Miniatur-Spektrometer pour le smartphone

Configuration de mesure avec prober pour wafers, sondes à fibre optique et wafer avec structures de test. © Fraunhofer ENAS / Configuration de mesure avec prober pour wafers, sondes à fibre optique et wafer avec structures de test. © Fraunhofer ENAS

Détecter les médicaments contrefaits ? Examiner soi-même des échantillons d'eau ? Vérifier la qualité de l'air ? Tout cela pourrait à l'avenir être possible via un smartphone – rapidement, à moindre coût et de manière simple. Cela devient possible grâce à un spectromètre pesant seulement un gramme, développé par l'institut Fraunhofer pour les systèmes nanotechnologiques électroniques ENAS, qui pourrait à l'avenir être produit en masse à l'aide de technologies de puces classiques pour environ un euro.

Les médicaments sont parfois nettement moins chers sur Internet que dans les pharmacies. Mais alors que l'achat direct sur place permet de faire confiance à la qualité des médicaments, l'incertitude demeure souvent lors des achats en ligne, quant à savoir si l'on ne s'est pas fait remettre une contrefaçon inefficace ou autrement composée. À l'avenir, de telles questions pourraient être rapidement et facilement résolues : avec un spectromètre à puce que des chercheurs du Fraunhofer ENAS sont en train de développer. »Notre spectromètre infrarouge ne pèse qu'environ un gramme et devrait à terme coûter moins d'un euro«, explique le Dr. Alexander Weiß, chef du département au Fraunhofer ENAS. »Il pourrait ainsi être intégré, par exemple, dans des smartphones.« Pour comparaison : jusqu'à présent, les spectromètres infrarouges pèsent plusieurs kilogrammes et coûtent plusieurs milliers d'euros. Bien qu'il existe déjà des appareils portables, qui sont un peu plus légers, ils ne conviennent pas non plus au marché de masse – tant en termes de coûts, de taille que d'utilisation et d'interprétation des résultats. D'autres exigences pour pouvoir s'imposer sur le marché de masse : la technologie doit être peu complexe – c'est-à-dire facile à utiliser – et la méthode de fabrication doit être adaptée à la production de masse.

Possibilités d'application variées

Les applications possibles ne se limitent pas à la détection de contrefaçons de médicaments. »Notre spectromètre est intéressant pour de nombreux domaines d'utilisation – par exemple pour évaluer le degré de maturité ou la décomposition microbienne des aliments et des aliments pour animaux, mesurer la qualité de l'air à l'intérieur des bâtiments et des véhicules pour une climatisation contrôlée, ou encore détecter des substances toxiques dans l'air, l'eau ou la nourriture.« Pour cela, le spectromètre – tout comme les spectromètres infrarouges classiques – émet des rayons lumineux dans le domaine infrarouge. La lumière de différentes longueurs d'onde est ensuite décomposée à l'aide d'un filtre à réglage fin et dirigée vers un détecteur via des guides d'ondes intégrés. Des couplages de réseaux avec des nanostructures regroupent notamment la lumière réfléchie par une tablette à tester dans des guides d'ondes intégrés. Si l'on souhaite analyser la qualité de l'air, la lumière passe dans une cellule d'absorption intégrée dans le plan. En appliquant une méthode pour déterminer quelle quantité de lumière parvient au détecteur à chaque longueur d'onde, on obtient un spectre caractéristique, qui diffère pour chaque échantillon, tout comme une empreinte digitale. Une tablette contrefaite, composée différemment, aura donc un spectre différent de celui du médicament original.

Mais comment l'équipe de chercheurs a-t-elle réussi à réduire autant la taille du spectromètre, alors que son fonctionnement général est similaire ? »Les spectromètres classiques sont généralement composés de composants discrets, plus ou moins bien intégrés. Nous avons intégré à la fois la conduite de la radiation, la séparation des différentes longueurs d'onde et la détection dans un seul plan – c'est pourquoi nous parlons aussi d'un spectromètre in-plane«, explique Weiß.

Utilisation simple, fabrication peu coûteuse

Pour que le spectromètre puisse à l'avenir être intégré par exemple dans des smartphones, il ne suffit pas d'avoir une petite taille. Le système doit également être facile et intuitif à utiliser, tout en fournissant des analyses claires à l'utilisateur. Les chercheurs ont déjà une approche : des algorithmes intelligents et adaptatifs. »Lorsqu'une grande quantité de personnes utilise la technologie, le système apprend rapidement«, indique Weiß. Pour l'utilisateur, cela signifie : il sort son téléphone, lance le spectromètre via une application spécifique, le tient au-dessus d'une tablette et reçoit en plus des instructions pour réaliser la mesure correctement. Le spectromètre crée automatiquement le spectre, et le logiciel le compare à des spectres de référence stockés dans une base de données par du personnel qualifié. Plus il y a d'utilisateurs, plus les possibilités de comparaison augmentent. L'utilisateur ne voit que le résultat, par exemple »Médicament original«. Un autre point crucial concerne le coût de fabrication du spectromètre. L'équipe de chercheurs en a également tenu compte dès le départ. »Nous avons conçu le spectromètre de manière à pouvoir le produire en masse à moindre coût en utilisant les technologies classiques de la microtechnologie. Les fabricants peuvent directement s'appuyer sur les processus standard des grandes lignes de fabrication, appelées FABs«, explique Weiß.

Les premiers chips de spectromètre ont déjà été fabriqués, la preuve de concept est réalisée. Plusieurs tests sont maintenant prévus : les composants fonctionnent-ils comme prévu ? La lumière injectée dans les guides d'ondes est-elle suffisamment transmise ? Le matériel nécessaire pour ces tests a été financé par la Microélectronique Forschungsfabrik. Si ces investigations se déroulent comme prévu, le spectromètre pourrait entrer sur le marché de masse dans environ deux ans.