Une équipe de chercheurs de l'Institut des systèmes optoélectroniques et de la microtechnologie de l'Universidad Politécnica de Madrid (UPM) a conçu un biocapteur capable d'identifier des protéines et des peptides en quantités aussi faibles qu'une seule monocouche. Pour cela, une onde acoustique de surface (SAW), sorte de nano-séisme contrôlé électriquement sur une puce, est générée avec un transducteur intégré pour agir sur un empilement de matériaux 2D recouverts des biomolécules à détecter.

Comme ils le rapportent dans la revue Biosensors and Bioelectronics dans un article intitulé « Capteur plasmonique de graphène piloté par les ondes acoustiques de surface pour la prise d'empreintes digitales de biocouches ultraminces jusqu'à la limite de la monocouche », le SAW ondulerait la surface d'un empilement à base de graphène de telle manière qu'il confine la lumière infrarouge moyenne à de très petits volumes, améliorant les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique.

En particulier, des quasiparticules qui sont en partie de lumière (photons) et en partie de matière (électrons et vibrations du réseau), appelées polaritons plasmon-phonon de surface, se forment au niveau de la pile ondulée, interagissant fortement avec les molécules au sommet.

Les molécules organiques absorbent certaines longueurs d’onde de lumière dans la gamme infrarouge moyenne qui sont caractéristiques de leur composition chimique et de leur structure. Par conséquent, cet ensemble de résonances d’absorption, appelé empreinte vibratoire, permet l’identification du composé organique.

"En renforçant l'interaction entre la lumière et les biomolécules déposées au-dessus du capteur, nous serions en mesure d'identifier des analytes nécessitant de plus petites quantités, atteignant des niveaux aussi bas qu'une seule monocouche", explique Raúl Izquierdo, premier auteur de cette étude.

Selon Jorge Pedrós, scientifique principal de l'étude, "L'un des avantages de ce mécanisme est que les SAW sont activement contrôlées via une tension haute fréquence, ce qui permet de basculer facilement entre une configuration ON, dans laquelle l'interaction est augmentée, et une configuration OFF, sans aucune amélioration du signal. Ce schéma de mesure augmente la résolution du capteur."

"En plus de la conception du capteur et des calculs de ses performances, nous proposons également une méthode mathématique pour extraire des informations quantitatives apparemment cachées, augmentant ainsi la sensibilité du capteur", explique Izquierdo.

Pour cela, les molécules de l'analyte et les polaritons plasmon-phonon de surface sont modélisés comme des oscillateurs qui interagissent les uns avec les autres, alors que tous deux sont entraînés par une force externe (lumière incidente sur le capteur). Malgré sa simplicité, ce modèle reproduit bien les résultats des calculs.

En conclusion, Pedrós déclare :« Nous sommes convaincus que cette étude contribuera au développement de nouveaux dispositifs de laboratoire sur puce, combinant la capacité d'empreinte chimique de ce nouveau biocapteur piloté par SAW avec d'autres fonctionnalités acoustiques telles que la détection de masse basée sur SAW. ou le streaming et le mélange de gouttelettes dans des circuits microfluidiques."

Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.

Plus d'informations : Raúl Izquierdo-López et al, Capteur plasmonique de graphène piloté par ondes acoustiques de surface pour la prise d'empreintes digitales de biocouches ultraminces jusqu'à la limite de la monocouche, Biocapteurs et bioélectronique (2023). DOI :10.1016/j.bios.2023.115498

Informations sur le journal : Biocapteurs et bioélectronique

Jorge Pedrós - Professeur agrégé, Département d'ingénierie électronique et Institut des systèmes optoélectroniques et de la microtechnologie, Universidad Politécnica de Madrid