Les biocapteurs optiques utilisent des ondes légères comme sonde pour détecter les molécules et sont essentielles pour des diagnostics médicaux précis, une médecine personnalisée et une surveillance environnementale.
Leurs performances sont considérablement améliorées s'ils peuvent concentrer les ondes légères jusqu'à l'échelle nanométrique – suffisamment pour détecter les protéines ou les acides aminés, par exemple – en utilisant des structures nanophotoniques qui « pressent » la lumière à la surface d'une petite puce. Mais la génération et la détection de la lumière pour ces biocapteurs nanophotoniques nécessitent un équipement volumineux et coûteux qui limite considérablement leur utilisation dans des diagnostics rapides ou des paramètres de point de service.
Alors, comment faites-vous un biocapteur basé sur la lumière sans source de lumière externe? La réponse est: avec la physique quantique.
En exploitant un phénomène quantique appelé tunnel d'électrons inélastiques, les chercheurs du laboratoire de systèmes bionanophotoniques de l'École d'ingénierie de l'EPFL ont créé un biocapteur qui ne nécessite qu'un flux régulier d'électrons – sous la forme d'une tension électrique appliquée – pour illuminer et détecter les molécules en même temps.
L'œuvre a été publiée dans Photonique de la nature En collaboration avec des chercheurs de Eth Zurich, ICFO (Espagne) et de l'Université Yonsei (Corée).
« Si vous considérez un électron comme une onde, plutôt qu'une particule, cette vague a une certaine probabilité faible de« tunneling »de l'autre côté d'une barrière isolante extrêmement mince tout en émettant un photon de lumière. Ce que nous avons fait, c'est créer une nanostructure qui fait partie des deux partie de cette barrière isolante et augmente la probabilité que la légère émission se déroulera».
Tillionième de détection de grammes
En bref, la conception de la nanostructure de l'équipe crée juste les bonnes conditions pour un électron qui passait à travers elle pour traverser une barrière d'oxyde d'aluminium et arriver à une couche d'or ultra-surrelle. Dans le processus, l'électron transfère une partie de son énergie à une excitation collective appelée plasmon, qui émet ensuite un photon.
Leur conception garantit que l'intensité et le spectre de cette lumière changent en réponse au contact avec les biomolécules, résultant en une méthode puissante pour une détection extrêmement sensible et en temps réel et sans étiquette.
« Les tests ont montré que notre biocapteur auto-illuminant peut détecter les acides aminés et les polymères à des concentrations de picogrammes – c'est un million de grammes, a-t-il prévu les capteurs les plus avancés disponibles aujourd'hui », explique le bionanophotonic Systems Laboratory Head Hatice Altug.
Une métasurface à double usage
Au cœur de l'innovation de l'équipe se trouve une double fonctionnalité: la couche d'or de leur nanostructure est une métasurface, ce qui signifie qu'elle présente des propriétés spéciales qui créent les conditions de tunneling quantique et contrôlent l'émission de lumière résultante.
Ce contrôle est rendu possible grâce à l'arrangement de la métasurface en un maillage de nanofils d'or, qui agissent comme des « nanoantennas » pour concentrer la lumière aux volumes nanométriques nécessaires pour détecter efficacement les biomolécules.
« Le tunneling électronique inélastique est un processus de très faible probabilité, mais si vous avez un processus de faible probabilité uniformément sur une très grande zone, vous pouvez toujours collecter suffisamment de photons. C'est là que nous avons concentré notre optimisation, et il se révèle être une nouvelle stratégie très prometteuse pour BioSensing », a déclaré l'ancien bionanophotonic Systems Researcher et First Auteur Jihye Lee LEE, maintenant un ingénieur de Samsung Electronics.
En plus d'être compact et sensible, la plate-forme quantique de l'équipe, fabriquée au centre de la micronanotechnologie de l'EPFL, est évolutive et compatible avec les méthodes de fabrication des capteurs. Moins d'un millimètre carré de zone active est nécessaire pour la détection, créant une possibilité passionnante pour les biocapteurs portables, contrairement aux configurations de table actuelles.
« Notre travail fournit un capteur entièrement intégré qui combine la génération et la détection de lumière sur une seule puce. Avec des applications potentielles allant du diagnostic de point de service à la détection des contaminants environnementaux, cette technologie représente une nouvelle frontière dans les systèmes de détection de haute performance », résume les systèmes de bionanophotonique en laboratoire Ivan Sinev.
