Solution de capteur vérifie l'équilibre électrolytique

Une puce de capteur photonique développée dans le cadre du projet optION, avec huit canaux de détection sur la plateforme matérielle en nitrure de silicium. © leto digital Leontopoulos GbR / L'une des puces de capteur photonique développées dans le cadre du projet optION, avec huit canaux de détection en nitrure de silicium. © leto digital Leontopoulos GbR

Les électrolytes sont essentiels pour l'équilibre hydrique et la répartition des fluides dans l'organisme humain. Étant donné que les particules chargées dissoutes dans le sang s'influencent mutuellement dans leur équilibre complexe, la concentration de divers de ces micromineraux est déterminée en cas de suspicion de trouble. Dans le cadre du projet optION, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les Technologies de l'Information, Heinrich-Hertz-Institut, HHI, en collaboration avec des partenaires issus de disciplines variées, se sont réunis pour développer un concept d'appareil qui réduit considérablement la quantité de sang nécessaire à l'analyse grâce à une solution sensorielle photonique, facilitant ainsi considérablement le processus de test pour toutes les parties prenantes.

Que ce soit en cas de maladies rénales, insuffisance cardiaque, intoxication alcoolique ou diabète mellitus – il est indispensable de vérifier l'équilibre électrolytique pour le diagnostic médical de ces et de nombreuses autres maladies graves. Leur composition dans différentes parties du corps est précisément équilibrée. Si elle change, cela peut avoir des conséquences dramatiques : par exemple, si la concentration d'ions sodium est trop faible, il est possible que les cellules cérébrales gonflent et provoquent un coma. Les appareils de mesure actuellement utilisés nécessitent pour chaque électrolyte une sonde de mesure séparée. Pour pouvoir alimenter toutes les sondes, une prise de sang d'environ 70 à 80 microlitres est nécessaire. Le volume de sang prélevé, souvent insuffisant chez les jeunes enfants ou les patients âgés, ne suffit pas toujours.

Pour relever ce défi, des équipes spécialisées en médecine, mécanique des fluides, chimie des surfaces, photonique et électronique de l'entreprise Eschweiler de Kiel, de la société Scienion AG, de la Charité – Universitätsmedizin Berlin et du Fraunhofer HHI se sont regroupées au sein du consortium optION. Leur objectif : explorer et promouvoir un nouveau principe de mesure basé sur la photonique, permettant une analyse précise de très petites quantités de sang. Et il y avait une autre motivation qui animait les chercheurs : ils voulaient développer un concept d'appareil permettant aux utilisateurs finaux de tester rapidement, simplement et confortablement différents paramètres de santé dans des zones difficiles d'accès. »On peut comparer cela à un simple test de glycémie», explique le chef de projet Jakob Reck du Fraunhofer HHI : »Une piqûre – et la petite goutte qui sort du doigt suffit pour déterminer immédiatement tous les paramètres pertinents.«

Microrésonateurs en anneaux pour la détermination des électrolytes

Les experts ont utilisé des résonateurs en anneaux comme capteurs photonique. Les guides d'ondes intégrés, très sensibles, sont fabriqués à partir de nitrure de silicium et sont directement produits dans les salles blanches du Fraunhofer HHI. Ces guides forment un anneau dans lequel la lumière proche infrarouge peut interagir avec elle-même et avec l'environnement.

Lorsqu’un analyte se dépose sur cet anneau, son indice de réfraction effectif et sa résonance optique se déplacent. »L'anneau devient désaccordé, un peu comme une corde de guitare«, explique Reck. »Lorsque l'analyte touche l'anneau, c'est-à-dire la corde, la tonalité change. Et nous pouvons rendre ces cordes de guitare en photonique extrêmement sensibles – pour une détection claire du signal et une analyse précise.«

La correspondance spécifique du signal d’un capteur avec un électrolyte est assurée par la fonctionnalisation de la surface du capteur : des scientifiques de la société Scienion ont recouvert les résonateurs en anneaux de molécules de capture spéciales. Seul l'analyte ciblé peut s’accrocher à l’anneau via un principe clé-serrure, influençant ainsi le champ lumineux dans le guide d’ondes. Cette modification est directement liée à la quantité de molécules déposées. Étant donné que même de très faibles variations dans les propriétés optiques peuvent être mesurées, il a été possible pour les spécialistes de détecter avec une grande précision même une quantité minime de substance.

