Un détecteur de fumée et de monoxyde de carbone Nest est vu le 16 janvier 2014, à Provo, Utah. George Frey/Getty Images Inspirer et expirer est quelque chose que notre corps fait sans que nous ayons à y penser. En réalité, nous pensons rarement à l'air qui nous entoure jusqu'à ce que sa qualité soit faible d'une manière ou d'une autre - peut-être à cause de la fumée d'un incendie à proximité ou du smog enveloppant nos villes surpeuplées.
Mais il peut y avoir des gaz dangereux qui ne sont pas toujours visibles. Le monoxyde de carbone et le radon sont deux exemples de contaminants atmosphériques mortels qui sont complètement invisibles. Nous ne réalisons pas que nous sommes empoisonnés par l'air que nous respirons jusqu'à ce qu'il soit trop tard. Heureusement, ces gaz ne sont pas si répandus, et avec l'aide d'une petite technologie de détection chimique, nous pouvons laisser les détecteurs de monoxyde de carbone et de radon s'inquiéter pour nous.
Les capteurs chimiques sont utiles bien au-delà de la simple détection de gaz mortels. Ces appareils peuvent être trouvés dans nos maisons, hôpitaux et dans l'armée. Il existe de nombreux types de capteurs différents qui détectent différentes molécules cibles (également appelées analytes ). Bien que les capteurs fonctionnent de différentes manières, l'essentiel est qu'une interaction chimique se produit entre l'analyte et quelque chose dans le capteur, et l'appareil produit un signal mesurable - un bip ou un changement de couleur pour nous alerter de la présence de la molécule cible.
Malgré les différences dans la construction des capteurs, il existe quelques principes directeurs qui rendent tout capteur bon. L'idéal est pas cher, infaillible et portable. Plus important encore, tout capteur chimique possède deux caractéristiques essentielles :la sélectivité et la sensibilité. Il existe plus de 10 milliards de substances moléculaires dans le monde, détecter sélectivement une seule substance n'est donc pas une mince affaire [source :National Research Council]. La sensibilité est également extrêmement importante pour détecter des produits chimiques à une distance considérable ou pour essayer de trouver de très faibles concentrations d'une molécule cible. Les autres caractéristiques importantes du capteur sont le temps de réponse, taille de l'emballage et limite de détection — la plus petite quantité d'une substance pouvant être détectée.
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Un détecteur de monoxyde de carbone peut vous empêcher d'être empoisonné par les vapeurs de gaz. BanquesPhotos/Getty Images Les scientifiques et les ingénieurs ont développé une variété de capteurs à des fins différentes, et comme vous pouvez l'imaginer, ils ont tous leur propre façon de travailler. Après tout, un kit de test de grossesse n'est pas susceptible d'avoir le même mécanisme de détection qu'un détecteur de radon, droit?
Tous les capteurs chimiques ciblent une sorte d'analyte, mais ce qui se passe une fois que l'analyte est dans le capteur, c'est là que les différences apparaissent. Par exemple, le capteur peut lier l'analyte (pensez à un mécanisme de type serrure et clé, mais au niveau moléculaire). Ou, le capteur peut être configuré de sorte que l'analyte traverse sélectivement un film mince. Imaginez que le film soit un gardien chimique qui ne laisse passer que la molécule cible et empêche tout le reste d'entrer. Ce type de capteur a l'avantage d'être continuellement réutilisable. Une troisième forme de capteur utilise l'analyte dans une réaction chimique qui génère un produit qui crée le signal lisible [source :National Research Council]. Ces trois mécanismes très larges couvrent le fonctionnement de la plupart des capteurs, mais il existe encore d'autres types.
Par exemple, il existe des capteurs électrochimiques à lecture directe qui utilisent la diffusion de molécules chargées pour rechercher les changements de courant, conductivité ou potentiel pour voir si un analyte cible est présent. Les capteurs d'ondes acoustiques de surface utilisent des ondes acoustiques envoyées d'une électrode à une autre à travers une surface. Le capteur est conçu pour que si la vitesse de l'onde change ou si elle perd de l'intensité, il signale la présence d'une molécule cible liée à la surface. En mesurant ces changements, le capteur peut même être capable de détecter des quantités de matière présente [source :National Research Council].
Une autre innovation intéressante dans la technologie de détection chimique consiste à détecter les propriétés inhérentes de différentes cibles chimiques au lieu d'utiliser une interaction moléculaire pour piloter la détection. Différentes liaisons dans les molécules ont chacune des modèles de vibration de signature qui peuvent être détectés dans la région infrarouge du spectre électromagnétique. En combinant des sources lumineuses, filtres et détecteurs sur une seule puce, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont pu détecter ces empreintes moléculaires afin de détecter toute une série de molécules, des contaminants dans l'eau aux électrolytes dans le sang des nouveau-nés [source :Bender].
