Des scientifiques de l’Institut d’ingénierie laser de l’Université d’Osaka ont créé un prototype de système de spectroscopie optique térahertz avec une zone de détection équivalente à la section transversale de seulement cinq cheveux humains. En mesurant le décalage de la longueur d’onde de transmission maximale d’une source de rayonnement térahertz, la concentration de contaminants dissous même à l’état de trace dans une minuscule goutte d’eau peut être mesurée. Ces travaux pourraient déboucher sur des capteurs portables pour des applications telles que la détection précoce de maladies, le développement de médicaments et la surveillance de la pollution de l’eau.
La technologie des laboratoires sur puce est un domaine de recherche passionnant. La possibilité de tester des échantillons de patients au chevet du patient ou de surveiller la qualité de l’eau sur le terrain, avec un dispositif de surveillance portable est très attrayante. Cependant, il peut être difficile d’obtenir une forte sensibilité à la concentration des analytes cibles d’intérêt, en particulier lorsque les échantillons sont constitués de très petits volumes de liquide.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université d’Osaka a utilisé une source de rayonnement térahertz propriétaire dans une puce microfluidique contenant une structure métamatérielle pour quantifier la quantité de traces de contamination dans l’eau. « En utilisant ce système de laboratoire sur puce, nous avons pu détecter des changements infimes dans la concentration de traces d’éthanol, de glucose ou de minéraux dans l’eau en mesurant le décalage des fréquences de résonance », a déclaré le premier auteur Kazunori Serita.
Le I-design se compose d’une bande métallique avec un espace de taille micrométrique prise en sandwich par d’autres bandes métalliques. Il est périodiquement disposé en une rangée de cinq unités, qui formaient une sorte de « méta-atome », dans lequel le pic de transmission optique variait en fonction de la présence de traces de contamination par des molécules dissoutes. Cet appareil est une application de la technologie de source ponctuelle térahertz précédemment développée à l’Université d’Osaka. Une minuscule source de lumière térahertz a été générée par la tache d’irradiation d’un faisceau laser à impulsion femtoseconde qui induit un mode de champ électrique étroitement confiné dans les régions d’espacement. Il modifie ensuite la fréquence de résonance lorsqu’un microcanal fabriqué dans l’espace entre les bandes métalliques est rempli de la solution d’échantillon.
« Nous avons réussi à détecter seulement 472 attomoles de solutés dans des solutions avec des volumes inférieurs à 100 picolitres, ce qui est un ordre de grandeur supérieur aux puces microfluidiques existantes », a déclaré l’auteur principal Masayoshi Tonouchi. Ces travaux peuvent conduire à des améliorations significatives de la détection portable, tant en termes de sensibilité que de quantité de liquide nécessaire.
L’étude est publiée dans le Journal de physique : photonique.
Kazunori Serita et al, puce microfluidique térahertz I-design pour la détection au niveau de l’attomole, Journal de physique : photonique (2022). DOI : 10.1088/2515-7647/ac691d