De nouveaux yeux pour un nez optoélectronique

Publié par Redbran le 25/05/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG
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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...). 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 (Cr) et le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...) (Ti) ont été testés comme métaux pour la couche d'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se...) 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...), analysée par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à force atomique, est utilisée dans le modèle pour prédire la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de réflectivité en fonction de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) 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...) entre 5 °C et 45 °C. Un accord quantitatif entre théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) (courbes rouges) et expériences (points noirs) est observé.

La surveillance des composés organiques volatils (COV) est devenue une préoccupation, notamment dans le contrôle de la qualité de l'air, 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...), etc. Les nez 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...) et parfois dangereux pour la santé humaine. La résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) 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 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 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...) d'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...) 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 porteurs. Les sensibilités expérimentales ainsi obtenues se comparent quantitativement aux résultats théoriques sans paramètre ajustable sur une plage 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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