Des capteurs optiques peuvent analyser quantitativement des échantillons chimiques et biologiques en mesurant et en traitant les signaux optiques produits par les échantillons. Les capteurs optiques basés sur la spectroscopie d'absorption infrarouge peuvent atteindre une sensibilité et une sélectivité élevées en temps réel, et jouent donc un rôle crucial dans une variété de domaines d'application tels que la détection environnementale, diagnostic médical, contrôle des processus industriels et sécurité intérieure.

Dans un nouvel article publié dans Lumière :Sciences et applications, une équipe de scientifiques, dirigé par le Dr Peter Q. Liu du Département de génie électrique, l'Université d'État de New York à Buffalo, ont démontré un nouveau type de capteur optique haute performance qui peut utiliser la tension superficielle du liquide pour concentrer et piéger les molécules d'analyte aux endroits les plus sensibles de la structure du dispositif, et donc améliorer considérablement les performances de sensibilité. Basé sur une structure sandwich métal-isolant-métal qui comporte également des tranchées à l'échelle nanométrique, le capteur peut retenir et concentrer passivement une solution d'analyte dans ces minuscules tranchées à mesure que la solution s'évapore progressivement sur la surface du capteur, et finalement piéger les molécules d'analyte précipitées à l'intérieur de ces tranchées. Comme l'intensité lumineuse est également fortement améliorée dans ces tranchées par conception, l'interaction entre la lumière et les molécules d'analyte piégées est considérablement améliorée, conduisant à un signal optique facilement détectable (c'est-à-dire des changements dans le spectre d'absorption de la lumière) même au niveau du picogramme de la masse de l'analyte.

En général, différentes espèces moléculaires absorbent la lumière infrarouge à différentes fréquences, et donc on peut identifier et quantifier les molécules détectées en analysant les raies d'absorption observées dans le spectre. Bien qu'une telle absorption moléculaire soit intrinsèquement faible, les capteurs optiques peuvent améliorer considérablement l'absorption moléculaire en utilisant des nanostructures appropriées sur la surface de l'appareil pour confiner la lumière dans de très petits volumes (appelés points chauds), ce qui conduit à une très grande intensité lumineuse. Ce faisant, chaque molécule dans les points chauds peut absorber beaucoup plus de lumière dans un intervalle de temps donné qu'une molécule en dehors des points chauds, qui permet de mesurer de très faibles quantités de substances chimiques ou biologiques avec une grande fiabilité, si suffisamment de molécules sont situées dans les points chauds. Cette approche générale est également appelée absorption infrarouge améliorée en surface (SEIRA).

Cependant, un problème clé pour la plupart des capteurs optiques SEIRA est que les points chauds n'occupent qu'une infime partie de la surface totale de l'appareil. D'autre part, les molécules d'analyte sont généralement réparties de manière aléatoire sur la surface du dispositif, et donc seulement une petite fraction de toutes les molécules d'analyte sont situées dans les points chauds et contribuent à l'absorption de lumière améliorée. "Le signal SEIRA serait beaucoup plus important si la plupart des molécules d'analyte pouvaient être délivrées dans les points chauds d'un capteur optique. C'est la principale motivation de notre conception de capteur optique." dit le Dr Liu.

« Il existe des techniques, tels que les pincettes optiques et la diélectrophorèse, qui peut manipuler de petites particules ou même des molécules et les livrer à des emplacements cibles tels que les points chauds. Cependant, ces techniques nécessitent une quantité importante d'énergie et sont également compliquées à utiliser. » Le Dr Liu a ajouté, "Ce que nous avons entrepris d'explorer est une structure de dispositif capable de piéger les molécules d'analyte précipitées d'une solution dans les points chauds de manière passive (ne nécessitant aucun apport d'énergie) et efficace, et nous avons réalisé que nous pouvons utiliser la tension superficielle du liquide pour atteindre cet objectif."

En plus de la démonstration de la détection de biomolécules à haute sensibilité, l'équipe a également mené une autre série d'expériences, qui a montré que le même type de structure de dispositif permettait également de piéger efficacement les particules de liposomes (dimension caractéristique d'environ 100 nm) dans les minuscules tranchées. Cela signifie que de tels capteurs optiques peuvent être optimisés pour détecter et analyser des nano-objets tels que des virus ou des exosomes, qui ont des tailles similaires à celles des liposomes utilisés dans les expériences.

Les scientifiques pensent que la stratégie de conception de capteurs optiques SEIRA démontrée peut également être appliquée à d'autres types de capteurs optiques. Outre les applications de détection, de telles structures de dispositifs peuvent également être utilisées pour manipuler des objets à l'échelle nanométrique, notamment des exosomes, virus et points quantiques.