Alors que de nouvelles maladies infectieuses émergent et se propagent, l'un des meilleurs moyens de lutter contre les nouveaux agents pathogènes consiste à trouver de nouveaux médicaments ou vaccins. Mais avant que les médicaments puissent être utilisés comme remèdes potentiels, ils doivent être minutieusement triés pour la composition, sécurité et pureté, entre autres. Ainsi, il existe une demande croissante de technologies capables de caractériser les composés chimiques rapidement et en temps réel.

Répondre à ce besoin non satisfait, des chercheurs de la Texas A&M University ont maintenant inventé une nouvelle technologie qui peut réduire considérablement la taille de l'appareil utilisé pour la spectroscopie Raman, une technique bien connue qui utilise la lumière pour identifier la composition moléculaire des composés.

"Les configurations de paillasse Raman peuvent mesurer jusqu'à un mètre de long selon le niveau de résolution spectroscopique requis, " a déclaré le Dr Pao-Tai Lin, professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique et au Département de science et génie des matériaux. "Nous avons conçu un système qui peut potentiellement remplacer ces plans de travail volumineux par une minuscule puce photonique qui peut s'adapter parfaitement au bout d'un doigt."

En outre, Lin a déclaré que leur dispositif photonique innovant est également capable de haut débit, caractérisation chimique en temps réel et malgré sa taille, est au moins 10 fois plus sensible que les systèmes de spectroscopie Raman de paillasse conventionnels.

Une description de leur étude est dans le numéro de mai de la revue Chimie analytique .

La base de la spectroscopie Raman est la diffusion de la lumière par les molécules. Lorsqu'il est frappé par la lumière d'une certaine fréquence, les molécules exécutent une danse, tournant et vibrant lors de l'absorption de l'énergie du faisceau incident. Quand ils perdent leur excès d'énergie, les molécules émettent une lumière de plus faible énergie, ce qui est caractéristique de leur forme et de leur taille. Cette lumière dispersée, connu sous le nom de spectres Raman, contient les empreintes digitales des molécules dans un échantillon.

Les paillasses typiques pour la spectroscopie Raman contiennent un assortiment d'instruments optiques, y compris les lentilles et les réseaux, pour manipuler la lumière. Ces composants optiques "en espace libre" prennent beaucoup de place et constituent une barrière pour de nombreuses applications où la détection chimique est requise dans des espaces minuscules ou des emplacements difficiles d'accès. Aussi, les paillasses peuvent être prohibitives pour la caractérisation chimique en temps réel.

Comme alternative aux systèmes de paillasse traditionnels en laboratoire, Lin et son équipe se sont tournés vers des conduits en forme de tube, appelés guides d'ondes, qui peut transporter la lumière avec très peu de perte d'énergie. Alors que de nombreux matériaux peuvent être utilisés pour fabriquer des guides d'ondes ultrafins, les chercheurs ont choisi un matériau appelé nitrure d'aluminium car il produit un faible signal de fond Raman et est moins susceptible d'interférer avec le signal Raman provenant d'un échantillon de test d'intérêt.

Pour créer le guide d'onde optique, les chercheurs ont utilisé une technique utilisée par l'industrie pour dessiner des motifs de circuits sur des plaquettes de silicium. D'abord, utilisant la lumière ultraviolette, ils ont filé un matériau sensible à la lumière, appelé NR9, sur une surface en silice. Prochain, en utilisant des molécules de gaz ionisé, ils ont bombardé et enduit de nitrure d'aluminium le long du motif formé par le NR9. Finalement, ils ont lavé l'ensemble à l'acétone, laissant derrière lui un guide d'ondes en aluminium de quelques dizaines de microns de diamètre.

Pour tester le guide d'ondes optique en tant que capteur Raman, l'équipe de recherche a transporté un faisceau laser à travers le guide d'ondes en nitrure d'aluminium et illuminé un échantillon d'essai contenant un mélange de molécules organiques. En examinant la lumière diffusée, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient discerner chaque type de molécule dans l'échantillon sur la base des spectres Raman et avec une sensibilité au moins 10 fois supérieure à celle des paillasses Raman traditionnelles.

Lin a noté que leurs guides d'ondes optiques ont une largeur très fine, beaucoup d'entre eux peuvent être chargés sur une seule puce photonique. Cette architecture, il a dit, est très propice au haut débit, la détection chimique en temps réel nécessaire au développement de médicaments.

"Notre conception de guide d'ondes optique fournit une nouvelle plate-forme pour surveiller rapidement la composition chimique des composés, de manière fiable et continue. Aussi, ces guides d'ondes peuvent être facilement fabriqués à l'échelle industrielle en s'appuyant sur les techniques déjà existantes pour réaliser des dispositifs semi-conducteurs, " a déclaré Lin. " Cette technologie, nous croyons, a un avantage direct non seulement pour les industries pharmaceutiques, mais même pour d'autres industries, comme le pétrole, où nos capteurs peuvent être placés le long de canalisations souterraines pour surveiller la composition des hydrocarbures."