Augmenter la sensibilité de biocapteurs grâce à un matériau à changement de phase

Publié par Isabelle le 20/09/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
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© Springer Nature licence Creative Commons
Une équipe du laboratoire XLIM a réussi à augmenter d'un facteur mille la sensibilité de capteurs à résonance plasmonique de surface, qui pourraient notamment être utilisés pour la détection précoce de nombreuses maladies.

Les capteurs à résonance plasmonique de surface (SPR) constituent actuellement la référence en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) de biodétection sans marquage. Ils permettent de suivre en temps réel des interactions chimiques et biomoléculaires, et ont trouvé des applications dans le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la qualité des aliments, la surveillance de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), mais aussi le dépistage (Le dépistage, en médecine, consiste en la recherche d'une ou de plusieurs maladies ou...) et le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de...) précoce des maladies.

Pourtant, bien que commercialisés depuis plus de vingt ans, ces capteurs SPR ont des limites qui restreignent leur usage, notamment dans le domaine biomédical. Ainsi, la limite de sensibilité de la SPR ne lui permet pas de détecter des molécules biologiques et chimiques à faible concentration (c'est-à-dire -15 mol/L) dans des matrices complexes telles que l'urine, la salive et le sérum sanguin. Or, la capacité à détecter des biomarqueurs spécifiques à des niveaux de concentration extrêmement faibles est essentielle pour le diagnostic précoce de diverses maladies humaines.

C'est pour combler cette lacune qu'une équipe du laboratoire XLIM (CNRS/Univ. Limoges)1 a développé un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) SPR à très haute sensibilité pour détecter le facteur de nécrose tumorale (TNF-α), un biomarqueur largement utilisé pour identifier plusieurs maladies humaines, y compris les troubles inflammatoires tels que les maladies intestinales, l'ostéoarthrite, l'arthrite rhumatoïde, ainsi que les tumeurs malignes telles que le cancer de la bouche (Les expressions cancer de la bouche ou cancer de la cavité buccale désignent toutes les...) et du sein. D'infimes quantités de cette protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...) circulent dans le sang, et la mesure précise de sa concentration est un défi technologique. Ces résultats sont publiés dans la revue Nano-Micro Letters.


Schéma du capteur SPR fondé sur une fine couche de GST et une couche d'or déposées sur un substrat en verre (à gauche). Variation de la phase de l'onde optique induite par le capteur comparé avec un capteur SPR fondé sur seulement une couche d'or (au centre). Détection en temps réel du biomarqueur TNF-α (à droite).
© Imprimé avec la permission de Springer Nature sous la licence Creative Commons

Dans un capteur SPR, une onde d'électrons est créée à la surface d'un métal par une excitation optique. Cette onde est très sensible au milieu dans lequel elle se propage, ce qui permet de détecter la présence de molécules à la surface du capteur. Pour augmenter la sensibilité du capteur SPR, l'équipe de recherche a ajouté une couche supplémentaire ultra mince d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) à changement de phase GST2. Cette couche nanométrique a été réalisée par pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa...) magnétron sur un mince film d'or. Elle a pour propriété d'absorber complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) l'onde optique incidente, ce qui augmente nettement la sensibilité.

Ainsi, le nouveau capteur est capable de mesurer des concentrations de l'ordre de 10-15 mole par litre, soit une sensibilité mille fois supérieure à celle des capteurs SPR actuels.

L'équipe poursuit ses travaux afin d'améliorer la spécificité du capteur pour différents biomarqueurs. Un projet se focalise sur l'utilisation du nouveau capteur pour détecter la présence de biomarqueurs de cancers, en collaboration avec le laboratoire CAPTuR de l'université de Limoges.

Notes:
1 - En collaboration avec: Department of Biomedical Engineering, The Chinese University of Hong Kong, (Chine) Department of Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia University, New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de...) (Etats-Unis) Institute for Integrative Nanosciences, IFW Dresden (Allemagne) Faculté de médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Limoges (France)
2 - Un matériau à changement de phase comme GST (Ge2Sb2Te5) peut passer de l'état amorphe à l'état cristallin sous l'action d'une impulsion optique, ce qui modifie sensiblement ses propriétés optiques.


Références:
Targeted Sub-Attomole Cancer Biomarker Detection Based on Phase Singularity 2D Nanomaterial-Enhanced Plasmonic Biosensor
Y. Wang, S. Zeng, A. Crunteanu, Z. Xie, G. Humbert, L. Ma, Y. Wei, A. Brunel, B. Bessette, J-C. Orlianges, F. Lalloué, O. G. Schmidt, N. Yu & H-P. Ho.
Nano-Micro Letters 2021
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-021-00613-7
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contacts:
- Shuwen Zeng - Chargée de recherche CNRS, Laboratoire Xlim (CNRS/ Université de Limoges) - shuwen.zeng at xlim.fr
- Communication INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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