Laboratoire sur puce miniaturisé pour l’analyse chimique en temps réel des liquides

Un nouveau type de capteur a été développé à TU Wien qui est parfaitement adapté à cette tâche et combine plusieurs avantages importants d’une manière unique : basé sur une technologie infrarouge personnalisée, il est nettement plus sensible que les appareils standard précédents. De plus, il peut être utilisé pour une large gamme de concentrations de molécules et il peut fonctionner directement dans le liquide. Ceci est la conséquence de sa robustesse chimique et fournit ainsi des données en temps réel, c’est-à-dire en quelques fractions de seconde. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue scientifique Communication Nature.

Différentes molécules absorbent différentes longueurs d’onde

“Pour mesurer la concentration de molécules, nous utilisons un rayonnement dans le domaine spectral de l’infrarouge moyen”, explique Borislav Hinkov, responsable du projet de recherche de l’Institut d’électronique à semi-conducteurs de la TU Wien. Il s’agit d’une technique bien connue : les molécules absorbent des longueurs d’onde spécifiques dans le domaine de l’infrarouge moyen, tandis que d’autres longueurs d’onde sont transmises sans atténuation. Ainsi, différentes molécules ont leur « empreinte digitale infrarouge » très spécifique. En mesurant avec précision le profil de force d’absorption dépendant de la longueur d’onde, il est possible de déterminer la concentration d’une molécule particulière dans l’échantillon à un moment donné.

La spectroscopie infrarouge est utilisée depuis longtemps dans la détection de gaz. La nouvelle réalisation de l’équipe de TU Wien est la mise en œuvre de cette technologie sur une puce de capteur de la taille d’un doigt, qui est spécifiquement adaptée à la détection de liquide. Le développement d’un tel capteur était un défi technologique autant qu’analytique, car les liquides absorbent le rayonnement infrarouge beaucoup plus fortement que les gaz. Le capteur de liquide compact a été réalisé en collaboration avec Benedikt Schwarz de l’Institute of Solid State Electronics et fabriqué au Center for Micro- and Nanostructures, la salle blanche ultramoderne de TU Wien.

“Nous n’avons besoin que de quelques microlitres de liquide pour une mesure”, explique Borislav Hinkov. “Et le capteur fournit des données en temps réel – plusieurs fois par seconde. Ainsi, nous pouvons surveiller avec précision un changement de concentration en temps réel et mesurer l’étape actuelle d’une réaction chimique dans le bécher. Ceci contraste fortement avec d’autres références technologies, où vous devez prélever un échantillon, l’analyser et attendre jusqu’à quelques minutes pour le résultat.”

La collaboration entre différentes disciplines est la clé

Cela a été rendu possible grâce à une collaboration entre les départements de génie électrique et de chimie de la TU Wien : l’Institut d’électronique à semi-conducteurs possède une vaste expérience dans la conception et la fabrication de lasers et de détecteurs à cascade quantique. Ce sont de minuscules dispositifs à base de semi-conducteurs qui peuvent émettre ou détecter un rayonnement laser infrarouge avec une longueur d’onde définie avec précision en fonction de leur micro et nanostructure.

Le rayonnement infrarouge émis par un tel laser pénètre dans le liquide à l’échelle du micromètre et est ensuite mesuré par le détecteur sur la même puce. À l’aide de ces lasers et détecteurs ultra-compacts spécialement combinés, un dispositif de détection a été réalisé et ses performances ont été testées lors des premières mesures de preuve de concept. Les travaux ont été menés en collaboration avec le groupe de Bernhard Lendl de l’Institute for Chemical Technologies and Analytics.

Démonstration expérimentale : une protéine change de structure

Pour démontrer les performances du nouveau capteur infrarouge moyen, une réaction issue de la biochimie a été sélectionnée : une protéine modèle connue a été chauffée, modifiant ainsi sa structure géométrique. Initialement, la protéine a la forme d’une bobine en forme d’hélice, mais à des températures plus élevées, elle se déplie en une structure plate. Ce changement géométrique modifie également le spectre particulier d’absorption des empreintes digitales dans l’infrarouge moyen de la protéine. “Nous avons sélectionné deux longueurs d’onde appropriées et fabriqué des capteurs à cascade quantique appropriés, que nous avons intégrés sur une seule puce”, explique Borislav Hinkov. “Et en effet, il s’avère que vous pouvez utiliser ce capteur pour observer la soi-disant dénaturation de la protéine modèle sélectionnée avec une sensibilité élevée et en temps réel.”

La technologie est extrêmement flexible. Il est possible d’ajuster les longueurs d’onde nécessaires selon les besoins afin d’étudier différentes molécules. Il est également possible d’ajouter d’autres capteurs à cascade quantique sur la même puce pour mesurer différentes longueurs d’onde et ainsi distinguer simultanément la concentration de différentes molécules. “Cela ouvre un nouveau domaine en chimie analytique : la spectroscopie infrarouge moyen en temps réel des liquides”, déclare Borislav Hinkov. Les applications possibles sont extrêmement diverses – elles vont de l’observation des changements structurels induits thermiquement des protéines et des changements structurels similaires dans d’autres molécules, à l’analyse en temps réel des réactions chimiques, par exemple dans la production de médicaments pharmaceutiques ou dans les processus de fabrication industrielle. Partout où il est nécessaire de surveiller la dynamique des réactions chimiques dans les liquides, cette nouvelle technique peut apporter des avantages importants.

Le travail a été financé par une subvention Lise-Meitner de la FWF à Borislav Hinkov et par le projet EU Horizon2020 “cFlow”.