Un petit laboratoire sur puce analyse de très petits volumes de liquide

Fig.1 Diagramme schématique et photographie de la puce biochimique térahertz (THz) nouvellement développée. La puce est faite de GaAs, un cristal optique non linéaire, et est composée de cinq unités de métamatériau et d'un seul microcanal sur la surface. En irradiant avec un laser femtoseconde depuis la surface arrière du cristal, une source lumineuse ponctuelle THz est générée pour interagir avec la solution. Crédit :Kazunori Serita

Des scientifiques de l'Institut d'ingénierie laser de l'Université d'Osaka ont créé un prototype de système de spectroscopie optique térahertz avec une zone de détection équivalente à la section transversale de seulement cinq cheveux humains. En mesurant le décalage de la longueur d'onde de transmission maximale d'une source de rayonnement térahertz, la concentration de contaminants dissous même à l'état de trace dans une minuscule goutte d'eau peut être mesurée. Ces travaux pourraient déboucher sur des capteurs portables pour des applications telles que la détection précoce de maladies, le développement de médicaments et la surveillance de la pollution de l'eau.

La technologie des laboratoires sur puce est un domaine de recherche passionnant. La possibilité de tester des échantillons de patients au chevet du patient ou de surveiller la qualité de l'eau sur le terrain, avec un dispositif de surveillance portable est très attrayante. Cependant, il peut être difficile d'obtenir une forte sensibilité à la concentration des analytes cibles d'intérêt, en particulier lorsque les échantillons sont constitués de très petits volumes de liquide.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka a utilisé une source de rayonnement térahertz exclusive dans une puce microfluidique contenant une structure métamatérielle pour quantifier la quantité de traces de contamination dans l'eau. "A l'aide de ce système de laboratoire sur puce, nous avons pu détecter d'infimes changements dans la concentration de traces d'éthanol, de glucose ou de minéraux dans l'eau en mesurant le décalage des fréquences de résonance", explique le premier auteur, Kazunori Serita.

Fig.2 Tracés du décalage de fréquence de résonance en fonction de la concentration en minéraux dans 85 picolitres d'eau. En observant l'ampleur du décalage par rapport à la fréquence de résonance de l'eau pure, le soluté peut être détecté avec une sensibilité de 472 attomoles. Crédit :Kazunori Serita

Le I-design se compose d'une bande métallique avec un espace de taille micrométrique prise en sandwich par d'autres bandes métalliques. Il est périodiquement disposé en une rangée de cinq unités, qui formaient une sorte de « méta-atome », dans lequel le pic de transmission optique variait en fonction de la présence de traces de contamination par des molécules dissoutes. This device is an application of the point terahertz source technology previously developed at Osaka University. A tiny source of terahertz light was generated by the irradiation spot of a femtosecond-pulse laser beam that induces a tightly confined electric-field mode at the gap regions. It then modifies the resonance frequency when a microchannel fabricated in the space between the metallic strips is filled with the sample solution.

"We succeeded in detecting just 472 attomoles of solutes in solutions with volumes of less than 100 picoliters, which is an order of magnitude better than existing microfluidic chips," senior author Masayoshi Tonouchi says. This work can lead to significant improvements in portable sensing, both in terms of sensitivity and the amount of liquid required.

The study is published in the Journal of Physics:Photonics . + Explorer plus loin