Une équipe d'ingénieurs Johns Hopkins a développé une nouvelle méthode plus puissante pour observer les vibrations moléculaires, une avance qui pourrait avoir des implications de grande envergure pour la détection précoce des maladies.
L'équipe, dirigée par Ishan Barman, professeur au Département de génie mécanique, a été la première à montrer comment la lumière peut être utilisée pour former des états hybrides spéciaux avec des molécules, allant même les plus petites vibrations à détecter avec plus de clarté et de précision.
Les conclusions de l'équipe sont publiées dans Avancées scientifiques.
Dans les soins de santé, cette nouvelle méthode de détection des molécules pourrait se traduire par une détection plus tôt et plus précise des biomarqueurs de la maladie présents dans le sang, la salive ou l'urine. Mais cela pourrait avoir d'autres implications pour une utilisation médicale plus large: dans la fabrication pharmaceutique, il pourrait permettre une surveillance en temps réel des réactions chimiques complexes pour assurer la cohérence et la sécurité des produits; Et en sciences de l'environnement, il pourrait permettre la détection de polluants ou des composés dangereux avec une fiabilité sans précédent.
Vibrations moléculaires – les mouvements minuscules et uniques d'atomes au sein d'une molécule – offrent des « empreintes digitales » chimiques qui peuvent révéler la présence de maladies allant des infections et des troubles métaboliques au cancer.
Les scientifiques utilisent généralement des techniques comme la spectroscopie infrarouge et Raman pour détecter ces vibrations, mais ces méthodes souffrent de limitations fondamentales: les signaux sur lesquels ils dépendent sont souvent faibles, facilement noyés par le bruit de fond et difficile à isoler dans des environnements biologiques complexes comme le sang ou les tissus.
« Nous essayions de surmonter un défi de longue date de la détection moléculaire: comment rendre la détection optique des molécules plus sensible, plus robuste et plus adaptable aux conditions du monde réel? » a déclaré Barman, qui organise des nominations conjointes au Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center et au Département de radiologie et des sciences radiologiques à la Johns Hopkins School of Medicine.
« Plutôt que d'essayer d'améliorer progressivement les méthodes conventionnelles, nous avons posé une question plus radicale: que se passe-t-il si nous pouvions réorganiser la façon même que la lumière interagit avec la matière pour créer un type de détection fondamentalement nouveau? »
L'équipe a utilisé des miroirs en or hautement réfléchissants pour former une cavité optique, qui emprisonne la lumière et le «rebondit» dans les deux sens, améliorant considérablement son interaction avec les molécules fermées. Le champ lumineux confiné et les vibrations moléculaires deviennent si liés qu'ils forment des états quantiques entièrement nouveaux appelés «vibro-polaritons».
L'équipe a pu réaliser cet exploit dans des conditions ambiantes et réelles, sans avoir besoin de vacuums élevés, cryogéniques ou d'autres environnements extrêmes, qui sont généralement nécessaires pour préserver des états quantiques fragiles. L'auteur principal Peng Zheng, chercheur associé en génie mécanique de Johns Hopkins, a déclaré que cette étude détaille comment transformer la « détection vibro-polarionique quantique » d'une idée conceptuelle en une plate-forme de fonctionnement – et cela pourrait conduire à une nouvelle classe de capteurs optiques compatibles quantum.
« Plutôt que de détecter passivement des molécules, nous pouvons désormais concevoir l'environnement quantique autour d'eux pour améliorer sélectivement leurs empreintes digitales optiques en utilisant les états vibro-polaritoniques quantiques », a déclaré Zheng.
En utilisant les principes quantiques d'une manière nouvelle, sans avoir besoin d'infrastructures traditionnelles, cette étude marque une étape importante dans la progression du domaine naissant des technologies quantiques de condition ambiante. En fin de compte, Barman envisage des dispositifs compacts à l'échelle des micropuces qui pourraient apporter ces technologies quantiques aux outils portables en point de service et aux méthodes de diagnostic alimentées par l'IA.
« L'avenir de la détection quantique n'est pas coincé dans le laboratoire – il est prêt à avoir un impact réel à travers la médecine, la bio-fabrication et au-delà », a déclaré Barman.
