Notre planète abrite de nombreuses créatures dotées de sens plus avancés que les humains. Les tortues peuvent détecter le champ magnétique de la Terre. Les crevettes mantis peuvent détecter la lumière polarisée. Les éléphants peuvent entendre des fréquences beaucoup plus basses que les humains. Les papillons peuvent percevoir une gamme plus large de couleurs, comme la lumière ultraviolette (UV).
Inspirée par le système visuel amélioré du papillon Papilio xuthus, une équipe de chercheurs a développé un capteur d’imagerie capable de « voir » dans la gamme UV inaccessible aux yeux humains.
Principaux enseignements
| Le capteur d’imagerie a été inspiré par le système visuel amélioré du papillon Papilio xuthus. |
| Le capteur utilise des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite pour imager différentes longueurs d’onde dans la gamme UV. |
| Le capteur peut être utilisé en médecine pour différencier les cellules cancéreuses des cellules saines avec une confiance de 99%. Il peut également être utilisé pour en savoir plus sur les espèces qui sont capables de voir dans l’UV, ainsi que pour mieux comprendre l’environnement sous-marin. |
| La capture de la lumière UV est difficile car elle est absorbée par de nombreux matériaux. De plus, comme les humains ne peuvent pas voir la lumière UV, il est difficile de capturer les informations UV. |
La conception du capteur
La conception du capteur utilise des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite (PNC) capables d’imager différentes longueurs d’onde dans la gamme UV. En utilisant les signatures spectrales des marqueurs biomédicaux, comme les acides aminés, cette nouvelle technologie d’imagerie est même capable de différencier les cellules cancéreuses des cellules normales avec une confiance de 99%.
Cette nouvelle recherche, dirigée par le professeur d’ingénierie électrique et informatique de l’Université de l’Illinois ( Urbana-Champaign ), Viktor Gruev, et le professeur de bioingénierie Shuming Nie, a été récemment publiée dans la revue Science Advances.
L’inspiration des papillons
« Nous nous sommes inspirés du système visuel des papillons, qui sont capables de percevoir plusieurs régions du spectre UV, et avons conçu une caméra qui reproduit cette fonctionnalité », explique Viktor Gruev.
« Nous avons fait cela en utilisant de nouveaux nanocristaux de pérovskite, combinés à la technologie d’imagerie au silicium, et cette nouvelle technologie de caméra peut détecter plusieurs régions UV. »
La lumière UV et ses défis
La lumière UV est un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont plus courtes que celles de la lumière visible (mais plus longues que les rayons X). Nous connaissons le plus souvent le rayonnement UV du soleil et les dangers qu’il pose pour la santé humaine.
La lumière UV est classée en trois régions différentes – UVA, UVB et UVC – en fonction de différentes gammes de longueurs d’onde. Comme les humains ne peuvent pas voir la lumière UV, il est difficile de capturer les informations UV, surtout pour discerner les petites différences entre chaque région. Les papillons, cependant, peuvent voir ces petites variations dans le spectre UV, comme les humains peuvent voir les nuances de bleu et de vert.
Imiter la vision des papillons
Pour reproduire le mécanisme de détection des UV du papillon Papilio xuthus, l’équipe de l’UIUC a émulé le processus en combinant une fine couche de PNC avec un réseau étagé de photodiodes au silicium.
Les PNC sont une classe de nanocristaux semi-conducteurs qui présentent des propriétés uniques similaires à celles des points quantiques – changer la taille et la composition de la particule modifie les propriétés d’absorption et d’émission du matériau.
Applications en santé et au-delà
Il existe divers marqueurs biomédicaux présents dans les tissus cancéreux à des concentrations plus élevées que dans les tissus sains – acides aminés (blocs de construction des protéines), protéines et enzymes. Lorsqu’ils sont excités par la lumière UV, ces marqueurs s’illuminent et fluorescent dans le spectre UV et une partie du spectre visible, dans un processus appelé autofluorescence.
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En synthèse
Gruev, Nie et leur équipe de recherche collaborative envisagent d’utiliser ce capteur pendant la chirurgie. L’un des plus grands défis est de savoir combien de tissu enlever pour assurer des marges claires et un tel capteur peut aider à faciliter le processus de décision lorsqu’un chirurgien enlève une tumeur cancéreuse.
« Cette nouvelle technologie d’imagerie nous permet de différencier les cellules cancéreuses des cellules saines et ouvre de nouvelles applications passionnantes au-delà de la santé », conclut le professeur Nie.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la lumière UV et pourquoi est-elle importante?
La lumière UV est un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont plus courtes que celles de la lumière visible. Elle est classée en trois régions différentes – UVA, UVB et UVC – en fonction de différentes gammes de longueurs d’onde. La lumière UV est importante car elle peut être utilisée pour détecter des marqueurs biomédicaux, tels que les acides aminés, qui sont présents en plus grande concentration dans les tissus cancéreux que dans les tissus sains.
2. Comment le capteur d’imagerie a-t-il été conçu?
Le capteur d’imagerie a été conçu en utilisant des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite capables d’imager différentes longueurs d’onde dans la gamme UV. Il a été inspiré par le système visuel amélioré du papillon Papilio xuthus.
3. Comment le capteur d’imagerie fonctionne-t-il?
Le capteur d’imagerie fonctionne en absorbant les photons UV et en réémettant de la lumière dans le spectre visible, qui est ensuite détectée par les photodiodes au silicium. Le traitement de ces signaux permet de cartographier et d’identifier les signatures UV.
4. Quelles sont les applications potentielles de ce capteur d’imagerie?
Le capteur d’imagerie a de nombreuses applications potentielles, notamment en médecine, où il peut être utilisé pour différencier les cellules cancéreuses des cellules saines avec une confiance de 99%. Il peut également être utilisé pour en savoir plus sur les espèces qui sont capables de voir dans l’UV, ainsi que pour mieux comprendre l’environnement sous-marin.
5. Quels sont les défis associés à la capture de la lumière UV?
La capture de la lumière UV est difficile car elle est absorbée par de nombreux matériaux. De plus, comme les humains ne peuvent pas voir la lumière UV, il est difficile de capturer les informations UV, en particulier pour discerner les petites différences entre chaque région.
Gruev, Viktor et al. « Imaging sensor inspired by butterfly vision. » Science Advances, 2023.
Article : « Bioinspired, vertically stacked, and perovskite nanocrystal–enhanced CMOS imaging sensors for resolving UV spectral signatures » – DOI: 10.1126/sciadv.adk3860
Légende illustration principale : Représentation artistique d’un papillon au-dessus du capteur d’imagerie bioinspiré. Credit : Le Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign
