CAPTEUR D'ADSORPTION DE PROTÉINES EN PHOTONIQUE INTÉGRÉE // PROTEINS ADHESION SENSOR BY MEANS OF INTEGRATED PHOTONICS

Dans plusieurs domaines comme l'agroalimentaire, le médical ou les capteurs, il est essentiel de comprendre l'interaction entre les protéines et les surfaces de différentes natures. Au LMGP, l'équipe IMBM étudie par exemple la stabilité des formulations médicamenteuses en contact avec différents containers. Elle s'intéresse également aux protéines adhésives naturelles (ex. : des balanes marines), ces dernières étant capables d'adhérer à diverses surfaces, même en milieu aqueux, et surpassant parfois les adhésifs synthétiques.

Ces recherches nécessitent des outils de mesure précis pour quantifier ces interactions. Les techniques les plus connues sont la résonance plasmonique de surface (SPR), la bio-layer interferometry (BLI), la micro-balance à quartz (QCMd).
Or, ces techniques sont parfois peu adaptées aux environnements miniaturisés comme les systèmes microfluidiques (lab-on-chip). Une alternative prometteuse est l'intégration de capteurs optiques sur des substrats plans en verre, compatibles avec la microfluidique.

Le laboratoire CROMA, possède une expertise historique en photonique intégrée sur verre. Grâce à une chaîne complète de fabrication en interne (y compris en salle blanche), il est possible de développer de composants flexibles et performants. La photonique intégrée sur verre se prête donc à la conception de capteurs pour analyser l'adsorption de protéines, par exemple en adaptant le principe de la BLI (Biolayer Interferometry) sur un dispositif intégré et microfluidique. Une telle approche permettrait d'augmenter la sensibilité via l'optimisation de l'interaction onde évanescente/protéines.

Ce projet vise à concevoir un nouvel interféromètre sur verre, optimisé pour la détection d'interactions protéines-surfaces, en environnement microfluidique. Ce dispositif devra être fonctionnalisable, afin de tester des protéines variées (masses et formes différentes) sur des surfaces modifiées chimiquement. L'environnement microfluidique permettra de réduire le volume d'échantillons requis — un avantage dans le domaine protéique, souvent contraint par le coût des biomolécules.
En 2024 et 2025, deux études (stages M2 financés par la FMNT) ont démontré le potentiel de cette technologie. Un interféromètre Mach-Zehnder sur verre, combiné à un microcapot PDMS imprimé en 3D, a été utilisé pour détecter l'interaction entre une protéine, l'albumine de sérum bovin (BSA) et la surface en verre, via une analyse spectrale. Bien qu'un signal de réponse ait été détecté, une caractérisation métrologique du capteur (limite de détection, reproductibilité, etc.) reste néanmoins à effectuer. Ces premiers résultats ont néanmoins permis d'identifier plusieurs pistes d'optimisation.
Une fois la caractérisation du capteur et son optimisation complétées, l'objectif de la thèse sera d'étudier les interactions entre diverses protéines et la surface du capteur qui pourra être fonctionnalisée, car en verre.

Au-delà de l'approfondissement des connaissances fondamentales sur les interactions protéines-surfaces, ce capteur pourrait trouver des applications concrètes dans :
-le contrôle qualité des protéines post-purification ou après stockage,
-les biotechnologies et l'industrie pharmaceutique (ex. : interactions protéines/plastiques),
-la mise au point de capteurs biomédicaux.
La possibilité de modifier la surface du verre (hydrophobe/hydrophile, dépôt de polymères) offre un terrain d'expérimentation riche. Toutefois, ces modifications devront respecter des critères de qualité optique élevés, afin de garantir une bonne interaction avec le champ sonde. La caractérisation des couches déposées et leur impact sur la réponse du capteur feront l'objet d'investigations théoriques et expérimentales, pour assurer le bon fonctionnement du dispositif. Un aspect qui sera pris en compte sera l'évaluation de l'impact environnemental avec des méthodes de type Analyse du cycle de vie, en cours de développement dans l'équipe Photo de CROMA.
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Understanding the interaction between proteins and different types of surface is essential in a number of fields such as food, medicine and sensors. At LMGP, for example, the IMBM team is studying the stability of drug formulations or natural protein glues (e.g. barnacles), which are capable of adhering effectively to various surfaces, even in aqueous media, and sometimes outperforming synthetic adhesives.

This research requires precise measurement tools to quantify these interactions. The best-known techniques are the surface plasmon resonance (SPR), the bio-layer interferometry (BLI) and the quartz microbalance (QCMd). However, those techniques are sometimes ill-suited to miniaturised environments such as microfluidic (lab-on-chip) systems. A promising alternative is the integration of optical sensors on flat glass substrates that are compatible with microfluidics.

The CROMA laboratory, and more specifically the PHOTO team, has historic expertise in integrated photonics on glass. Thanks to a complete in-house manufacturing chain (including clean room), it is possible to develop flexible, high-performance components. Glass-integrated photonics therefore lends itself perfectly to the design of sensors for analysing protein adsorption, for example by adapting the BLI (Biolayer Interferometry) principle to an integrated microfluidic device. Such an approach would increase sensitivity by optimising the evanescent wave/protein interaction.

In 2024 and 2025, two studies (M2 internships funded by the FMNT) demonstrated the potential of this technology. A glass-based Mach-Zehnder interferometer, combined with a 3D-printed PDMS micro-cover, was used to detect the interaction between a protein, bovine serum albumin (BSA), and the glass surface via spectral analysis. Although a response signal was detected, metrological characterization of the sensor (detection limit, reproducibility, etc.) has yet to be performed. These initial results nevertheless identified several perspectives for optimization.

The aim of this project is to design a new interferometer on glass, optimised for the detection of protein-surface interactions, in a microfluidic environment. The device will need to be functionalizable, so that a variety of proteins (different masses and shapes) can be tested on chemically modified surfaces. The microfluidic environment will make it possible to reduce the volume of samples required - an advantage in the protein field, which is often constrained by the cost of biomolecules.

In addition to deepening our fundamental understanding of protein-surface interactions, this sensor could have practical applications in:
- quality control of proteins after purification or storage,
- biotechnologies and the pharmaceutical industry (e.g. protein/plastic interactions),
- the development of biomedical sensors.
The possibility of modifying the glass surface (hydrophobic/hydrophilic, polymer deposition) offers a rich field for experimentation. However, these modifications will have to comply with high optical quality criteria in order to guarantee good interaction with the probe field. The characterisation of the deposited layers and their impact on the sensor's response will be the subject of theoretical and experimental investigations, to ensure that the device works properly.
One aspect that will be taken into account throughout the project is the assessment of environmental impact using methods such as Life Cycle Assessment (LCA), which the CROMA Photo team is currently developing.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Financement d'un établissement public Français

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Le ou la candidat(e) devra être diplômé(e) d'une école d'ingénieur ou titulaire d'un master (M2) dans les domaines de l'optique, de la photonique, de l'électronique, de la science des matériaux ou d'une discipline connexe. Une appétence pour les interfaces avec la biologie et l'ingénierie des surfaces est souhaitée. Des compétences en traitement du signal optique, en instrumentation expérimentale, ou en modélisation de dispositifs photoniques constitueront un atout.
The candidate must be a graduate of an engineering school or hold a Master's degree (M2) in optics, photonics, electronics, materials science or a related discipline. An interest in interfaces with biology and surface engineering is desirable. Skills in optical signal processing, experimental instrumentation or photonic device modelling will be an advantage.