Vue d'artiste de la surface de la puce, montrant l'interféromètre lumineux intégré à la puce utilisé pour détecter la présence de plomb. Le processus de liaison du plomb à l’éther couronne est illustré dans l’encadré. Crédit : Jia Xu Brian Sia
Un nouveau dispositif à puce pourrait permettre une détection sensible des niveaux de plomb dans l'eau potable, dont la toxicité affecte 240 millions de personnes dans le monde.
Ingénieurs à MIT et des collaborateurs ont développé une technologie compacte et peu coûteuse pour détecter et mesurer le plomb dans l'eau. Ce nouveau système utilise une puce photonique et des éthers-couronnes pour capturer les ions plomb, fournissant ainsi des résultats précis et quasi instantanés avec juste une gouttelette d'eau.
Des ingénieurs du MIT, de l'Université technologique de Nanyang et de plusieurs entreprises ont développé une technologie compacte et peu coûteuse pour détecter et mesurer les concentrations de plomb dans l'eau, permettant potentiellement une avancée significative dans la lutte contre ce problème de santé mondial persistant.
L'Organisation mondiale de la santé estime que 240 millions de personnes dans le monde sont exposées à de l'eau potable contenant des quantités dangereuses de plomb toxique, susceptible d'affecter le développement du cerveau des enfants, de provoquer des malformations congénitales et de produire divers effets neurologiques, cardiaques et autres effets néfastes. Rien qu'aux États-Unis, on estime que 10 millions de foyers reçoivent encore de l'eau potable via des canalisations en plomb.
Configuration de test du capteur à puce photonique, comprenant une chambre microfluidique pour transporter les solutions d'analytes et des fibres optiques sur les côtés pour mesurer la réponse photonique de la puce. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Il s'agit d'une crise de santé publique non résolue qui entraîne plus d'un million de décès par an », déclare Jia Xu Brian Sia, postdoctorant au MIT et auteur principal de l'article décrivant la nouvelle technologie.
Cependant, les tests de plomb dans l’eau nécessitent un équipement coûteux et encombrant et nécessitent généralement des jours pour obtenir des résultats. Ou encore, il utilise de simples bandelettes de test qui révèlent simplement une réponse oui ou non sur la présence de plomb mais aucune information sur sa concentration. Les réglementations actuelles de l'EPA exigent que l'eau potable ne contienne pas plus de 15 parties par milliard de plomb, une concentration si faible qu'elle est difficile à détecter.
Technologie innovante de puce photonique
Le nouveau système, qui pourrait être prêt à être déployé commercialement d'ici deux ou trois ans, pourrait détecter des concentrations de plomb aussi faibles que 1 partie par milliard, avec des valeurs élevées. précision, à l'aide d'un simple détecteur à puce logé dans un appareil portatif. La technologie donne des mesures quantitatives presque instantanées et ne nécessite qu’une gouttelette d’eau.
Les résultats sont décrits dans un article publié le 14 mai dans la revue Communications naturellespar Sia, étudiant diplômé du MIT et auteur principal Luigi Ranno, le professeur Juejun Hu et 12 autres personnes du MIT et d'autres institutions universitaires et industrielles.
Jia Xu Brian Sia (à gauche) et Luigi Ranno (à droite) présentent la puce du capteur et la chambre microfluidique entièrement emballées. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
L’équipe a cherché une méthode de détection simple basée sur l’utilisation de puces photoniques, qui utilisent la lumière pour effectuer des mesures. Le défi consistait à trouver un moyen de fixer à la surface de la puce photonique certaines molécules en forme d'anneau appelées éthers-couronnes, capables de capturer des ions spécifiques tels que le plomb. Après des années d’efforts, ils ont réussi à obtenir cet attachement via un processus chimique appelé estérification Fischer. «C'est l'une des avancées essentielles que nous avons réalisées dans cette technologie», déclare Sia.
En testant la nouvelle puce, les chercheurs ont montré qu'elle pouvait détecter le plomb dans l'eau à des concentrations aussi faibles qu'une partie par milliard. À des concentrations beaucoup plus élevées, qui peuvent être pertinentes pour tester une contamination environnementale telle que les résidus miniers, la précision est inférieure à 4 pour cent.
