De bons yeux pour un nez opto-électronique !

Publié par Redbran le 22/06/2020 à 13:00
Source: CEA
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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 par résonance de plasmons de surface" (SPRI) est largement utilisée pour la détection de composés chimiques et biologiques en phase liquide. Elle permet d'observer en temps réel, grâce à un dispositif optique, 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 à proximité du dépôt métallique. Dans une géométrie particulière, celle-ci peut cependant être observée avec une LED et un prisme en verre dont une face est recouverte d'un dépôt métallique: la lumière de la LED est plus ou moins réfléchie ou absorbée à l'interface verre-métal suivant l'état lié ou non des ligands.


Schéma de principe du dispositif optique pour l'imagerie SPR.
Le chrome (Cr) et le titane (Ti) ont été testés comme métaux pour la couche d'adhésion de l'or déposé sur le prisme SPR. L'information sur la rugosité de la surface, analysée par microscopie à force atomique, est utilisée dans le modèle pour prédire la courbe de réflectivité en fonction de l'angle d'incidence. La sensibilité à l'indice optique est obtenue en fonction de la température entre 5 °C et 45 °C. Un accord quantitatif entre théorie (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 humain, capable de discriminer jusqu'à 10 000 odeurs mélangées grâce à quelque quatre cents types différents de récepteurs olfactifs.

Le capteur 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 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 d'onde 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 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 (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 "porteurs" de l'échantillon. Les sensibilités mesurées ont ainsi pu être comparées quantitativement aux résultats théoriques - sans paramètre ajustable - sur une plage de température allant de 5°C à 45°C.

L'ensemble de ces résultats permet d'améliorer la sensibilité du nez optoélectronique pour un usage 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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