À l'aide de nanotubes de carbone, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hyung Gyu Park en collaboration avec le Dr Tiziana Bond a développé un capteur qui amplifie considérablement la sensibilité des méthodes spectroscopiques vibrationnelles couramment utilisées mais généralement faibles, comme la spectroscopie Raman. Ce type de capteur permet de détecter des molécules présentes dans des concentrations infimes.

Des scientifiques de l'ETH Zurich et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie ont développé un capteur innovant pour la spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS). Grâce à ses propriétés de surface uniques à l'échelle nanométrique, la méthode peut être utilisée pour effectuer des analyses plus fiables, sensible et rentable. Dans les expériences avec le nouveau capteur, les chercheurs ont pu détecter une certaine espèce organique (1, 2bis(4-pyridyl)éthylène, ou BPE) à une concentration de quelques centaines de femtomoles par litre. Une solution de 100 femtomolaires contient environ 60 millions de molécules par litre.

Jusqu'à maintenant, la limite de détection des systèmes SERS courants était de l'ordre du nanomolaire, c'est-à-dire un milliardième de mole. Les résultats d'une étude menée par Hyung Gyu Park, Professeur de technologie énergétique à l'ETH Zurich, et Tiziana Bond, Capability Leader chez LLNL, ont été publiés cette semaine en couverture de la revue scientifique Matériaux avancés .

La spectroscopie Raman tire parti du fait que les molécules illuminées par la lumière à fréquence fixe présentent une diffusion « inélastique » étroitement liée aux modes vibrationnels et rotationnels excités dans les molécules. La lumière diffusée Raman diffère de la lumière diffusée Rayleigh commune en ce qu'elle a des fréquences différentes de celle de la lumière irradiante et produit un modèle de fréquence spécifique pour chaque substance examinée, permettant d'utiliser ces informations spectrales comme une empreinte digitale pour détecter et identifier des substances spécifiques. Pour analyser des molécules individuelles, les signaux de fréquence doivent être amplifiés, ce qui nécessite que la molécule en question soit présente en forte concentration ou située à proximité d'une surface métallique qui amplifie le signal. D'où le nom de la méthode :spectroscopie Raman à surface augmentée.

Signaux amplifiés pour une reproductibilité améliorée

« Cette technologie existe depuis des décennies, " explique Ali Altun, doctorant dans le groupe dirigé par Park à l'Institute of Energy Technology. Avec les capteurs SERS d'aujourd'hui, cependant, la force du signal n'est adéquate que dans des cas isolés et donne des résultats avec une faible reproductibilité. Altun, Bond et Park se sont donc fixé pour objectif de développer un capteur qui amplifie massivement les signaux de la lumière diffusée par Raman.

Le substrat de choix s'est avéré être disposé verticalement, cespiteux, des nanotubes de carbone densément emballés (CNT) qui garantissent cette haute densité de « points chauds ». Le groupe a développé des techniques pour faire pousser des forêts denses de NTC de manière uniforme et contrôlée. La disponibilité de cette expertise a été l'une des principales motivations pour utiliser les nanotubes comme base de capteurs SERS hautement sensibles, dit Parc.

Une surface en forme de spaghetti

Les pointes des NTC sont fortement incurvées, et les chercheurs ont recouvert ces pointes d'or et de dioxyde d'hafnium, un matériau isolant diélectrique. Le point de contact entre la surface du capteur et l'échantillon ressemble ainsi à une assiette de spaghetti nappée de sauce. Cependant, entre les brins de spaghetti, il y a de nombreux trous disposés au hasard qui laissent passer la lumière diffusée, et les nombreux points de contact — les « points chauds » — amplifient les signaux.

« Une méthode pour fabriquer des capteurs SERS hautement sensibles consiste à tirer parti des points de contact des nanofils métalliques, " explique Park. La structure nano-spaghetti avec des pointes NTC métallisées est parfaite pour maximiser la densité de ces points de contact.

En effet, Bond explique, la large distribution des nano-crevasses métalliques dans la gamme nanométrique, bien reconnu pour être responsable de l'amélioration électromagnétique extrême (ou points chauds) et très recherché par de nombreux groupes de recherche, a été facilement et facilement réalisé par l'équipe, résultant en des améliorations intenses et reproductibles.

Le capteur diffère des autres capteurs SERS ultra-sensibles comparables non seulement en termes de structure, mais aussi en raison de son processus de production relativement peu coûteux et simple et de la très grande surface des structures 3D produisant une intense, signal uniforme.

Une percée à deux niveaux

Initialement, les chercheurs n'ont recouvert que les pointes des NTC avec de l'or. Les premières expériences avec la molécule test BPE leur ont montré qu'ils étaient sur la bonne voie, mais que la limite de détection ne pouvait pas être réduite au degré qu'ils avaient espéré. Finalement, ils ont découvert que les électrons nécessaires à la surface de la couche d'or pour générer ce que l'on appelle la résonance plasmon s'écoulaient via les nanotubes de carbone conducteurs. La tâche était alors de comprendre comment empêcher cette fuite d'énergie plasmonique.

Les chercheurs ont enduit les NTC d'oxyde d'hafnium, un matériau isolant, avant d'appliquer une couche d'or. "C'était la percée, " dit Altun. La couche d'isolation a augmenté la sensibilité de son substrat de capteur d'un facteur 100, 000 dans l'unité de concentration molaire.

"Pour nous en tant que scientifiques, ce fut un moment de triomphe, " acquiesce Park, "et cela nous a montré que nous avions fait la bonne hypothèse et une conception rationnelle."

La clé du succès du développement du capteur était donc double :d'une part, c'était leur décision de continuer à utiliser les NTC, dont la morphologie est essentielle pour maximiser le nombre de « points chauds », et d'autre part, c'était le fait que ces nanotubes étaient à double revêtement.

Park et Bond aimeraient maintenant aller plus loin et mettre leur nouveau principe sur le marché, mais ils sont toujours à la recherche d'un partenaire industriel. Prochain, ils veulent continuer à améliorer la sensibilité du capteur, et ils recherchent également des domaines d'application potentiels. Park envisage l'installation de la technologie dans des appareils portables, par exemple pour faciliter l'analyse sur site des impuretés chimiques telles que les polluants environnementaux ou les résidus pharmaceutiques dans l'eau. Il souligne que l'invention d'un nouveau dispositif n'est pas nécessaire; il est simple d'installer le capteur de manière appropriée.

D'autres applications potentielles incluent les enquêtes médico-légales ou les applications militaires pour la détection précoce d'armes chimiques ou biologiques, application biomédicale pour la surveillance en temps réel des niveaux physiologiques au point de service, et le dépistage rapide des drogues et des toxines dans le domaine de l'application de la loi.