Peu importe comment ils fonctionnent, les dispositifs de détection chimique sont, sans aucun doute, travailler pour vous. Votre maison a probablement au moins un détecteur de gaz radon, fumée ou monoxyde de carbone, selon les lois de votre état ou pays. De nombreux capteurs de radon fonctionnent en absorbant le radon lui-même ou en détectant les produits de désintégration radioactive du gaz mortel. Monoxyde de carbone, d'autre part, n'est pas une matière radioactive, les détecteurs de ce gaz fonctionnent donc différemment. L'un des mécanismes les plus courants pour ce capteur chimique est un riff sur la biologie. Ces détecteurs imitent la façon dont le monoxyde de carbone interagit avec l'hémoglobine dans le sang afin de déterminer la présence du gaz. Un autre détecteur courant dans la maison est un détecteur de fumée. Alors que certains utilisent des matières radioactives pour aider à renifler la fumée, la plupart des détections dans les détecteurs de fumée proviennent de la physique, pas chimique, phénomène des particules de fumée provoquant des interférences qui est détecté par le détecteur.
Les dispositifs de détection de produits chimiques sont également largement utilisés en dehors de la maison. L'un des principaux endroits où vous verrez ces appareils en action est la recherche de biomolécules en milieu médical. Les capteurs de biomolécules sont essentiellement des capteurs chimiques spécialisés. Bien qu'ils détectent des substances comme les hormones, ces substances corporelles sont toutes des molécules. Après tout, ces capteurs sont fabriqués avec bon nombre des mêmes principes directeurs que les autres capteurs chimiques - sélectivité, sensibilité et portabilité.
Certains des capteurs de biomolécules les plus portables que vous connaissez sont associés aux mesures de fertilité :tests de grossesse et tests d'ovulation. Ces deux capteurs chimiques détectent la présence de certaines hormones dans l'urine. Dans le cas des tests de grossesse, le capteur recherche l'hormone gonadotrophine chorionique humaine (hCG) dans l'urine. Le bâton sur lequel la femme urine contient des anticorps recouverts d'un produit chimique qui se lie à l'hCG. Si la biomolécule est présente, le test est positif [source :Parents Magazine]. Habituellement, ces capteurs chimiques ont une composante colorimétrique de sorte que lorsque l'analyte - dans ce cas l'hCG - se lie, il déclenche un changement de couleur dans le capteur, rendre la lecture des résultats assez infaillible.
En milieu clinique, deux des méthodes les plus courantes pour la détection de biomolécules à base chimique sont ELISA (dosage immuno-absorbant enzymatique) et le Western blot. Selon la taille et le type de la biomolécule en question et les informations qu'ils souhaitent sur la molécule, les scientifiques et les cliniciens se tourneront souvent vers l'une de ces techniques de détection chimique pour identifier différents analytes dans des mélanges de biomolécules [sources :ThermoFisher Scientific, Mahmood et Yang].
Une tête en verre contient un capteur d'interface neuronale développé par la DARPA, qui lit les signaux du cerveau et stimule les neurones pour lutter contre la perte de mémoire. La DARPA investit dans la recherche sur la détection chimique. Stacey Rupolo/Chicago Tribune/TNS via Getty Images L'armée est l'un des principaux moteurs des orientations futures de la détection chimique. Les agences de financement comme la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis ont de grands rêves sur ce que la détection chimique pourrait faire pour ses forces armées. Imaginez pouvoir placer un capteur sur le dessus d'une tente dans une zone de guerre qui peut détecter des explosifs ou des gaz toxiques à 4 miles (6 kilomètres) de distance.
Ou imaginez un capteur si petit, il peut être intégré dans les tissus. Lorsque le capteur détecte un agent toxique, la couleur du tissu change, alerter les soldats de la présence de toxines chimiques dans l'air. Qu'en est-il d'un capteur qui pourrait alerter les soldats de leur niveau de déshydratation ? Les implications d'une telle technologie ne seraient pas seulement l'avantage au combat, mais aussi sauver potentiellement des milliers de vies.
Des produits chimiques pourraient également être placés dans les aéroports pour aider à arrêter le terrorisme en détectant d'infimes concentrations d'explosifs sans que nous ayons à subir les nombreux tracas des lignes de sécurité. En réalité, les scientifiques ont déjà dévoilé un capteur capable de détecter rapidement les drogues et les explosifs à près de 30 mètres (100 pieds) en pensant aux aéroports [source :Engineering360]. Ces capteurs pourraient être installés aux entrées des aéroports et à d'autres endroits avec de grands groupes de personnes. Certains types de dispositifs de détection chimique peuvent même être attachés aux téléphones portables pour scanner des zones plus vastes lorsque les forces de l'ordre se déplacent [source :Hsu].
Bien sûr, les capteurs chimiques ne doivent pas seulement être utilisés pour détourner des activités néfastes. La détection de contaminants métalliques dans l'eau et éventuellement de produits chimiques toxiques dans l'air via des capteurs dans des badges de sécurité ne sont que quelques-unes des façons dont les dispositifs de détection de produits chimiques changent notre monde.
Des capteurs de nanoparticules cousus dans un tissu qui pourraient m'en dire plus sur moi-même ou sur l'air qui m'entoure ? C'est vraiment de la science-fiction. Sauf que non. Peut-être que l'armée est celle qui fait avancer la recherche sur des choses comme ça, mais peu de temps après que les soldats commencent à l'utiliser, ce sera banal pour le reste d'entre nous. Donne à la technologie portable un tout nouveau sens.
