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Une nouvelle compréhension des nanomatériaux, de la conception des capteurs et des approches de fabrication, pourrait aider à faire progresser les capteurs de gaz qui surveillent les biomarqueurs gazeux chez les humains, et les gaz toxiques dans un environnement exposé, selon des chercheurs.

Des capteurs qui surveillent les biomarqueurs gazeux

Les récents développements dans les technologies de détection des gaz ont permis de détecter des biomarqueurs gazeux chez l’homme en surveillant le processus métabolique par l’expiration de l’air ou la transpiration de la peau, et de détecter les gaz nocifs ou toxiques dans l’environnement de l’homme.
Les mouvements humains qui étirent considérablement la peau peuvent dégrader ou déformer les capteurs, les rendant incapables de détecter les gaz avec précision. Pour fabriquer un capteur plus résistant, Huanyu Cheng, professeur au département des sciences de l’ingénierie et de la mécanique, et son équipe ont étudié les méthodes de fabrication de capteurs les plus efficaces qui pourraient fonctionner pour une variété d’applications.
« Avec les récents développements en matière d’analyse de l’haleine, nous commençons à prendre de l’élan vers le développement d’un capteur de gaz qui pourrait avoir une plus grande plate-forme d’applications », a déclaré M. Cheng.
Selon M. Cheng, les capteurs de gaz peuvent aider à fournir un diagnostic médical plus précoce, en détectant les composés organiques volatils (COV) de l’haleine humaine, ce qui peut indiquer la présence de plusieurs maladies, notamment la dysenterie amibienne, les infections bactériennes intestinales et le cancer. Les anciens capteurs ne pouvaient surveiller que les niveaux de glucose et de pH.

2 600 biomarqueurs se trouvent dans la peau et l’haleine

« À partir de la transpiration de la peau humaine et de l’haleine expirée, nous avons environ 2 600 biomarqueurs sous forme gazeuse », a déclaré M. Cheng. « Cela nous donne des informations vitales que nous pouvons exploiter dans le développement de diagnostics de maladies ».
En plus de surveiller ces biomarqueurs, ces capteurs peuvent détecter des niveaux dangereux de gaz toxiques, qui peuvent être présents dans l’environnement d’un être humain. Par exemple, ces capteurs pourraient détecter des niveaux dangereux de méthane dans les mines de charbon, et éventuellement surveiller la santé et la sécurité des mineurs.
Les capteurs de gaz actuels présentent des caractéristiques similaires aux versions que l’équipe étudie, mais ils ont des défauts, selon M. Cheng. Par exemple, les capteurs de gaz à base d’oxyde métallique ont des températures de fonctionnement élevées, ce qui les rend trop chauds pour être portés par des personnes. En améliorant la fabrication des capteurs de gaz actuels, M. Cheng a déclaré qu’il prévoyait de développer un capteur de gaz plus fiable et plus sûr.
Les chercheurs s’intéressent plus particulièrement à une nouvelle plateforme qui intègre directement le graphène induit par laser (LIG) par un simple procédé de marquage laser. Selon M. Cheng, il s’agit d’un moyen rentable de mettre au point un capteur plus sensible et plus sélectif, capable de détecter rapidement les COV et les gaz nocifs à des niveaux ultra bas.
Le LIG est très poreux et peut être intégré à des nanomatériaux à base de carbone ou d’oxyde métallique, qui sont très sensibles aux gaz. La plateforme de Cheng consiste en un laser LIG gravé sur un film qui est transféré sur un substrat mou et recouvert d’un métal conducteur pour réduire sa résistance.

De meilleurs capteurs que les anciens

En raison de la résistance réduite créée par cette méthode, ce capteur peut facilement induire un auto-échauffement. L’oxyde métallique mixte intégré à cette nouvelle plateforme de détection de gaz LIG rend ses températures de fonctionnement nettement inférieures à celles de l’ancien capteur de gaz à base d’oxyde métallique.
Cheng et ses collègues étudient également comment les formes des matériaux composites intégrées aux capteurs de gaz portables peuvent affecter leur performance de détection environnementale.
M. Cheng a déclaré: nous sommes très intéressés par l’exploration de nouveaux nanomatériaux afin de fournir une sélectivité distincte, une haute sensibilité, des réponses rapides et de larges de détection pour une nouvelle classe de capteurs de gaz ».
Cette recherche a été publiée dans TrAC Trends in Analytical Chemistry.
Source : Pennsylvania State University
Crédit photo : Pexels