De bons yeux pour un nez opto-électronique !

Publié par Redbran le 22/06/2020 à 13:00
Source: CEA
Une équipe du CEA-Irig a passé au crible le dispositif optique de "lecture" du nez opto-électronique qu'elle a développé et qui est aujourd'hui commercialisé par la start-up Aryballe Technologies. Ce nez peut désormais être utilisé sur le terrain au maximum de ses performances.

La technique appelée "Imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait...) par résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système n'est pas trop...) de plasmons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...)" (SPRI) est largement utilisée pour la détection de composés chimiques et biologiques en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Elle permet d'observer en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel, grâce à un dispositif optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), la formation de liaisons sélectives entre des ligands fixés sur une surface métallique et des molécules à détecter. Ces liaisons induisent une variation ténue d'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme...) à proximité du dépôt métallique. Dans une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) particulière, celle-ci peut cependant être observée avec une LED et un prisme en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) dont une face est recouverte d'un dépôt métallique: la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge)....) de la LED est plus ou moins réfléchie ou absorbée à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) verre-métal suivant l'état lié ou non des ligands.


Schéma de principe du dispositif optique pour l'imagerie SPR.
Le chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) (Cr) et le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) (Ti) ont été testés comme métaux pour la couche d'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une résistance...) de l'or déposé sur le prisme SPR. L'information sur la rugosité de la surface, analysée par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) atomique, est utilisée dans le modèle pour prédire la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de réflectivité en fonction de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'incidence. La sensibilité à l'indice optique est obtenue en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) entre 5 °C et 45 °C. Un accord quantitatif entre théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) (courbes rouges) et expériences (points noirs) est observé.

La déclinaison en phase gazeuse de la SPRI est particulièrement intéressante pour identifier des composés organiques volatils (COV) car elle autorise une très grande variété de récepteurs et peut donc "mimer" le fonctionnement du nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de la lèvre supérieure et qui, en le...) humain, capable de discriminer jusqu'à 10 000 odeurs mélangées grâce à quelque quatre cents types différents de récepteurs olfactifs.

Le capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique,...) SPRI (ou nez optoélectronique) développé par les chercheurs de l'Irig compte des dizaines de capteurs moléculaires individuels qui lui permettent d'identifier d'innombrables signatures odorantes. Depuis 2018, il est commercialisé pour contrôler les odeurs à l'intérieur des automobiles ou l'innocuité de procédés industriels par la start-up Aryballe Technologies, créée en 2014.

Or cet appareil, qui a vocation à être déployé sur le terrain, est exposé à des variations de température de grande amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) qui peuvent affecter ses performances. Pour y remédier, les scientifiques ont étudié l'influence de la température et celles de paramètres optiques comme la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) de la LED et l'épaisseur des dépôts métalliques sur le prisme.

Dans la gamme de 530 nm à 740 nm, ils montrent que la sensibilité du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille. On...) augmente avec la longueur d'onde, avec un bon accord entre modélisation et expérience. À l'optimum, la limite de détection est de l'ordre de dizaines de parties par milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) (ppb) pour des COV tels que le 1-butanol. Une performance proche de celle du nez humain !

Ils ont ensuite caractérisé les différentes couches métalliques déposées sur le prisme: ils ont mesuré leur épaisseur - pendant le dépôt à la Plateforme technologique amont de Minatec - et leur rugosité (par microscopie à force atomique) à la Plateforme de nano-caractérisation du CEA. Pour confronter théorie et expérience, ils ont dû définir une nouvelle méthode de caractérisation conduisant à une sensibilité indépendante de la nature des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...) "porteurs" de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...). Les sensibilités mesurées ont ainsi pu être comparées quantitativement aux résultats théoriques - sans paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) ajustable - sur une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite...) de température allant de 5°C à 45°C.

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de ces résultats permet d'améliorer la sensibilité du nez optoélectronique pour un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) sur le terrain: des mesures correctives peuvent être envisagées dans le cas de variations importantes de température, saisonnières ou régionales.

Références

Optical index prism sensitivity of Surface Plasmon Resonance Imaging in gas phase: Experiment versus theory, The Journal of Physical Chemistry

Improvement of sensitivity of surface plasmon resonance imaging for the gas-phase detection of volatile organic compounds, Talanta
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