Une nouvelle technologie d'imagerie mesure rapidement les compositions chimiques des solides. Une image conventionnelle d'un échantillon de pilule est montrée à gauche; à droite, regarder la même surface avec des fréquences térahertz révèle divers ingrédients sous forme de couleurs différentes. De telles images faciliteraient le contrôle de la qualité et le développement dans la fabrication pharmaceutique, ainsi que le diagnostic médical et le traitement. Crédit :Sterczewski et al.
Dans une étape majeure vers le développement de scanners portables capables de mesurer rapidement des molécules dans les produits pharmaceutiques ou de classer les tissus de la peau des patients, des chercheurs ont créé un système d'imagerie qui utilise des lasers suffisamment petits et efficaces pour tenir sur une micropuce.
Le système émet et détecte des rayonnements électromagnétiques à des fréquences térahertz, supérieures aux ondes radio mais inférieures à la lumière infrarouge à ondes longues utilisée pour l'imagerie thermique. L'imagerie utilisant le rayonnement térahertz est depuis longtemps un objectif pour les ingénieurs, mais la difficulté de créer des systèmes pratiques qui fonctionnent dans cette gamme de fréquences a bloqué la plupart des applications et a abouti à ce que les ingénieurs appellent « l'écart térahertz ».
"Ici, nous avons une technologie révolutionnaire qui n'a aucune pièce mobile et utilise l'émission directe de rayonnement térahertz à partir de puces semi-conductrices, " a déclaré Gérard Wysocki, professeur agrégé de génie électrique à l'Université de Princeton et l'un des chefs de file de l'équipe de recherche.
Le rayonnement térahertz peut pénétrer des substances telles que les tissus et les plastiques, est non ionisant et donc sans danger pour un usage médical, et peut être utilisé pour visualiser des matériaux difficiles à imager à d'autres fréquences. Le nouveau système, décrit dans un article publié dans le numéro de juin de la revue Optique , peut rapidement sonder l'identité et l'arrangement des molécules ou exposer les dommages structurels aux matériaux.
L'appareil utilise des faisceaux de rayonnement stables à des fréquences précises. La configuration est appelée un peigne de fréquence car elle contient plusieurs « dents » qui émettent chacune une fréquence différente, fréquence de rayonnement bien définie. Le rayonnement interagit avec les molécules de l'échantillon. Une structure à double peigne permet à l'instrument de mesurer efficacement le rayonnement réfléchi. Des motifs uniques, ou des signatures spectrales, dans le rayonnement réfléchi permettent aux chercheurs d'identifier la composition moléculaire de l'échantillon.
Alors que les technologies d'imagerie térahertz actuelles sont coûteuses à produire et lourdes à exploiter, le nouveau système est basé sur une conception de semi-conducteur qui coûte moins cher et peut générer de nombreuses images par seconde. Cette vitesse pourrait le rendre utile pour le contrôle qualité en temps réel des comprimés pharmaceutiques sur une ligne de production et d'autres utilisations rapides.
"Imaginez que toutes les 100 microsecondes une tablette passe, et vous pouvez vérifier s'il a une structure cohérente et s'il y a assez de chaque ingrédient que vous attendez, " a déclaré Wysocki.
Comme preuve de concept, les chercheurs ont créé un comprimé avec trois zones contenant des ingrédients inertes courants dans les produits pharmaceutiques - des formes de glucose, lactose et histidine. Le système d'imagerie térahertz a identifié chaque ingrédient et a révélé les frontières entre eux, ainsi que quelques endroits où un produit chimique s'était répandu dans une zone différente. Ce type de "point chaud" représente un problème fréquent dans la production pharmaceutique qui se produit lorsque l'ingrédient actif n'est pas correctement mélangé dans un comprimé.
L'équipe a également démontré la résolution du système en l'utilisant pour imager un quartier américain. Des détails fins comme les plumes des ailes de l'aigle, aussi petit qu'un cinquième de millimètre de large, étaient clairement visibles.
Alors que la technologie rend l'utilisation industrielle et médicale de l'imagerie térahertz plus réalisable qu'auparavant, il nécessite encore un refroidissement à basse température, un obstacle majeur pour les applications pratiques. De nombreux chercheurs travaillent désormais sur des lasers qui fonctionneront potentiellement à température ambiante. L'équipe de Princeton a déclaré que sa technique d'imagerie hyperspectrale à double peigne fonctionnerait bien avec ces nouvelles sources laser à température ambiante, qui pourrait alors ouvrir de nombreuses autres utilisations.
Parce qu'il est non ionisant, Le rayonnement térahertz est sans danger pour les patients et pourrait potentiellement être utilisé comme outil de diagnostic du cancer de la peau. En outre, la capacité de la technologie à imager le métal pourrait être appliquée pour tester les dommages des ailes d'avion après avoir été heurté par un objet en vol.
En plus de Wysocki, les auteurs de l'article à Princeton sont l'ancien étudiant diplômé invité Lukasz Sterczewski (actuellement chercheur postdoctoral au Jet Propulsion Laboratory de la NASA) et le chercheur associé Jonas Westberg. Les autres co-auteurs sont Yang Yang, David Burghoff et Qing Hu du Massachusetts Institute of Technology; et John Reno de Sandia National Laboratories. Le soutien à la recherche a été fourni en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency et le département américain de l'Énergie.
