Transformer les empreintes des molécules en code-barres

En terme de détection et d’analyse de molécules organiques, la spectroscopie infrarouge est considérée comme la méthode phare. Elle requiert cependant l’utilisation de techniques complexes et d’instruments coûteux et volumineux, dont la miniaturisation représente un vrai défi. Impossible pour l’heure de les utiliser pour de l’analyse sur le terrain- mesure de polluants par exemple - ou dans certaines applications industrielles et médicales. Leur sensibilité en terme de détection est également limitée, lorsqu’il s’agit de détecter de faibles quantités de composants.

A la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, des scientifiques ont collaboré avec l’Université nationale australienne (ANU) pour mettre au point une méthode nanophotonique compacte et sensible, qui permet d’obtenir les caractéristiques des molécules, sans passer par la spectrométrie traditionnelle. Les chercheurs ont déjà utilisé leur technique pour détecter des polymères, des pesticides et des molécules organiques. La plateforme est en outre compatible avec les technologies CMOS.

Il s’agit d’une surface couverte de centaines de minuscules capteurs appelés métapixels, qui permettent de générer un code-barres distinct pour chaque molécule entrant en contact avec elle. Ces code-barres peuvent être analysés et classifiés massivement grâce aux nouveaux outils de classifications et de reconnaissance d’images de type réseaux de neurones artificiels. Cette recherche, à l’intersection entre la physique et le big data, apparaît dans la revue Science.

Une molécule transposée en code-barres
Dans une molécule organique, les ponts qui relient les atomes sont orientés de manière spécifique, et ils vibrent Cela influence la façon dont la molécule absorbe la lumière – ce qu’on appelle sa « signature ». Pour détecter la présence d’une molécule, on envoie un rayon lumineux pour voir si ces fréquences caractéristiques sont absorbées ou non. Cela requiert l’utilisation d’instruments volumineux et coûteux, en laboratoire.

A l’EPFL, les chercheurs proposent une solution ultra-sensible et pouvant être miniaturisée : une plateforme composée de nanostructures qui confinent la lumière à des niveaux nanométriques, pour un haut niveau de détection des composants. « Les molécules que nous voulons détecter sont elles aussi de taille nanométrique, cette étape est donc clé », explique Hatice Altug, directrice du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques, et co-auteur de l’étude. Ces réseaux de nanostructures sont regroupés dans ce que l’on appelle des méta-pixels, qui font chacun résonner la lumière à une fréquence différente.

«Les méta-pixels sont arrangés de façon à ce que les différentes fréquences soient réparties à différents endroits sur la surface », précise Andreas Tittl, premier auteur de la publication.

Lorsqu’une molécule se pose sur la plateforme, la façon dont elle absorbe la lumière modifie le comportement de tous les pixels en contact avec elle. Il en ressort une carte pixélisée de l’absorption de la lumière, que l’on peut transcrire en code-barres moléculaire. Tout cela sans utiliser le moindre spectromètre.

«Grâce aux propriétés optiques uniques de notre capteur, nous pouvons fournir les code-barres même avec des sources et détecteurs de lumière à large bande», indique Aleksandrs Leitis, co-auteur de la publication.

Les applications sont nombreuses. «On peut imaginer fabriquer un test médical portable, par exemple, qui fournirait un code-barre pour tous les biomarqueurs dans un échantillon de sang», illustre Dragomir Neshev, co-auteur de l’étude.

En utilisant les outils d’intelligence artificielle, il serait en outre possible de constituer et fournir une énorme bibliothèque de code-barres moléculaires, pour des composants allant des protéines à l’ADN, en passant par les pesticides et les polymères. Cet outil permettrait aux chercheurs de détecter rapidement d’infimes quantités de composant, dans des milieux complexes.

BioNanoPhotonic Systems Laboratory (BIOS) / Interfaculty Institute of Bioengineering IBI / School of Engineering – School of Life Sciences / EPFL
Nonlinear Physics Centre, Research School of Physics and Engineering, Australian National University, Canberra