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Fait marquant

De nouveaux yeux pour un nez optoélectronique


Pour améliorer les performances du nez optoélectronique, nous étudions les aspects fondamentaux liés à l'optique (comme l'influence de la longueur d'onde de la source lumineuse) sur la sensibilité des prismes d'imagerie SPR en phase gazeuse. Nous analysons également l'effet des différentes couches métalliques déposées sur ces prismes en terme de performance optique. Nous avons développé un modèle théorique et établissons une nouvelle méthode de caractérisation des performances optiques de ces prismes.

Publié le 12 mai 2020
La surveillance des composés organiques volatils (COV) est devenue une préoccupation, notamment dans le contrôle de la qualité de l'air, dans les procédés industriels, la sécurité publique, la santé, etc. Les nez électroniques sont des candidats prometteurs pour une analyse et une surveillance de ces composés omniprésents dont certains sont nocifs à l'environnement et parfois dangereux pour la santé humaine. La résonance de plasmons de surface (SPR) est une technique optique largement utilisée dans le développement de biocapteurs pour la détection de composés chimiques et biologiques. L’utilisation de l’imagerie SPR en phase gazeuse est novatrice et intéressante en raison de ses capacités de détection multiparamétriques particulièrement adaptée à la détection de COV.

Dans le but d'améliorer les performances du nez optoélectronique, nous nous proposons d’étudier les aspects fondamentaux liés à l’optique tels que la longueur d'onde, la température et l'épaisseur des dépôts métalliques sur le prisme SPR. Pour ce faire, nous avons étudié l'influence de la longueur d'onde de la source lumineuse (généralement une LED) sur la sensibilité du système [1]. Une étude théorique complète a été corroborée par une étude expérimentale connexe. Dans la gamme de longueurs d'onde étudiée (530 nm à 740 nm), nous avons ainsi mis en évidence une augmentation de la sensibilité à mesure que la longueur d'onde augmente, avec une bonne cohérence entre les résultats théoriques et expérimentaux. Avec la longueur d'onde optimale des LED, les limites de détection de notre nez optoélectronique sont de l’ordre du ppb (partie par milliard) pour des COV tels que le 1-butanol, limites qui sont similaires à celles du nez humain.

Pour aller plus loin dans la caractérisation optique, nous avons analysé l'effet des différentes couches métalliques déposées sur les prismes SPR en termes de performances optiques [2]. Nous avons développé un modèle théorique prenant en compte chaque épaisseur des couches métalliques mesurées lors du dépôt (réalisé à la Plateforme Technologique Avancée du CEA) ainsi que la rugosité de surface telle qu'analysée par microscopie à force atomique(réalisé à la Plate-Forme de Nano-Caractérisation du CEA). Afin de comparer la théorie aux expériences, nous avons établi une nouvelle méthode de caractérisation des performances optiques des prismes d'imagerie SPR en phase gazeuse. Cette méthode permet d'obtenir une mesure générique de la sensibilité, indépendante de la nature des gaz porteurs. Les sensibilités expérimentales ainsi obtenues se comparent quantitativement aux résultats théoriques sans paramètre ajustable sur une plage de température allant de 5 °C à 45 °C.

Ces résultats sont importants pour l'utilisation des nez optoélectroniques en condition réelle et notamment sur le terrain afin d'envisager des mesures correctives lors des variations saisonnières ou régionales de températures.


Schéma de principe du dispositif optique pour l’imagerie SPR.
Le chrome (Cr) et le titane (Ti) ont été testés comme métaux pour la couche d’adhésion de l’or déposé sur le prisme SPR. L’information sur la rugosité de la surface, analysée par microscopie à force atomique, est utilisée dans le modèle pour prédire la courbe de réflectivité en fonction de l’angle d’incidence. La sensibilité à l’indice optique est obtenue en fonction de la température entre 5 °C et 45 °C. Un accord quantitatif entre théorie (courbes rouges) et expériences (points noirs) est observé.
Avec le soutien de la Fondation Nanosciences (thèse de J. Weerakkody), du Labex Arcane (post-doc de F.-X. Gallat), de la DGA et le CEA (thèse de S. Brenet) mais également de BPI France (FUI WISE) et de la société Aryballe Technologies.

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