Grâce à un cristal photonique ultrasensible, les chercheurs de TU/e ont pu détecter des particules uniques mesurant jusqu'à 50 nanomètres de diamètre. La nouvelle recherche vient d'être publiée dans la revue Optica .
Qu'ont en commun la lave volcanique, la fumée d'incendie, les gaz d'échappement des automobiles et le toner d'imprimante ? Ce sont tous des sources de particules ultrafines, des particules d'un diamètre inférieur à 100 nanomètres, qui peuvent présenter de graves risques pour la santé en cas d'inhalation.
En raison de leur petite taille, les nanoparticules ultrafines sont difficiles à détecter et à mesurer sans équipement coûteux et parfois encombrant. Pour surmonter ces problèmes, nos chercheurs ont conçu un nouveau capteur à pointe de fibre ultra-sensible capable de détecter des particules uniques d'un diamètre allant jusqu'à 50 nanomètres. À l'avenir, le nouveau capteur sera utilisé dans des études visant à contrôler et évaluer la qualité de l'air intérieur dans les écoles.
Les nanoparticules font partie intégrante du monde quotidien dans lequel nous vivons. Par exemple, dans les tests médicaux, des appareils sont disponibles pour vérifier la présence de nanoparticules telles que des agents pathogènes et des biomarqueurs de maladies telles que le cancer.
Et dans le développement de médicaments, une multitude de nanoparticules sont utilisées pour fabriquer les systèmes d'administration de médicaments du futur.
Une classe de nanoparticules qui suscite beaucoup d'attention en raison de son lien avec l'air que nous respirons est la particule ultrafine (UFP), une particule dont le diamètre est inférieur à 100 nanomètres (nm).
L'exposition aux PUF, que l'on peut trouver dans la fumée, les gaz d'échappement et même dans les toners d'imprimantes, peut présenter de graves risques pour la santé, surtout si ces particules sont directement inhalées.
"Lorsque les PUF se logent dans les poumons, cela peut présenter un risque grave pour la santé, car une fois dans les poumons, ils peuvent absorber les toxines que nous pourrions respirer dans l'air qui nous entoure. Par conséquent, ces toxines restent dans le corps", explique Arthur Hendriks, Ph.D. chercheur au Département de physique appliquée et d’enseignement des sciences. "Donc, pour éviter cela, des moyens précis de détection des PUF sont nécessaires afin de surveiller la qualité de l'air intérieur."
Par exemple, la recherche sur la qualité de l'air intérieur est à l'avant-garde du projet LEARN d'Horizon Europe, qui cherche à contrôler et à évaluer la qualité de l'air intérieur dans les écoles et à évaluer l'impact de la qualité de l'air sur la santé des enfants. pour détecter les UFP.
Mais détecter les PUF est plus facile à dire qu'à faire, et ironiquement, la détection de particules aussi petites repose sur l'utilisation d'équipements volumineux et coûteux.
"Les appareils volumineux et coûteux ne sont pas la solution. Nous avons besoin d'appareils petits, compacts, précis et bon marché pour faciliter la détection des PUF dans les usines, les hôpitaux, les bureaux et les écoles", note Hendriks.
Alors, quel est l’état de l’art aujourd’hui ? "Il existe des capteurs basés sur des technologies à fibre optique qui peuvent mesurer les liquides et les gaz avec une bonne précision. Mais ces capteurs ne sont pas adaptés à la mesure de petites particules comme les UFP et leur application est donc limitée en ce sens", explique Hendriks.
Les technologies « laboratoire sur fibre » ont été utilisées pour détecter des cellules biologiques à l'échelle micrométrique (1 000 fois plus grande que l'échelle nanométrique). "Mais cette technologie ne peut pas détecter des nanoparticules uniques de taille similaire aux UFP", explique Hendriks.
Pour répondre à la demande d'une nouvelle technologie de détection UFP, Hendriks et ses collaborateurs TU/e, parmi lesquels Andrea Fiore, professeur au Département de physique appliquée et d'enseignement scientifique, ont développé un capteur nanophotonique à pointe de fibre sensible à de minuscules changements dans le environnement autour du capteur, à tel point qu'il peut détecter une seule nanoparticule de la même taille que les UFP.