Pour ces capteurs photonique fonctionnalisés, le laboratoire de biofluidique de la Charité de Berlin a développé une microfluidique qui dirige de petites quantités de liquide vers les puces. Plusieurs capteurs en anneaux, recouverts de différentes couches, sont inondés avec un échantillon. Ainsi, la concentration en électrolytes peut être déterminée à partir de moins de 20 microlitres de volume. Ensuite, les experts de l'entreprise Eschweiler et du Fraunhofer HHI ont combiné des capteurs et la microfluidique avec une électronique de commande, de lecture et d’analyse adaptée, pour créer un prototype fonctionnel, dont la performance a été testée au Fraunhofer HHI ainsi que par l'Institut de médecine de laboratoire, de chimie clinique et de biochimie pathologique de la Charité.

Mesure précise et grande flexibilité

Et ces tests parlent d’eux-mêmes : »Notre procédé est extrêmement flexible et très fiable«, se réjouit le scientifique du Fraunhofer HHI Reck. »Quelle que soit la paramètre que l’on examine, nous dépassons généralement la limite de détection requise d’au moins deux ordres de grandeur par rapport aux tests établis. Et nos possibilités sont très variées, car la surface de nos résonateurs peut être adaptée à de nombreux analytes.«

De plus, les capteurs photonique du consortium sont très petits et permettent une mesure sensible de volumes minimaux ainsi qu’une détection parallèle de différents électrolytes et autres biomarqueurs via une multiplexation de plusieurs anneaux sensoriels. »Nous avons une puce sur laquelle sont intégrés huit résonateurs en anneaux, et cette puce sensorielle a la taille d’un ongle. On peut donc miniaturiser et intégrer fortement la technologie«, précise Reck. De plus, le capteur est conçu pour une acquisition rapide des données en temps réel, permettant par exemple de suivre la cinétique de surface lors de la liaison des biomolécules.

Le démonstrateur actuel du module de capteur tient dans une boîte à chaussures et permet de développer un petit appareil portable qui pourrait remplacer les bancs d’essais en laboratoire et être facilement utilisé en extérieur. De plus, il fonctionne sur batterie, sans besoin de connexion électrique, ce qui facilite encore plus sa manipulation.

Solution interdisciplinaire – large applicabilité

Jakob Reck considère l’interdisciplinarité comme une valeur ajoutée exceptionnelle du projet, ainsi qu’un facteur qui a initialement mis au défi les membres du consortium : »Il s’agissait de réaliser un concept innovant qui répond aux besoins du marché – en intégrant tous les aspects : des puces photonique à la fonctionnalisation de surface, en passant par la microfluidique et l’intégration de l’appareil. Un tel projet ne peut réussir qu’avec beaucoup de communication et la volonté de comprendre les besoins des autres disciplines.«

Le résultat de cette recherche, achevée en octobre 2022, est remarquable. Les partenaires impliqués envisagent déjà la poursuite de projets – ils disposent de nombreuses idées et la demande du marché est forte. Ainsi, en 2022, le projet collaboratif PolyChrome Berlin a été lancé : il vise à explorer de nouvelles applications en détection et en analyse, qui peuvent également être réalisées à moindre coût. Dans ce contexte, l’analyse avec des capteurs photonique est également essentielle, et des experts du Fraunhofer HHI participent également à ce projet. »Cela montre la grande applicabilité de notre solution, car dans ce projet, nous allons au-delà de la médecine et essayons d’établir ces capteurs dans le domaine des sciences de la vie, par exemple pour la détection de vitamines. Un autre domaine d’application passionnant concerne l’analyse de l’eau et de l’environnement pour des tests rapides dans les cours d’eau ou les canalisations, notamment pour détecter les cyanobactéries«, révèle l’expert du Fraunhofer Jakob Reck. De petits capteurs en anneaux, capables de faire bouger de grandes choses, prouveront leur efficacité dans un avenir proche à plusieurs reprises.