Laboratoire miniaturisé sur une puce pour l'analyse chimique en temps réel des liquides
Une puce de la taille d'un doigt remplace les équipements de laboratoire encombrants : Les applications possibles sont extrêmement variées
Un capteur infrarouge a été mis au point à la TU Wien (Vienne). Il analyse le contenu des liquides en une fraction de seconde.
Puce de capteur montée sur une carte de circuit imprimé en aluminium
TU Wien / Hurnaus
En chimie analytique, il est souvent nécessaire de surveiller avec précision la variation de concentration de certaines substances dans les liquides sur une échelle de temps de quelques secondes. En particulier dans l'industrie pharmaceutique, ces mesures doivent être extrêmement sensibles et fiables.
La TU Wien a mis au point un nouveau type de capteur qui convient parfaitement à cette tâche et combine plusieurs avantages importants de manière unique : basé sur une technologie infrarouge personnalisée, il est nettement plus sensible que les dispositifs standard précédents. De plus, il peut être utilisé pour une large gamme de concentrations de molécules et il peut fonctionner directement dans le liquide. Il 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 "Nature Communications".
Des molécules différentes absorbent des longueurs d'onde différentes
"Pour mesurer la concentration des molécules, nous utilisons un rayonnement dans la gamme spectrale de l'infrarouge moyen", explique Borislav Hinkov, chef du projet de recherche de l'Institut d'électronique des solides 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 les autres longueurs d'onde sont transmises sans atténuation. Ainsi, les différentes molécules ont leur "empreinte infrarouge" très spécifique. En mesurant avec précision le profil de l'intensité d'absorption en fonction 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 couramment utilisée dans la détection des gaz depuis longtemps. La nouvelle réalisation de l'équipe de la TU Wien est la mise en œuvre de cette technologie sur une puce de détection de la taille d'un doigt, qui est spécifiquement adaptée à la détection des liquides. Le développement d'un tel capteur était un défi à la fois technologique et 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'Institut d'électronique des solides et fabriqué au Centre des micro- et nanostructures, la salle blanche ultramoderne de l'Université technique de Vienne.
"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 suivre précisément un changement de concentration en temps réel et mesurer le stade actuel d'une réaction chimique dans le bécher. Cela contraste fortement avec les autres technologies de référence, où il faut prélever un échantillon, l'analyser et attendre jusqu'à plusieurs minutes pour obtenir le résultat."
La collaboration entre différentes disciplines est la clé
Ce résultat a été rendu possible par une collaboration entre les départements d'ingénierie électrique et de chimie de la TU Wien : l'Institut d'électronique à l'état solide possède une grande expérience dans la conception et la fabrication de lasers et de détecteurs à cascade quantique. Il s'agit de minuscules dispositifs à base de semi-conducteurs capables d'émettre ou de détecter un rayonnement laser infrarouge d'une longueur d'onde précisément définie en fonction de leur micro- et nanostructure.
Le rayonnement infrarouge émis par un tel laser pénètre le liquide à l'échelle du micromètre et est ensuite mesuré par le détecteur sur la même puce. En utilisant 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'Institut des technologies chimiques et analytiques.
Démonstration expérimentale : une protéine change de structure
Pour démontrer les performances du nouveau capteur à infrarouge moyen, une réaction issue de la biochimie a été choisie : une protéine modèle connue a été chauffée, ce qui a modifié sa structure géométrique. Initialement, la protéine a la forme d'une bobine hélicoïdale, mais à des températures plus élevées, elle se déplie en une structure plate. Ce changement géométrique modifie également le spectre d'absorption particulier de la protéine dans l'infrarouge moyen. "Nous avons sélectionné deux longueurs d'onde appropriées et fabriqué des capteurs à base de cascades quantiques adaptés, que nous avons intégrés sur une seule puce", explique Borislav Hinkov. "Et en effet, il s'avère que l'on peut utiliser ce capteur pour observer la dénaturation de la protéine modèle sélectionnée avec une grande sensibilité et en temps réel."
La technologie est extrêmement flexible. Il est possible d'ajuster les longueurs d'onde nécessaires en fonction des 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 la concentration de différentes molécules simultanément. "Cela ouvre un nouveau champ en chimie analytique : La spectroscopie infrarouge moyenne en temps réel des liquides", explique Borislav Hinkov. Les applications possibles sont extrêmement diverses : elles vont de l'observation des changements structurels des protéines induits par la chaleur 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 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.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Hinkov, B., Pilat, F., Lux, L. et al. A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring. Nat Commun 13, 4753 (2022)
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