MantiSpectra. Crédit : Université de technologie d’Eindhoven
Un capteur miniaturisé proche infrarouge qui pourrait tenir dans un smartphone peut analyser la teneur chimique du lait et des plastiques.
Un groupe de recherche TU/e a développé un nouveau capteur proche infrarouge facile à fabriquer, de taille comparable aux capteurs des smartphones et prêt à être utilisé immédiatement dans la surveillance des processus industriels et l’agriculture. Cette percée vient d’être publiée dans Communication Nature.
L’œil humain est un merveilleux capteur. En utilisant trois types différents de cellules coniques photoréceptrices qui convertissent la lumière visible en signaux de différentes couleurs, l’œil donne des informations essentielles sur le monde qui nous entoure.
« Lorsque notre cerveau rassemble les signaux, il fait une prédiction de ce que signifient les signaux en fonction de nos expériences. Par exemple, une fraise rouge est sucrée, mais une verte ne l’est pas », explique Kaylee Hakkel, doctorante dans le groupe Photonique et nanophysique des semi-conducteurs du Département de physique appliquée et co-première auteure de l’étude.
Crevette mante.
La taille importe
Bien que l’œil humain soit impressionnant, il est loin d’être le capteur de lumière naturelle le plus avancé qui soit. «Les yeux de la crevette Mantis ont 16 types de cellules différents, qui sont sensibles à la lumière ultraviolette, visible et proche infrarouge (NIR)», explique Hakkel. « Et mesurer le spectre dans l’infrarouge est plus intéressant pour les applications dans l’industrie et l’agriculture, mais il y a un problème majeur – les spectromètres proches de l’infrarouge actuels sont tout simplement trop gros et trop chers. »
Hakkel et ses collaborateurs ont résolu ce problème en développant un capteur proche infrarouge qui s’adapte sur une petite puce. Et tout comme l’œil de la crevette Mantis, il possède 16 capteurs différents, mais ils sont tous sensibles au proche infrarouge. « La miniaturisation des capteurs tout en maintenant des coûts bas était un défi majeur. Nous avons donc conçu un nouveau processus de fabrication à l’échelle d’une plaquette pour y parvenir.
« C’est peu coûteux car nous pouvons produire plusieurs capteurs en même temps, et c’est prêt, dès maintenant, pour une utilisation dans des applications pratiques dans le monde réel », ajoute Hakkel. « La puce du capteur est petite et pourrait même être intégrée dans les futurs smartphones. »
Section transversale du capteur. Crédit : Kaylee Hakkel, Université de technologie d’Eindhoven
Résolution de la détection spectrale
Andrea Fiore, responsable de recherche du Département de physique appliquée et de l’Institut Hendrik Casimir d’Eindhoven, est ravie du travail de leur équipe de recherche. « Nous étudions cette technologie depuis nombre d’années. Et maintenant, nous avons intégré avec succès les capteurs spectraux sur une puce, tout en traitant également un autre problème clé : l’utilisation efficace des données »
Normalement, lorsqu’un capteur mesure la lumière, le signal généré est utilisé pour reconstruire le spectre optique – ou empreinte optique – du matériau. Des algorithmes de détection sont ensuite utilisés pour analyser les données.
Dans cette nouvelle approche, les chercheurs montrent que l’étape de reconstruction spectrale n’est pas nécessaire. En d’autres termes, les signaux générés par les capteurs peuvent être envoyés directement aux algorithmes d’analyse. « Cela simplifie considérablement les exigences de conception de l’appareil », note Fiore.
Analyser le lait et les plastiques
Avec le capteur en main, les chercheurs ont ensuite testé le capteur dans un certain nombre d’expériences, comme l’explique le co-premier auteur Maurangelo Petruzzella, qui travaille également au start-up MantiSpectra. « Nous avons utilisé le capteur pour mesurer les propriétés nutritionnelles de nombreux matériaux, dont le lait. Notre capteur fourni comparable précision dans la prédiction de la teneur en matière grasse du lait que les spectromètres conventionnels. Et puis nous avons utilisé le capteur pour classer différents types de plastique.
Les propriétés nutritionnelles du lait déterminent sa valeur économique, et il a été prouvé que le capteur mesure avec précision ces propriétés. De plus, ces mesures pourraient être utilisées pour surveiller la santé globale de la vache. La classification des types de plastique à l’aide du capteur peut aider à optimiser les processus de tri des déchets.
« Outre ces applications, nous prévoyons que le capteur pourrait être utilisé pour les soins de santé personnalisés, l’agriculture de précision (surveiller la maturité des fruits et légumes par exemple), le contrôle des processus et les tests de laboratoire sur puce. Nous disposons désormais d’un kit de développement complet basé sur cette technologie, le SpectraPod™, que les entreprises et les instituts de recherche utilisent pour construire leurs applications. Et ce qui est formidable, c’est que ce capteur pourrait même être monnaie courante dans les smartphones du futur, ce qui signifie que les gens pourraient l’utiliser à la maison pour vérifier la qualité de leur nourriture ou vérifier des aspects de leur santé », ajoute Petruzzella.
Avenir de MantiSpectra
Et les choses commencent tout juste à devenir excitantes pour Hakkel, qui soutient sa thèse le 14 janviere à TU/e. Par la suite, elle rejoindra Petruzzella au sein de la start-up MantiSpectra où ils s’efforceront de faire progresser le capteur pour des applications plus pratiques. « Je suis vraiment ravi de commencer à travailler sur la prochaine phase du développement du capteur avec MantiSpectra. Ce capteur pourrait contribuer à un environnement plus propre et lutter contre le gaspillage alimentaire, des applications qui sont importantes pour tout le monde. »
Référence : « Integrated near-infrared spectral sensing » par Kaylee D. Hakkel, Maurangelo Petruzzella, Fang Ou, Anne van Klinken, Francesco Pagliano, Tianran Liu, Rene PJ van Veldhoven et Andrea Fiore, 10 janvier 2022, Communication Nature. DOI : 10.1038/s41467-021-27662-1
