De nouveaux yeux pour un nez optoélectronique

Publié par Redbran le 25/05/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG
Pour améliorer les performances du nez optoélectronique, des chercheurs de l'Irig étudient l'influence de la longueur d'onde de LED sur la sensibilité des prismes d'imagerie SPR en phase gazeuse. Ils analysent également l'effet des différentes couches métalliques déposées sur ces prismes en terme de performance optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Ils développent un modèle théorique et établissent une nouvelle méthode de caractérisation des performances optiques de ces prismes.


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 mécanique à la...) de l'or déposé sur le prisme SPR. L'information sur la rugosité de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...), 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...) 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...) 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...) 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 surveillance des composés organiques volatils (COV) est devenue une préoccupation, notamment dans le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la qualité de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...), dans les procédés industriels, la sécurité publique, la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.), etc. Les 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 surplombant, recouvre l'orifice des fosses nasales, qui constituent le...) électroniques sont des candidats prometteurs pour une analyse et une surveillance de ces composés omniprésents dont certains sont nocifs à l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre...) et parfois dangereux pour la santé humaine. La 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...) de plasmons de surface (SPR) est une technique optique largement utilisée dans le développement de biocapteurs pour la détection de composés chimiques et biologiques. L'utilisation de l'imagerie SPR en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse est novatrice et intéressante en raison de ses capacités de détection multiparamétriques particulièrement adaptée à la détection de COV.

Dans le but d'améliorer les performances du nez optoélectronique, des chercheurs de notre institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) se proposent d'étudier les aspects fondamentaux liés à l'optique tels que 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...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...), la température et l'épaisseur des dépôts métalliques sur le prisme SPR. Pour ce faire, ils ont étudié l'influence de la longueur d'onde de la source lumineuse (généralement une LED) sur la sensibilité du système [1]. Une étude théorique complète a été corroborée par une étude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...) connexe. Dans la gamme de longueurs d'onde étudiée (530 nm à 740 nm), ils ont ainsi mis en évidence une augmentation de la sensibilité à mesure que la longueur d'onde augmente, avec une bonne cohérence entre les résultats théoriques et expérimentaux. Avec la longueur d'onde optimale des LED, les limites de détection de leur nez optoélectronique sont de l'ordre du ppb (partie par milliard) pour des COV tels que le 1-butanol, limites qui sont similaires à celles du nez humain.

Pour aller plus loin dans la caractérisation optique, les chercheurs ont analysé l'effet des différentes couches métalliques déposées sur les prismes SPR en termes de performances optiques [2]. Ils ont développé un modèle théorique prenant en compte chaque épaisseur des couches métalliques mesurées lors du dépôt (réalisé à la Plateforme Technologique Avancée du CEA) ainsi que la rugosité de surface telle qu'analysée par microscopie à force atomique (réalisé à la Plate-Forme de Nano-Caractérisation du CEA). Afin de comparer la théorie aux expériences, ils ont établi une nouvelle méthode de caractérisation des performances optiques des prismes d'imagerie SPR en phase gazeuse. Cette méthode permet d'obtenir une mesure générique de la 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 :...) porteurs. Les sensibilités expérimentales ainsi obtenues se comparent 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 donc pas aux étendues de sable fin ; on trouve...) de température allant de 5 °C à 45 °C.

Ces résultats sont importants pour l'utilisation des nez optoélectroniques en condition réelle et notamment sur le terrain afin d'envisager des mesures correctives lors des variations saisonnières ou régionales de températures.

Note:
Avec le soutien de la Fondation Nanosciences (thèse de J. Weerakkody), du Labex Arcane (post-doc de F.-X. Gallat), de la DGA et le CEA (thèse de S. Brenet) mais également de BPI France (FUI WISE) et de la société Aryballe Technologies.


Références:
[1] Weerakkody JS, Brenet S, Livache T, Herrier C, Hou Y and Buhot A. Optical index prism sensitivity of Surface Plasmon Resonance Imaging in gas phase: Experiment versus theory. The Journal of Physical Chemistry, 2020
[2] Brenet S, Weerakoddy JS, ABuhot A, Gallat FX, Mathey R, Leroy L, Livache T, Herrier C and Hou Y. Improvement of sensitivity of surface plasmon resonance imaging for the gas-phase detection of volatile organic compounds. Talanta, 2020
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