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Hybrid Molecule-Nanocrystal Assemblies for Photonic and Electronic Sensing Applications

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Des nano-dispositifs mixtes pour détecter les ions

La demande augmente pour des systèmes rapides et sensibles de détection des composants du sang ainsi que des métaux lourds dans l'eau. De nouveaux nano-capteurs mixtes (organiques et minéraux) développés avec le soutien de l'UE auront un impact important sur la sécurité de l'environnement et sur la santé.

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La pénurie d'eau à l'échelle mondiale a augmenté la demande pour des systèmes rapides et économiques de détection de la pollution. En médecine, il faut disposer de techniques innovantes et économiques d'analyse des électrolytes, pour diagnostiquer rapidement certaines maladies au niveau des urgences. Le projet HYSENS («Hybrid molecule-nanocrystal assemblies for photonic and electronic sensing applications») a donc associé des molécules organiques et des nano-cristaux inorganiques pour détecter avec exactitude des ions dans l'eau et dans des matrices sériques artificielles. Le projet a été un succès remarquable, avec 3 demandes de brevet, 38 publications dans des revues à comité de lecture, et 5 thèses de doctorat. Le fait de détecter les ions plus rapidement, exactement et économiquement, devrait avoir un impact majeur sur de nombreux secteurs, comme les diagnostics à la maison ou sur le lieu de soins, et les utilisations en laboratoire ou pour l'environnement. Les chercheurs ont synthétisé des ligands organiques avec des groupes d'ancrage, pour y lier des nano-cristaux inorganiques et des groupes fonctionnels, afin de former des complexes sélectifs avec des ions. La formation des complexes engendre un signal optique ou électrique au niveau des nano-cristaux, ce qui signale la présence des ions. Les chercheurs ont fabriqué et caractérisé quatre catégories de structures mixtes. Les partenaires ont obtenu une détection optique dans l'eau et le sérum. La détection par luminescence a montré une forte affinité avec des ions de métaux lourds tels que le plomb (Pb2+) et le cuivre (Cu2+), avec des limites de détection inférieures à 10 et 1 microgramme/litre, respectivement. L'équipe a aussi détecté l'ion sodium (Na+) avec une limite de quelques milligrammes par litre. La détection basée sur les changements de l'intensité de diffusion dans des nanoparticules inorganiques a montré une forte sensibilité pour les ions mercure (Hg2+) et Cu2+. L'équipe a fabriqué un capteur optique avec lecteur optique intégré, pour mesurer la fluorescence et la diffusion. La détection électrique a été tout aussi efficace. Les chercheurs ont ainsi détecté électrochimiquement l'ion potassium (K+) au niveau millimolaire, grâce à des transistors organiques sélectifs des ions. Ils ont utilisé des transistors à effet de champ en nanofil de silicium pour détecter l'ion Na+ avec une limite de 100 microgrammes/litre. En intégrant les transistors à effet de champ dans des cellules microfluidiques, ils ont pu détecter en même temps les ions Na+ et fluorure (F-) dans l'eau et le sérum. La recherche dans les nano-systèmes mixtes organiques-inorganiques se concentre actuellement aux États-Unis, et la concurrence se développe en Asie. Le projet HYSENS contribuera à renforcer la position de l'Europe et, à long terme, apportera d'importants avantages pour la santé et l'environnement.

Mots‑clés

Nano-dispositifs mixtes, détection d'ions, assemblages de nano-cristaux, photonique, capteurs électroniques

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