Principe du capteur. Crédit :Dmitry Fedyanin et Yury Stebunov
Deux jeunes chercheurs travaillant au Laboratoire de Nanooptique et Plasmonique MIPT, Dmitry Fedyanin et Yury Stebunov, ont développé un ultracompact, capteur nanomécanique très sensible pour analyser la composition chimique de substances et détecter des objets biologiques, tels que les marqueurs de maladies virales, qui apparaissent lorsque le système immunitaire réagit à des maladies incurables ou difficiles à guérir, y compris le VIH, hépatite, herpès, et plein d'autres. Le capteur permettra aux médecins d'identifier les marqueurs tumoraux, dont la présence dans l'organisme signale l'émergence et la croissance de tumeurs cancéreuses.
La sensibilité du nouvel appareil se caractérise au mieux par une caractéristique clé :selon ses développeurs, le capteur peut suivre en temps réel des changements de quelques kilodaltons dans la masse d'un cantilever. Un Dalton est à peu près la masse d'un proton ou d'un neutron, et plusieurs milliers de Daltons sont la masse de protéines individuelles et de molécules d'ADN. Ainsi, le nouveau capteur optique permettra de diagnostiquer les maladies bien avant qu'elles ne puissent être détectées par une autre méthode, qui ouvrira la voie à une nouvelle génération de diagnostics.
Le dispositif, décrit dans un article publié dans la revue Rapports scientifiques , est un optique ou, plus précisément, puce optomécanique. « Nous suivons depuis longtemps les progrès réalisés dans le développement des biocapteurs micro et nanomécaniques, et peut dire que personne n'a été en mesure d'introduire une technologie simple et évolutive pour une surveillance parallèle qui serait prête à être utilisée en dehors d'un laboratoire. Notre objectif n'était donc pas seulement d'atteindre la haute sensibilité du capteur et de le rendre compact, mais aussi le rendre évolutif et compatible avec les technologies standards de la microélectronique, ", ont déclaré les chercheurs.
Contrairement aux appareils similaires, le nouveau capteur n'a pas de jonctions complexes et peut être produit grâce à une technologie de processus CMOS standard utilisée en microélectronique. Le capteur n'a pas un seul circuit, et sa conception est très simple. Il se compose de deux parties :un guide nano-onde photonique (ou plasmonique) pour contrôler le signal optique, et un porte-à-faux suspendu au-dessus du guide d'ondes.
Exemple de flottant et fixé à une extrémité de la poutre - un diapason. La fréquence d'oscillation du diapason dépend de la taille et des propriétés du matériau.
Un porte-à-faux, ou poutre, est une longue et fine bande de dimensions microscopiques (5 micromètres de long, 1 micromètre de large et 90 nanomètres d'épaisseur), étroitement connecté à une puce. Pour avoir une idée de son fonctionnement, imaginez que vous appuyez fermement une extrémité d'une règle contre le bord d'une table et que l'autre extrémité pende librement dans les airs. Si vous cassez l'extrémité libre avec votre autre main, la règle fera des oscillations mécaniques à une certaine fréquence. C'est ainsi que fonctionne le cantilever. La différence entre les oscillations de la règle et du cantilever n'est que la fréquence, qui dépend des matériaux et de la géométrie :alors que la règle oscille à plusieurs dizaines de hertz, la fréquence des oscillations du cantilever est mesurée en mégahertz. En d'autres termes, il fait quelques millions d'oscillations par seconde.
Il y a deux signaux optiques qui traversent le guide d'onde lors des oscillations :Le premier met le cantilever en mouvement, et le second permet de lire le signal contenant des informations sur le mouvement. Le champ électromagnétique inhomogène du mode optique du signal de commande transmet un moment dipolaire au cantilever, impactant le dipôle en même temps de sorte que le porte-à-faux commence à osciller.
Le signal de commande à modulation sinusoïdale fait osciller le cantilever à une amplitude allant jusqu'à 20 nanomètres. Les oscillations déterminent les paramètres du deuxième signal, dont la puissance de sortie dépend de la position du porte-à-faux.
La lumière confinée dans un résonateur sera réfléchie plusieurs fois par les miroirs, et en raison des effets des interférences, seuls certains modèles et fréquences de rayonnement seront soutenus par le résonateur, les autres étant supprimés par des interférences destructrices. En général, les diagrammes de rayonnement qui sont reproduits à chaque aller-retour de la lumière à travers le résonateur sont les plus stables, et ce sont les modes propres, connu sous le nom de modes, du résonateur.
Les modes optiques très localisés des guides nano-ondes, qui créent un fort gradient d'intensité de champ électrique, sont la clé pour induire des oscillations en porte-à-faux. Parce que les changements du champ électromagnétique dans de tels systèmes sont mesurés en dizaines de nanomètres, les chercheurs utilisent le terme « nanophotonique ». Sans le guide d'ondes nanométrique et le cantilever, la puce ne fonctionnerait tout simplement pas. On ne peut pas faire osciller un grand porte-à-faux en propageant librement la lumière, et les effets des changements chimiques à sa surface sur la fréquence d'oscillation seraient moins perceptibles.
Les oscillations en porte-à-faux permettent de déterminer la composition chimique de l'environnement dans lequel la puce est placée. C'est parce que la fréquence des vibrations mécaniques ne dépend pas seulement des dimensions et des propriétés des matériaux, mais aussi sur la masse du système oscillatoire, qui change au cours d'une réaction chimique entre le porte-à-faux et l'environnement. En plaçant différents réactifs sur le cantilever, les chercheurs le font réagir avec des substances spécifiques ou même des objets biologiques. Si vous placez des anticorps contre certains virus sur le cantilever, il va capturer les particules virales dans l'environnement analysé. Les oscillations se produiront à une amplitude plus ou moins élevée selon le virus ou la couche de substances chimiquement réactives sur le cantilever, et l'onde électromagnétique traversant le guide d'ondes sera dispersée par le cantilever différemment, qui peut être vu dans les changements de l'intensité du signal de lecture.
Les calculs effectués par les chercheurs ont montré que le nouveau capteur combinera une sensibilité élevée avec une facilité de production comparative et des dimensions miniatures, lui permettant d'être utilisé dans tous les appareils portables, comme les smartphones, électronique portable, etc. Une puce, de plusieurs millimètres, peut accueillir plusieurs milliers de ces capteurs, configuré pour détecter différentes particules ou molécules. Le prix, grâce à la simplicité du design, dépendra probablement du nombre de capteurs, étant beaucoup plus abordable que ses concurrents.
