Une nouvelle technologie de détection 20 fois plus sensible, même dans les liquides

Ty Tkacik

Mesurer avec précision de faibles variations de marqueurs biologiques, comme les protéines et les neurotransmetteurs, ou de produits chimiques nocifs dans l’eau potable peut identifier des problèmes critiques avant qu’ils n’aient l’occasion d’affecter les patients ou l’environnement. Bien que certains capteurs existants puissent surveiller la matière microscopique à l’origine de ces problèmes, ils présentent souvent des limites. Un exemple principal est un dispositif connu sous le nom de transistor à effet de champ, un minuscule composant qui contrôle le flux de courant électrique dans un système, qui peine à rester stable lorsqu’il est exposé à un liquide.

Des chercheurs de Penn State ont conçu un nouveau type de transistor à effet de champ qui peut faciliter une détection réactive et polyvalente, même dans des environnements riches en liquide comme le corps humain. Les capteurs construits avec les transistors de l’équipe étaient jusqu’à 20 fois plus sensibles à divers signaux chimiques et biologiques, comme les produits chimiques dangereux dans l’eau ou les niveaux de dopamine dans le cerveau, que d’autres capteurs construits avec des conceptions de transistor comparables. L’équipe a publié ses travaux dans npj 2D Materials and Applications.

La technologie est basée sur le graphène, un matériau bidimensionnel (2D) conducteur et très sensible à son environnement malgré une épaisseur de seulement quelques atomes. Les transistors à effet de champ utilisés dans les biocapteurs ont traditionnellement été construits en silicium, mais sont de plus en plus fabriqués avec des matériaux 2D comme le graphène. Cependant, selon Aida Ebrahimi, professeure associée précoce de carrière Thomas et Sheila Roell en génie électrique et auteure correspondante de l’article, lorsqu’ils sont immergés dans un liquide, ces transistors à effet de champ font face à une dérive du signal — les lectures du capteur dérivent progressivement au fil du temps, même lorsque les entrées mesurées restent les mêmes, ce qui réduit la précision.

« Outre la dérive du signal, ces dispositifs luttent contre les fuites électriques et l’instabilité causée par le balayage, une technique de mesure courante qui impacte considérablement leur fiabilité au fil du temps », explique Ebrahimi, qui occupe également des postes en génie biomédical et en science et génie des matériaux. « Cela rend difficile l’application de ces transistors dans les bio-interfaces, comme les dispositifs implantables, ou dans toute interaction avec un fluide. »

Les transistors à effet de champ fonctionnent essentiellement comme un robinet dans un évier, explique Vinay Kammarchedu, un candidat au doctorat en génie électrique et premier auteur de l’article. Lorsque le robinet — ou grille, dans le langage électronique — est ouvert, le transistor à effet de champ permet au courant de circuler librement dans un système. Lorsque le robinet ou la grille se ferme, le flux s’arrête. Cependant, prendre des mesures avec des capteurs conventionnels nécessite d’ajuster constamment ce robinet de haut en bas. Selon Kammarchedu, ce déplacement constant provoque une instabilité dans le système, conduisant à des lectures inexactes.

« Nous avons ajusté la conception pour avoir deux grilles plutôt qu’une, nous permettant d’avoir un contrôle indépendant sur la quantité de courant traversant le système », déclare Kammarchedu. « En utilisant deux grilles, nous pouvons maintenir le courant constant dans le système, éliminant une cause principale de dérive du signal. En plus, nous avons ajouté un système de rétroaction à l’une des grilles pour suivre plus précisément l’impact que les molécules ont sur la tension du capteur. »

Kammarchedu explique que le système de rétroaction fonctionne en exploitant la capacité électrique différente de chaque grille — la grille supérieure a une capacité 10 fois supérieure à celle de la grille inférieure, ce qui signifie qu’elle est très sensible à l’environnement, tandis que la grille inférieure agit comme un contrepoids électronique rigide. Cette relation entre les grilles amplifie les signaux traversant le transistor et augmente considérablement la réactivité globale du capteur.

« S’il y a un minuscule changement chimique dans la charge à la surface du capteur, nous le voyons multiplié par 10 dans nos mesures grâce à ce système de rétroaction », affirme Kammarchedu. « Cela nous permet de voir clairement des changements très mineurs dans les lectures chimiques. »

L’équipe a utilisé le laboratoire de nanofabrication de Penn State pour créer ses transistors, en structurant des métaux ultra-minces, un oxyde isolant et une couche de graphène d’un atome d’épaisseur sur une couche de base constituée de plaquettes de silicium — des disques polis de silicium qui servent de matériau de base dans la fabrication de puces. Ils ont ensuite intégré plusieurs capteurs directement dans une série de cartes de circuits imprimés sur mesure, qu’ils ont câblées ensemble. Pour tester leur conception, l’équipe a ajouté des solutions liquides contenant différents composés biologiques et chimiques aux capteurs une fois qu’ils étaient câblés sur les cartes, en mesurant dans quelle mesure les capteurs pouvaient suivre le contenu de chaque échantillon.

« Nous pouvons intégrer jusqu’à 32 capteurs et mesurer chacun indépendamment sans interférence électrique », souligne Kammarchedu. « En empilant des réseaux de ces cartes de circuits ensemble, nous pouvons augmenter le nombre de capteurs dans un système, tout en gardant les capteurs eux-mêmes très petits. »

Les capteurs de l’équipe ont démontré une sensibilité jusqu’à 20 fois supérieure à celle d’autres transistors à effet de champ à grille unique conventionnels et jusqu’à 15 fois moins de dérive du signal. Selon Ebrahimi, un autre point fort majeur des capteurs est qu’ils peuvent surveiller efficacement une variété de cibles chimiques et biologiques — y compris les neurotransmetteurs comme la dopamine et la sérotonine dans le cerveau ; l’IL-6, un agent protéique largement responsable de l’inflammation ; et les PFAS, les produits chimiques synthétiques nocifs qui persistent dans l’eau contaminée, entre autres environnements.

« Non seulement les transistors sont très résistants au bruit électrique et à la dérive du signal, mais les améliorations d’ingénierie que nous avons introduites augmentent considérablement leur sensibilité », déclare Ebrahimi. « Cela rend les applications de détection extrêmement larges. Ils peuvent détecter efficacement des produits chimiques et des biomolécules à faible concentration dans les applications de soins de santé, et pour la surveillance agricole et environnementale. »

L’équipe prévoit de continuer à développer l’architecture de détection et de préparer la technologie à une utilisation commerciale. Actuellement, ils optimisent les capteurs pour identifier les composés organiques volatils associés à la maladie de Parkinson. En détectant les marqueurs plus tôt, explique Ebrahimi, les cliniciens pourraient potentiellement améliorer les interventions précoces. Les chercheurs explorent également l’utilisation de différents matériaux 2D dans leur architecture pour peut-être améliorer les capacités de détection de leur dispositif.

« Penn State est un leader en matériaux, donc nous sommes vraiment enthousiastes à l’idée de continuer à explorer comment notre système fonctionne avec différents matériaux 2D et si nous pouvons optimiser les performances avec des matériaux autres que le graphène », affirme Ebrahimi. « Notre système compact comble le fossé entre les matériaux à l’échelle nanométrique et les outils de diagnostic portables pratiques. Cette architecture est déjà miniaturisée, réalisable à plus grande échelle et peut être directement intégrée dans des cartes de circuits imprimés traditionnelles et des formats de circuits intégrés. »

Article : Active dual-gated graphene transistors for low-noise, drift-stable, and tunable chemical sensing – Journal : npj 2D Materials and Applications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : PSU