La chimie du nez

Un nouveau nez chimique portable peut identifier une large gamme de produits chimiques

20.03.2024

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Le nez d'un organisme vivant est essentiellement un détecteur de molécules biologiques qui envoie des signaux neurologiques au cerveau, qui décode alors une odeur particulière. Le nez humain, avec ses six millions de récepteurs olfactifs, peut distinguer plus de mille milliards de senteurs, tandis que certains nez canins possèdent jusqu'à 300 millions de récepteurs, ce qui leur confère une sensibilité accrue en parties par billion. Les "nez électroniques" sont des dispositifs électroniques capables de "renifler" et d'identifier des odeurs et des saveurs vaporisées. Généralement reliés à un important équipement de laboratoire, ces nez synthétiques ne sont pas facilement transportables, ce qui a incité les chercheurs à concevoir de nouveaux capteurs transportables capables d'identifier une large gamme de produits chimiques.

Des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'université de Pittsburgh ont développé ce potentiel en concevant un système à petite échelle qui forme des motifs tridimensionnels, qui servent d'"empreintes" chimiques permettant d'identifier les produits chimiques présents dans les solutions. Le chercheur principal est Anna C. Balazs, professeur distingué de génie chimique, avec l'auteur principal et postdoc Moslem Moradi, et le postdoc Oleg E. Shklyaev. Ces travaux ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

"Les catalyseurs sont très sélectifs ; seuls certains réactifs peuvent déclencher une réaction catalytique particulière. En raison de cette sélectivité, les catalyseurs en solution peuvent révéler l'identité des réactifs. Si les bons réactifs sont ajoutés au fluide, la réaction qui en résulte génère l'écoulement spontané du fluide ; l'écoulement, à son tour, peut plier et façonner des objets flexibles immergés dans la solution", a expliqué M. Balazs. "Si des poteaux flexibles sont attachés à la base d'une chambre remplie de liquide et enduits d'enzymes spécifiques, les réactifs ajoutés forceront les poteaux à se plier dans différentes directions et à former des motifs visuels distincts.

"Ce qui est étonnant, c'est que chaque réactif, ou combinaison de réactifs, produit un motif distinct. En fait, les produits chimiques laissent une "empreinte digitale" distinctive qui nous permet d'identifier la composition chimique de la solution".

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Dans la simulation, Moradi a construit une chambre de quatre millimètres de côté et d'un millimètre de haut, avec 81 poteaux flexibles. Seuls quelques poteaux situés à des endroits précis ont été recouverts d'un des trois types d'enzymes. "Si nous examinons des réactions spécifiques, nous pouvons discerner les formes qu'elles contribuent à donner au motif global. Par conséquent, nous pouvons contrôler les motifs et ajuster leur apparence". explique M. Moradi.

"En outre, si les réactifs sont ajoutés un par un, nous pouvons former un kaléidoscope chimique, car un motif se transforme en douceur en un autre lorsque les réactifs précédents sont consommés par la réaction et qu'un nouveau réactif est ajouté à la solution.

M. Shklyaev ajoute que ces résultats sont remarquables parce que les poteaux sont semblables à des nœuds électroniques. Les poteaux sont comme des interrupteurs et se déplacent dans une direction spécifique régulée par le flux", a-t-il déclaré, "et les motifs révèlent les empreintes chimiques". La chimie se produit à l'échelle nanométrique, et nous observons à l'échelle du millimètre des motifs visibles formés par les poteaux, qui peuvent réfléchir la lumière et donc être détectés à l'œil nu." Parallèlement, les résultats mettent en évidence un moyen de diriger le flux dans la chambre sans construire de nouvelles parois pour chaque application, ce qui pourrait élargir l'utilité d'un dispositif fluidique donné.

"Nos tests ont utilisé trois enzymes différentes, ce qui nous a permis de générer de multiples motifs différents en réponse à seulement trois produits chimiques différents. Comme chacun des 81 poteaux peut potentiellement être recouvert d'une enzyme différente, le nombre total de motifs possibles augmente de façon exponentielle avec le nombre de poteaux. D'un point de vue conceptuel, les motifs sont une analogie des réponses électrochimiques que le cerveau produit pour identifier les odeurs ou les parfums".

Balazs a ajouté : "Comme chaque réactif laisse une empreinte spécifique, nous pouvons constituer une base de données de modèles. Nous pouvons utiliser cette base de données pour détecter un produit chimique dangereux ou une toxine d'origine hydrique en comparant le modèle généré avec d'autres dans la base de données pour identifier une correspondance.

"Notre système jette les bases d'une boîte à outils simple et portable qui vous permet d'ajouter le produit chimique dans une chambre et le motif visuel qui en résulte identifie la substance. C'est un nez chimique à la fois beau et simple".

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Publication originale

Moslem Moradi, Oleg E. Shklyaev, Anna C. Balazs; "Integrating chemistry, fluid flow, and mechanics to drive spontaneous formation of three-dimensional (3D) patterns in anchored microstructures"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 121, 2024-3-4

https://www.chemeurope.com/fr/news/1182998/la-chimie-du-nez.html