, H., Monro, TM et François, A. Capteurs réfractométriques à fibre optique plasmonique : des architectures conventionnelles aux tendances de conception récentes. Capteurs 17, 12 (2016).

Article ADS PubMed Central Google Scholar

Caucheteur, C., Guo, T. & Albert, J. Revue des capteurs biochimiques à fibre optique plasmonique : Améliorer la limite de détection. Anal. Bioanale. Chim. 407, 3883–3897 ​​(2015).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Esfahani Monfared, Y. Vue d'ensemble des progrès récents dans la conception de biocapteurs à fibre optique plasmoniques. Biocapteurs 10, 77 (2020).

Article PubMed Central CAS Google Scholar

Polley, N., Basak, S., Hass, R. & Pacholski, C. Capteurs plasmoniques à fibre optique : fournir des plates-formes de biocapteurs sensibles avec un équipement de laboratoire minimal. Biosens. Bioélectron. 132, 368–374 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Soares, MS et al. Immunodétection basée sur la technologie de la fibre optique : Avancées récentes. Biocapteurs 11, 305 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cusano, A., Consales, M., Crescitelli, A. & Ricciardi, A. Lab-on-Fiber Technology (Springer, 2015).

Réserver Google Scholar

Zhang, Y., Sun, Y., Cai, L., Gao, Y. & Cai, Y. Capteurs à fibre optique pour la mesure de la concentration en ions de métaux lourds : Une revue. Mesure 158, 107742 (2020).

Article Google Scholar

Ortega-Gomez, A. et al. Capteurs plasmoniques basés sur des réseaux de Bragg inclinés dans des fibres optiques multicoeurs. Opter. Express 29, 18469–18480 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Loyez, M., DeRosa, M., Caucheteur, C. & Wattiez, R. Vue d'ensemble et tendances émergentes de l'aptasensing par fibre optique. Biosens. Bioélectron. 196, 113694 (2021).

Article PubMed CAS Google Scholar

Loyez, M. et al. Détection du biomarqueur du cancer du sein HER2 à l'aide d'un test de fibre optique sandwich. Talanta 221, 121452 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Xiong, Y. & Xu, F. Intégration multifonctionnelle sur les pointes de fibre optique : Défis et opportunités. Adv. Photonique 2, 064001 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Lin, Y., Zou, Y., Mo, Y., Guo, J. & Lindquist, RG Réseaux de nanopoints dorés à motifs de faisceaux électroniques sur des pointes de fibres optiques pour la détection biochimique de résonance plasmonique de surface localisée. Capteurs 10, 9397–9406 (2010).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lipomi, DJ et al. Modelage des pointes de fibres optiques avec des nanostructures métalliques à l'aide de nanoskiving. Nano Lett. 11, 632–636 (2011).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Siegfried, T., Ekinci, Y., Martin, OJ & Sigg, H. Ingénierie de couches d'adhérence métallique qui ne détériorent pas les résonances plasmoniques. ACS Nano 7, 2751–2757 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Sanders, M., Lin, Y., Wei, J., Bono, T. & Lindquist, RG Une nanosonde à fibre optique LSPR améliorée pour la détection ultrasensible de biomarqueurs protéiques. Biosens. Bioélectron. 61, 95–101 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pisco, M. et al. Lithographie des nanosphères pour les nanosondes à pointe de fibre optique. Lumière Sci. Appl. 6, e16229 (2017).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, H. et al. Biocapteur à résonance plasmonique de surface localisée utilisant des nanoparticules d'or à la surface d'une fibre optique. Sens. Actionneurs B Chem. 280, 183–191 (2019).

Article CAS Google Scholar

Consales, M. et al. Biocapteurs de laboratoire sur fibre améliorés par métasurface. Laser Photonics Rév. 14, 2000180 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Mitsui, K., Handa, Y. & Kajikawa, K. Biocapteur d'affinité à fibre optique basé sur la résonance plasmonique de surface localisée. Appl. Phys. Lett. 85, 4231-4233 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Ortega-Gomez, A. et al. Détection du cytochrome c par nanospectroscopie plasmonique sur facettes de fibre optique. Sens. Actionneurs B Chem. 330, 129358 (2021).

Article CAS Google Scholar

Barroso, J. et al. Nanocapteurs sélectifs ultrasensibles à fibre optique basés sur le transfert d'énergie par résonance plasmon. ACS Sens.5, 2018-2024 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Camara, AR et al. Immunoessai de la dengue avec un capteur à fibre optique LSPR. Opter. Express 21, 27023–27031 (2013).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Sciacca, B. & Monro, TM Biocapteur Dip basé sur la résonance plasmonique de surface localisée à l'extrémité d'une fibre optique. Langmuir 30, 946–954 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Euh, M. et al. Fabrication d'un capteur à résonance plasmon de surface localisée à base de fibre optique et de micro canal fluidique. J. Nanosci. 17, 1083-1091 (2017).

