Les auteurs montrent une métasurface de capteur pixelisée pour la spectroscopie moléculaire. Il se compose de métapixels conçus pour concentrer la lumière dans des volumes de la taille du nanomètre afin d'amplifier et de détecter l'empreinte d'absorption des molécules d'analyte à des longueurs d'onde de résonance spécifiques. La lecture simultanée basée sur l'imagerie de tous les métapixels fournit une carte spatiale de l'empreinte d'absorption moléculaire échantillonnée aux longueurs d'onde de résonance individuelles. Cette carte d'absorption pixélisée peut être vue comme un code-barres bidimensionnel de l'empreinte moléculaire, qui code les bandes d'absorption caractéristiques en tant que caractéristiques distinctes de l'image résultante. Crédit :EPFL
La spectroscopie infrarouge est la méthode de référence pour la détection et l'analyse des composés organiques. Mais cela nécessite des procédures compliquées et de grandes, instruments coûteux, rendant difficile la miniaturisation des dispositifs et entravant leur utilisation pour certaines applications industrielles et médicales et pour la collecte de données sur le terrain, comme pour mesurer les concentrations de polluants. Par ailleurs, il est fondamentalement limité par de faibles sensibilités et nécessite donc de grandes quantités d'échantillons.
Cependant, des scientifiques de la School of Engineering de l'EPFL et de l'Australian National University (ANU) ont développé un système nanophotonique compact et sensible qui peut identifier les caractéristiques d'absorption d'une molécule sans utiliser la spectrométrie conventionnelle.
Leur système consiste en une surface conçue recouverte de centaines de minuscules capteurs appelés métapixels, qui peut générer un code à barres distinct pour chaque molécule avec laquelle la surface entre en contact. Ces codes-barres peuvent être massivement analysés et classés à l'aide d'une technologie avancée de reconnaissance et de tri des formes, telles que les réseaux de neurones artificiels. Cette recherche, qui se situe au carrefour de la physique, nanotechnologie et big data—a été publié dans Science .
Traduire des molécules en codes-barres
Les liaisons chimiques dans les molécules organiques ont chacune une orientation et un mode vibrationnel spécifiques. Cela signifie que chaque molécule a un ensemble de niveaux d'énergie caractéristiques, qui sont généralement situés dans le domaine de l'infrarouge moyen, correspondant à des longueurs d'onde de l'ordre de 4 à 10 microns. Par conséquent, chaque type de molécule absorbe la lumière à des fréquences différentes, donnant à chacun une « signature » unique. La spectroscopie infrarouge détecte si une molécule donnée est présente dans un échantillon en voyant si l'échantillon absorbe les rayons lumineux aux fréquences de signature de la molécule. Cependant, de telles analyses nécessitent des instruments de laboratoire d'une taille et d'un prix élevés.
Le système pionnier développé par les scientifiques de l'EPFL est à la fois très sensible et miniaturisable; il utilise des nanostructures capables de piéger la lumière à l'échelle nanométrique et ainsi fournir des niveaux de détection très élevés pour les échantillons en surface. "Les molécules que nous voulons détecter sont à l'échelle nanométrique, combler cet écart de taille est donc une étape essentielle, " dit Hatice Altug, responsable du laboratoire BioNanoPhotonic Systems de l'EPFL et co-auteur de l'étude.
Les nanostructures du système sont regroupées en ce qu'on appelle des métapixels afin que chacun résonne à une fréquence différente. Lorsqu'une molécule entre en contact avec la surface, la façon dont la molécule absorbe la lumière modifie le comportement de tous les métapixels qu'elle touche.
" Surtout, les métapixels sont disposés de manière à ce que différentes fréquences vibratoires soient mappées sur différentes zones de la surface, " dit Andreas Tittl, auteur principal de l'étude.
Cela crée une carte pixélisée de l'absorption de la lumière qui peut être traduite en un code à barres moléculaire, le tout sans utiliser de spectromètre.
Les scientifiques ont déjà utilisé leur système pour détecter des polymères, pesticides et composés organiques. Quoi de plus, leur système est compatible avec la technologie CMOS.
« Grâce aux propriétés optiques uniques de nos capteurs, nous pouvons générer des codes à barres même avec des sources lumineuses et des détecteurs à large bande, " dit Alexandre Leitis, un co-auteur de l'étude.
Il existe un certain nombre d'applications potentielles pour ce nouveau système. "Par exemple, il pourrait être utilisé pour fabriquer des appareils de test médicaux portables qui génèrent des codes-barres pour chacun des biomarqueurs trouvés dans un échantillon de sang, " dit Dragomir Neshev, un autre co-auteur de l'étude.
L'intelligence artificielle pourrait être utilisée conjointement avec cette nouvelle technologie pour créer et traiter toute une bibliothèque de codes à barres moléculaires pour des composés allant des protéines et de l'ADN aux pesticides et aux polymères. Cela donnerait aux chercheurs un nouvel outil pour repérer rapidement et avec précision des quantités infimes de composés présents dans des échantillons complexes.
