Disposition du biocapteur (a, c). Le guide d'onde est à l'intérieur du substrat diélectrique. Le résonateur, réalisé comme un guide d'onde en anneau, est positionné à l'interface entre le matériau diélectrique et le fluide biologique analysé. Un changement dans l'indice de réfraction du fluide décale la courbe de résonance (b). Crédit :Kirill Voronin et al./Capteurs
Biocapteurs intégrés aux smartphones, les montres intelligentes et autres gadgets sont sur le point de devenir une réalité. Dans un article publié en couverture du numéro de janvier de Capteurs , des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou décrivent un moyen d'augmenter la sensibilité des détecteurs biologiques au point qu'ils peuvent être utilisés dans des appareils mobiles et portables.
Un biocapteur est un appareil électrochimique qui détermine la composition des fluides biologiques en temps réel. Les glucomètres utilisés par les patients diabétiques pourraient bien être les seuls dispositifs de biodétection grand public utilisés aujourd'hui. Mais les futurologues disent que les appareils électroménagers seront bientôt capables d'analyser la sueur, salive, humeur aqueuse, et d'autres fluides corporels pour identifier une personne, faire des tests médicaux, diagnostiquer une maladie, ou surveiller en permanence la santé d'un individu et faire des suggestions de régime optimales en conséquence.
Jusque récemment, ces demandes n'ont pas été sérieusement étudiées, parce que les appareils disponibles n'étaient pas assez sensibles et étaient prohibitifs pour le marché de la consommation. Cependant, il se peut qu'une percée soit sur le point de se produire. Une équipe de chercheurs du MIPT Center for Photonics and 2-D Materials a proposé une conception de biocapteur radicalement nouvelle, ce qui pourrait augmenter la sensibilité du détecteur plusieurs fois et offrir une réduction de prix tout aussi impressionnante.
« Un biocapteur conventionnel intègre un résonateur en anneau et un guide d'ondes positionnés dans le même plan, " a expliqué Kirill Voronin, étudiant diplômé du MIPT du Laboratoire de nanooptique et plasmonique, qui a eu l'idée utilisée dans l'étude. "Nous avons décidé de séparer les deux éléments et de les mettre dans deux plans différents, avec l'anneau au-dessus du guide d'ondes."
La raison pour laquelle les chercheurs n'ont pas testé cette disposition de capteur auparavant est que la fabrication d'un plat, dispositif à un seul niveau est plus facile dans un laboratoire. En déposant un film mince et en le gravant, un résonateur en anneau et un guide d'ondes sont produits en même temps. La conception alternative à deux niveaux est moins pratique pour la fabrication de dispositifs expérimentaux uniques, mais il s'est avéré moins cher pour les capteurs de masse. La raison en est que les processus technologiques d'une usine d'électronique sont orientés vers le placement de composants actifs couche par couche.
Plus important, la nouvelle conception du biocapteur à deux niveaux a permis d'obtenir une sensibilité plusieurs fois plus élevée.
Un biocapteur fonctionne en enregistrant les légères variations de l'indice de réfraction à sa surface, qui sont causées par l'adsorption de molécules organiques. Ces variations sont détectées via un résonateur dont les conditions de résonance dépendent de l'indice de réfraction du milieu extérieur. Étant donné que même les moindres fluctuations de l'indice de réfraction provoquent un décalage de pic de résonance significatif, un biocapteur réagit à presque toutes les molécules qui atterrissent à sa surface.
"Nous avons positionné le guide d'onde en bande sous le résonateur, dans le diélectrique massif, " a déclaré le co-auteur de l'article Aleksey Arsenin, chercheur de premier plan au laboratoire MIPT de nanooptique et plasmonique. "Le résonateur, à son tour, est à l'interface entre le substrat diélectrique et l'environnement extérieur. En optimisant les indices de réfraction des deux milieux environnants, nous atteignons une sensibilité considérablement plus élevée."
L'agencement du biocapteur nouvellement proposé comporte à la fois la source et le détecteur de lumière dans le diélectrique. La seule partie qui reste à l'extérieur est l'élément sensible. C'est-à-dire, la bague en or fait plusieurs dizaines de micromètres de diamètre et un millième d'épaisseur (fig. 1).
Selon Voronine, la méthode de l'équipe pour rendre les biocapteurs plus réactifs portera la technologie à un niveau qualitativement nouveau. "La nouvelle configuration est destinée à rendre les biocapteurs beaucoup plus faciles à fabriquer, et donc moins cher, " dit le physicien. " La lithographie optique est la seule technique nécessaire pour produire des détecteurs basés sur notre principe. Aucune pièce mobile n'est impliquée, et un laser accordable fonctionnant dans une gamme de fréquences étroite suffira."
Valentin Volkov, qui dirige le MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, estime qu'il faudra environ trois ans pour développer un dessin industriel basé sur la technologie proposée.