CAS Google Scholar

Kim, H., Park, J., Jeong, DH, Lee, H. & Lee, S. Détection en temps réel d'antigènes spécifiques de la prostate à l'aide d'un capteur de résonance plasmon de surface localisé à fibre optique très fiable combiné à un micro canal fluidique. Sens. Actionneurs B Chem. 273, 891–898 (2018).

Article CAS Google Scholar

Xu, Y., Xiong, M. & Yan, H. Un biocapteur à fibre optique portable pour la détection de la zéaralénone basé sur la résonance plasmonique de surface localisée. Sens. Actionneurs B Chem. 336, 129752 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kim, H., Park, J. & Lee, S. Fabrication et mesure d'une puce de capteur de résonance plasmonique de surface localisée à fibre optique pour le diagnostic moléculaire. Sens. Actionneurs A Phys. 331, 112982 (2021).

Article CAS Google Scholar

Jeong, H., Lee, S., Park, J., Erdene, N. & Jeong, D. Fabrication d'un capteur de résonance plasmon de surface localisé à fibre optique et son application pour détecter la réaction anticorps-antigène de l'interféron-gamma. Opter. Ing. 50, 124405 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Jeong, H., Erdene, N., Park, J., Jeong, D. & Lee, S. Analyse du capteur de résonance plasmon de surface localisé à fibre optique en contrôlant la formation de nanoparticules d'or et sa bio-application. J. Nanosci. 12, 7815–7821 (2012).

CAS Google Scholar

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LB-D., FB-L. et AC-S. reconnaître le soutien financier du gouvernement espagnol, ministère de l'Économie et de la Compétitivité (MINECO), avec la subvention no. DNASURF (H2020-MSCA-RISE-778001) PID2020-120313GB-I00/AIE/10.13039/501100011033. Ils reconnaissent également le soutien financier du ministère de l'Éducation du gouvernement basque Grant no. IT1271-19. FB-L. et LB-D. reconnaître le "Spanish Microfluidics Network RED2018-102829-TJV, JZ et AO-G /Eusko Jaurlaritza IT1452-22, ELKARTEK KK-2021/00092 et ELKARTEK KK-2021/108. AC-S. reconnaît le financement par l'Université du Pays Basque Pays à travers Grant PIF17/17 et AO-G par MINECO Tous les auteurs sont reconnaissants pour le soutien technique et humain fourni par les Installations de Recherche Avancée (SGIker) de l'Université du Pays Basque UPV/EHU avec le projet collaboratif COLAB19/0 EHU.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Alba Calatayud-Sanchez et Angel Ortega-Gomez.

Cluster Microfluidique UPV/EHU, BIOMICs Microfluidics Group, Centre de Recherche Lascaray, Université du Pays Basque UPV/EHU, Vitoria-Gasteiz, Espagne

Alba Calatayud-Sanchez, Javier Barroso & Lourdes Basabe-Desmonts

Département d'Ingénierie des Communications, Université du Pays Basque UPV/EHU, Bilbao, Espagne

Angel Ortega-Gomez, Joseba Zubia et Joel Villatoro

Pôle Microfluidique UPV/EHU, Groupe Microsystèmes Analytiques et Matériaux pour Lab-On-a-Chip (AMMa-LOAC) Département de Chimie Analytique, Université du Pays Basque UPV/EHU, Leioa, Espagne

Alba Calatayud-Sanchez & Fernando Benito-Lopez

BIOARABA Health Research Institute, Microfluidics Cluster UPV/EHU, Vitoria-Gasteiz, Espagne

Fernando Benito-Lopez & Lourdes Basabe-Desmonts

BCMaterials, Basque Center for Materials, Applications and Nanostructures, UPV/EHU Science Park, Leioa, Espagne

Fernando Benito-Lopez & Lourdes Basabe-Desmonts

IKERBASQUE, Fondation basque pour la science, Bilbao, Espagne

Joël Villatoro & Lourdes Basabe-Desmonts

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AC-S. et AO-G. contribué à parts égales à ce travail, rédigé le manuscrit, conçu le travail, acquis les données et interprété les résultats. JB a conçu et révisé le manuscrit. FB-L. et JZ ont interprété les résultats et révisé le manuscrit. JV et LB-D. ont conçu le travail, interprété les résultats, édité le manuscrit et sont les auteurs correspondants.

Correspondance à Joël Villatoro ou Lourdes Basabe-Desmonts.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Calatayud-Sanchez, A., Ortega-Gomez, A., Barroso, J. et al. L'invention concerne un procédé de fabrication contrôlable de capteurs à résonance plasmon de surface localisée à base de fibres optiques. Sci Rep 12, 9566 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13707-y

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Reçu : 05 mai 2021

Accepté : 26 mai 2022

Publié: 10 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-13707-y

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