Polyvalence et applications pratiques
L'appareil fonctionne dans de l'eau avec différents niveaux d'acidité, allant de pH de 6 à 8, « ce qui couvre la plupart des échantillons environnementaux », explique Sia. Ils ont testé l’appareil avec de l’eau de mer ainsi qu’avec de l’eau du robinet et ont vérifié l’exactitude des mesures.
Afin d'atteindre de tels niveaux de précision, les tests de courant nécessitent un dispositif appelé capteur à couplage inductif. plasma spectromètre de masse. « Ces installations peuvent être volumineuses et coûteuses », explique Sia. Le traitement des échantillons peut prendre des jours et nécessite un personnel technique expérimenté.
Bien que le nouveau système de puce qu'ils ont développé soit « la partie centrale de l'innovation », dit Ranno, des travaux supplémentaires seront nécessaires pour le développer en un appareil portable intégré pour une utilisation pratique. « Pour fabriquer un produit réel, vous devez le conditionner dans un format utilisable », explique-t-il. Cela impliquerait d’avoir un petit laser basé sur une puce couplé à la puce photonique. « C'est une question de conception mécanique, de conception optique, de chimie et de définition de la chaîne d'approvisionnement », explique-t-il. Même si cela prend du temps, dit-il, les concepts sous-jacents sont simples.
Le système peut être adapté pour détecter d'autres contaminants similaires dans l'eau, notamment le cadmium, le cuivre, le lithium, le baryum, le césium et le radium, explique Ranno. L’appareil pourrait être utilisé avec de simples cartouches pouvant être échangées pour détecter différents éléments, chacun utilisant des éthers-couronnes légèrement différents pouvant se lier à un ion spécifique.
Impact sur la santé mondiale
« Il y a un problème : les gens ne mesurent pas suffisamment leur eau, surtout dans les pays en développement », explique Ranno. « Et c'est parce qu'ils doivent collecter l'eau, préparer l'échantillon et l'amener à ces énormes instruments extrêmement coûteux. » Au lieu de cela, « disposer de cet appareil portable, quelque chose de compact que même un personnel non formé peut simplement apporter à la source pour une surveillance sur site, à faible coût », pourrait rendre réalisables des tests généralisés, réguliers et continus.
Hu, professeur John F. Elliott de science et d'ingénierie des matériaux, déclare : « J'espère que cela sera rapidement mis en œuvre, afin que nous puissions bénéficier à la société humaine. Il s’agit d’un bon exemple d’une technologie issue d’une innovation en laboratoire où elle peut réellement avoir un impact très tangible sur la société, ce qui est bien sûr très enrichissant.
« Si cette étude pouvait être étendue à la détection simultanée de plusieurs éléments métalliques, en particulier les éléments radioactifs actuellement préoccupants, son potentiel serait immense », déclare Hou Wang, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie de l'environnement à l'Université du Hunan en Chine, qui n'a pas été informé. associés à ce travail.
Wang ajoute : « Cette recherche a permis de concevoir un capteur capable de détecter instantanément la concentration de plomb dans l'eau. Cela peut être utilisé en temps réel pour surveiller la concentration de pollution au plomb dans les eaux usées rejetées par des industries telles que la fabrication de batteries et la fusion du plomb, facilitant ainsi la mise en place de systèmes de surveillance des eaux usées industrielles. Je pense que les aspects innovants et le potentiel de développement de cette recherche sont tout à fait louables.
Wang Qian, chercheur principal à l'Institut de recherche sur les matériaux de Singapour, qui n'était pas non plus affilié à ce travail, déclare : « La capacité de détection omniprésente, portable et quantitative du plomb s'est avérée être un défi principalement en raison du coût. préoccupations. Ce travail démontre le potentiel de le faire dans un facteur de forme hautement intégré et est compatible avec une fabrication à grande échelle et à faible coût.
L'équipe comprenait des chercheurs du MIT, de l'Université technologique de Nanyang et des laboratoires Temasek à Singapour, de l'Université de Southampton au Royaume-Uni, ainsi que des sociétés Fingate Technologies, à Singapour, et Vulcan Photonics, dont le siège est en Malaisie. Les travaux ont utilisé les installations du MIT.nano, du Centre pour les systèmes à l'échelle nanométrique de l'Université Harvard, du Centre de micro et nanoélectronique de NTU et du Centre de nanofabrication de Nanyang.
