Des capteurs ultrasensibles sur puce détectent avec précision les gaz à l’état de traces
Les capteurs de gaz traditionnels haut de gamme ont tendance à être coûteux et volumineux: leur plus gros composant est généralement un tube de verre d’un volume de 100 microlitres. Cependant, les petits capteurs peuvent manquer de fiabilité s’ils n’utilisent pas la spectroscopie pour détecter des molécules de gaz spécifiques. «Notre objectif était de mettre au point un capteur de gaz à l’état de traces ultra-sensible, capable de sentir la moindre "odeur" des molécules dispersées dans l’air», explique la coordinatrice du projet, Jana Jágerská, professeure associée à UiT The Arctic University of Norway(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Tromsø. «Les capteurs traditionnels ne sont généralement pas assez spécifiques pour les applications environnementales. Ils souffrent de dérives d’étalonnage et d’autres problèmes», note-t-elle. Le projet sCENT(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) élimine l’encombrant tube à gaz et le remplace par une micropuce associée à une cellule microfluidique miniaturisée d’à peine 20 microlitres. Le projet sCENT a été entrepris avec le soutien du Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). La cellule supérieure microfluidique amène l’échantillon de gaz à la surface de la puce pour la détection. «L’échantillon peut être aussi petit qu’un microlitre», précise-t-elle.
Utiliser la spectroscopie pour une détection précise
La spectroscopie a été combinée à la conception pionnière du guide d’ondes du projet pour la détection de gaz spécifiques. «Les différents pics d’absorption dans les spectres sont uniquement liés à des molécules chimiques différentes», explique Jana Jágerská. «La position spectrale de ces pics nous permet de savoir exactement quels gaz se trouvent dans notre échantillon, et la profondeur de ces pics nous permet de connaître la concentration de ces gaz dans l’échantillon.» Elle ajoute que le capteur est très spécifique et ne nécessite pas d’étalonnage, ce qui le rend plus fiable.
Le défi du passage à la plage plus sensible des infrarouges moyens
Le projet a travaillé sur différentes conceptions de puces afin d’intégrer la photonique des guides d’ondes où la lumière guidée interagit de manière extrêmement efficace avec les gaz environnants. Mais les chercheurs ont connu des défis techniques, notamment pour passer de l’infrarouge proche à l’infrarouge moyen: la plage contenant les empreintes spectrales des molécules. «Si vous voulez faire de la détection sensible, vous devez utiliser l’infrarouge moyen», fait remarquer Jana Jágerská. «Cependant, il s’est avéré que la gamme spectrale de l’infrarouge moyen ne se comportait pas de la même manière que la photonique du proche infrarouge [plus courante].» «Les matériaux utilisés pour la photonique dans le proche infrarouge ont d’abord semblé complètement opaques dans la plage de l’infrarouge moyen. Nous avons donc dû travailler à la modification des conceptions et des matériaux utilisés pour fabriquer les puces afin d’obtenir un dispositif fonctionnel que nous pourrions ensuite optimiser.»
Détection précise des gaz à l’état de traces
La détection de gaz à l’état de traces à des niveaux de haute précision de l’ordre de la partie par milliard (ppm) est importante pour la surveillance de l’environnement et les soins de santé. Le projet s’est concentré sur les gaz à l’état de traces tels que le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2), puis sur la détection des isotopes du CO2. «Nous avons pu détecter 300 molécules de méthane dans un milliard d’autres molécules, ce qui représente une amélioration d’un à deux ordres de grandeur par rapport à l’état de l’art», note Jana Jágerská. «Pour le CO2, nous avons amélioré la détection de quatre ordres de grandeur pour atteindre 20 ppm», ajoute-t-elle, précisant que les autres laboratoires de recherche ne parviennent généralement pas à descendre en dessous de 100 parties par million. «Cela fait de nos capteurs les meilleurs actuellement.» La sensibilité élevée facilite également la détection spécifique des isotopes du CO2. Les isotopes permettent de distinguer les émissions d’origine humaine de celles d’origine biologique et trouvent des applications dans le domaine de la recherche médicale. «Auparavant, il n’existait que des instruments haut de gamme pour la détection des isotopes. C’est la première fois qu’elle est démontrée sur une puce photonique», précise-t-elle.
La micropuce peut intégrer un dispositif de surveillance
Selon Jana Jágerská, le projet est passé de «l’état de simple idée» à la démonstration de faisabilité. Le capteur spectroscopique dans l’infrarouge moyen intégré à un laser, à une puce de détection et à une cellule microfluidique peut être incorporé à un dispositif de surveillance de l’environnement, par exemple. «Nous travaillons actuellement à l’assemblage du capteur dans un prototype», explique-t-elle. Ce travail est en cours dans le cadre du projet sCENT2 financé par l’UE.
Mots‑clés
sCENT, capteurs de gaz, photonique, dioxyde de carbone, méthane, gaz à l’état de traces, spectroscopie, proche infrarouge, infrarouge moyen, isotopes du CO2