"La conception de notre capteur est petite et compacte et, plus important encore, elle indique clairement quand une détection a eu lieu", explique Hendriks.
Les travaux des chercheurs sur les capteurs reposent sur un cristal photonique, une structure périodique ou répétitive capable de réfléchir la lumière dans toutes les directions. "Un défaut, ou une erreur, est ensuite ajouté au cristal, appelé cavité à cristal photonique, ou PhCC en abrégé", explique Hendriks.
Un PhCC permet à la lumière d'être piégée dans le cristal pendant une période prolongée. Hendriks explique :« Essentiellement, c'est quelque chose que nous appelons le facteur Q, qui mesure la capacité de la lumière à être piégée dans le défaut au fil du temps. Dans notre cas, la lumière est confinée à un petit volume, situé en dessous de celui-ci. 1 µm 3 . C'est ce qu'on appelle le volume modal, et pour mesurer de minuscules nanoparticules, celui-ci doit être très petit."
Les chercheurs ont pu placer le PhCC sur la pointe d'une fibre grâce à une méthode développée par le groupe d'Andrea Fiore en 2020. Lorsqu'une minuscule particule s'approche du PhCC dans le cristal, elle perturbe la cavité en modifiant son indice de réfraction. "Ainsi, la minuscule particule modifie la longueur d'onde de la lumière piégée dans la cavité, et nous mesurons ce changement."
Le principal défi auquel les chercheurs ont été confrontés était que les cavités standard ne pouvaient pas être lues à l'aide de fibres. Une cavité standard sur une fibre n'aurait pas fonctionné car la lumière provenant de la fibre ne se couplerait pas à la cavité.
Le scénario rêvé pour les chercheurs était d’optimiser les facteurs clés de l’appareil. Premièrement, un facteur Q élevé était nécessaire pour permettre un suivi plus précis de la longueur d’onde de la cavité. Deuxièmement, un petit volume mode était nécessaire car cela permet la détection de particules plus petites. Troisièmement, une efficacité de couplage plus élevée était nécessaire pour garantir que la lumière provenant de la fibre puisse se coupler à la cavité et inversement, permettant ainsi de mesurer la longueur d'onde de la cavité à travers la fibre.
Pour résoudre tous ces défis, les chercheurs ont utilisé une méthode développée par des chercheurs de l'Université de Stanford pour optimiser simultanément des facteurs tels que le facteur Q, le volume de mode et l'efficacité du couplage.
"Notre configuration offre une sensibilité sans précédent par rapport aux technologies précédentes", souligne Hendriks. "Grâce au capteur, nous avons pu détecter en temps réel des UFP uniques d'un diamètre aussi faible que 50 nanomètres. À mon avis, c'est tout simplement stupéfiant."
La prochaine étape pour Hendriks et ses collègues consiste à suspendre les cavités afin que le facteur de qualité et l'efficacité de couplage soient encore plus élevés, ce qui pourrait aboutir à des cavités nanophotoniques présentant les meilleures caractéristiques de leur catégorie, mais toujours lisibles à travers la fibre.
"Notre approche pourrait être utilisée pour détecter des particules encore plus petites. Ou même dans d'autres applications comme les émetteurs de photons uniques et les capteurs nano-optomécaniques", explique Hendriks. "Et une application supplémentaire de cette nouvelle approche pourrait même être la détection de molécules biologiques uniques."
La prochaine étape pour le capteur UFP sera le projet européen LEARN, qui vise à contrôler et évaluer la qualité de l'air dans les écoles, et il sera réalisé en collaboration avec le groupe Microsystèmes de la TU/e.
Plus d'informations : Arthur L. Hendriks et al, Détection de nanoparticules uniques à l'aide de la nanophotonique à pointe de fibre, Optica (2024). DOI :10.1364/OPTICA.516575
Informations sur le journal : Optique
Fourni par l'Université de technologie d'Eindhoven
