Une goutte de liquide suffit pour déterminer sa composition.
Capteur chimique sur une puce
01.09.2022
- Autriche
On ne peut pas les voir, mais ils sont parfaits pour étudier les liquides et les gaz : Les rayons laser dans le domaine infrarouge sont absorbés différemment par différentes molécules. Cet effet est par exemple utilisé pour mesurer la concentration d'oxygène dans le sang. L'université technique de Vienne a repris ce principe simple et a réalisé un nouveau prototype de capteur sur cette base.
TU Wien
Des lasers à cascade quantique et des détecteurs de lumière spécialement conçus sont fabriqués à l'université technique de Vienne sur une puce au cours du même processus de fabrication. La distance entre le laser et le détecteur n'est que de 50 micromètres. Cet écart est comblé par ce que l'on appelle un guide d'onde plasmonique de surface en or et en nitrure de silicium. Cette nouvelle approche permet de produire facilement et à moindre coût de minuscules capteurs de liquides destinés aux applications les plus diverses.
Laser et détecteur
Les lasers à cristaux ordinaires, comme le fameux laser rouge à rubis, ne sont constitués que d'un seul matériau. Les lasers à cascade quantique, en revanche, sont composés d'une succession parfaitement optimisée de différentes couches de matériaux. Cela permet de contrôler de manière ciblée des propriétés importantes du laser, comme la longueur d'onde de sa lumière. Si l'on applique une tension électrique à la structure en couches créée artificiellement, le laser se met à briller. Mais on peut aussi utiliser la structure en couches comme détecteur dans le sens inverse : Si on l'irradie de lumière, un signal électrique est généré.
Les lasers à cristaux ordinaires, comme le fameux laser rouge à rubis, ne sont constitués que d'un seul matériau. Les lasers à cascade quantique, en revanche, sont composés d'une succession parfaitement optimisée de différentes couches de matériaux. Cela permet de contrôler de manière ciblée des propriétés importantes du laser, comme la longueur d'onde de sa lumière. Si l'on applique une tension électrique à la structure en couches créée artificiellement, le laser se met à briller. Mais on peut aussi utiliser la structure en couches comme détecteur dans le sens inverse : Si on l'irradie de lumière, un signal électrique est généré.
L'université technique de Vienne a mis au point une méthode permettant de fabriquer simultanément un laser et un détecteur sur une puce à partir de la même série de couches, et ce de manière à ce que la longueur d'onde de la lumière laser corresponde exactement à la longueur d'onde du détecteur. Ce matériau bifonctionnel est fabriqué au Centre des micro et nanostructures de l'Université technique de Vienne, couche atomique par couche atomique, par épitaxie par faisceau moléculaire. "Grâce à la fabrication commune, il n'est pas nécessaire d'ajuster le laser et le détecteur - ils sont placés de manière optimale dès le départ sur la même puce", explique Benedikt Schwarz de l'Institut d'électronique des solides de l'Université technique de Vienne.
Guidage de la lumière du laser vers le détecteur
Dans les systèmes optiques traditionnels, la lumière laser générée doit être guidée vers le détecteur à l'aide de lentilles ajustées avec précision. Les fibres optiques peuvent également être utilisées, mais elles ne transportent généralement la lumière qu'à l'intérieur, ne la mettant pas en contact avec l'environnement et ne convenant donc pas comme capteurs.
Dans les systèmes optiques traditionnels, la lumière laser générée doit être guidée vers le détecteur à l'aide de lentilles ajustées avec précision. Les fibres optiques peuvent également être utilisées, mais elles ne transportent généralement la lumière qu'à l'intérieur, ne la mettant pas en contact avec l'environnement et ne convenant donc pas comme capteurs.
Dans le nouveau composant présenté par l'équipe de recherche de l'université technique de Vienne, la connexion optique entre le laser à cascade quantique et le détecteur fonctionne de manière totalement différente. Il s'agit d'un guide d'ondes plasmonique, composé d'or et de nitrure de silicium. "La lumière interagit avec les électrons du métal d'une manière très particulière, de sorte que la lumière est guidée à l'extérieur de la surface de l'or", explique Benedikt Schwarz. "Cela permet à la lumière d'être absorbée par les molécules sur le chemin entre le laser et le détecteur".
La puce de détection terminée peut être immergée dans un liquide. L'affaiblissement du signal lumineux par les molécules absorbantes permet alors de déduire la composition du liquide. Ce capteur a été testé avec une solution d'eau et d'alcool. La concentration en eau peut être mesurée de cette manière avec une précision de 0,06%.
Grâce à la possibilité d'ajuster la longueur d'onde par la conception de la séquence de couches, le concept de capteur peut être appliqué à une large palette de molécules, comme par exemple les hydrocarbures ou même les protéines, pour les applications les plus diverses dans l'analyse chimique, biologique ou médicale.
Grâce à la possibilité d'ajuster la longueur d'onde par la conception de la séquence de couches, le concept de capteur peut être appliqué à une large palette de molécules, comme par exemple les hydrocarbures ou même les protéines, pour les applications les plus diverses dans l'analyse chimique, biologique ou médicale.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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