Le laboratoire de Jun Ye à Jila sur le camp de Boulder Cu. Crédit: Patrick Campbell / CU
Les sommeliers experts peuvent prendre une bouffée de verre de vin et vous en dire beaucoup sur ce qui est dans votre pinot noir ou votre cabernet sauvignon. Une équipe de physiciens de CU Boulder et de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) a obtenu un exploit similaire de détection, uniquement pour un éventail de substances beaucoup plus large.
Le groupe a développé un nouveau dispositif laser qui peut prélever n’importe quel échantillon de gaz et identifier une grande variété de molécules en son sein. Il est suffisamment sensible pour détecter ces molécules à des concentrations minuscules jusqu’à des parties par milliard.
Sa conception est également suffisamment simple pour que les chercheurs puissent utiliser la méthode rapidement et à faible coût dans une gamme de milieux, du diagnostic des maladies chez les patients humains pour suivre les émissions de gaz à effet de serre des usines.
L’étude a été dirigée par des scientifiques de Jila, un institut de recherche conjoint entre Cu Boulder et NIST. L’équipe publié leurs résultats dans le journal Nature.
“Même aujourd’hui, je trouve toujours incroyable que l’outil de détection le plus capable puisse en fait être construit avec une telle simplicité, en utilisant uniquement des ingrédients techniques matures mais lié à un algorithme de calcul intelligent”, a déclaré Qizhong Liang, auteur principal de la recherche et un doctorant chez Jila.
Pour montrer de quoi l’outil est capable, Liang et ses collègues ont fait une question importante en médecine: qu’est-ce que vous expirez dans les airs?
L’équipe a analysé les échantillons d’haleine de vrais sujets humains et a montré qu’ils pouvaient, par exemple, identifier les types de bactéries vivant dans la bouche des peuples. La technique pourrait un jour aider les médecins à diagnostiquer le cancer du poumon, le diabète, les maladies pulmonaires obstructives chroniques (MPOC) et bien plus encore.
Le physicien Jun Ye, auteur principal de l’étude, a déclaré que le nouveau travail s’appuie sur près de trois décennies de recherche sur la physique quantique à Cu Boulder et NIST, en particulier autour d’un type d’appareil spécialisé connu sous le nom de laser de peigne de fréquence.
“Le laser de peigne de fréquence a été initialement inventé pour les horloges atomiques optiques, mais très tôt, nous avons identifié sa puissante application de détection moléculaire”, a déclaré Ye, membre de Jila et NIST et professeur à côté de la physique à Cu Boulder.
“Pourtant, il nous a fallu 20 ans pour mûrir cette technique, permettant enfin l’applicabilité universelle de la détection moléculaire.”
Une cavité tremblante
Pour comprendre le fonctionnement de la technologie de l’équipe, il aide à comprendre que tous les gaz, du dioxyde de carbone pur à votre souffle puant après avoir mangé de l’ail, portez une sorte d’empreinte digitale.
Si vous sondez les gaz avec un laser qui couvre plusieurs «fréquences optiques» ou couleurs, les molécules des échantillons de gaz absorberont cette lumière à différentes fréquences. C’est presque comme un cambrioleur laissant derrière lui une empreinte sur une scène de crime.
Les peignes de fréquence sont bien adaptés à cette technique car, contrairement aux lasers traditionnels, ils émettent des impulsions de lumière en milliers à des millions de couleurs en même temps. (Jana Jan Hall a lancé ces lasers, remportant le prix Nobel de physique pour son travail en 2005).
Mais pour détecter les molécules à de faibles concentrations, ces lasers doivent également passer à travers l’échantillon de gaz sur des distances de miles ou plus pour que les molécules puissent absorber suffisamment de lumière.
Pour être pratiques, les scientifiques doivent réaliser que la distance dans les conteneurs pour les gaz mesurés sur l’échelle d’un pied.
“Nous enfermons l’échantillon de gaz avec une paire de miroirs à haute réflectivité, formant une” cavité optique “”, a déclaré Liang. “Le voyant de peigne peut désormais rebondir entre ces miroirs plusieurs milliers de fois pour augmenter efficacement sa longueur de trajet d’absorption avec les molécules.”
Dans la nouvelle étude, Liang et ses collègues ont surmonté ce défi de longue date. Ils ont présenté une nouvelle technique qu’ils ont nommée interférométrie de peigne Ringdown modulée, ou MRCI (prononcé “Mercy”). Plutôt que de garder sa cavité optique stable, l’équipe a périodiquement changé sa taille. Ce tremplin, à son tour, a permis à la cavité d’accepter un spectre de lumière beaucoup plus large.
L’équipe a ensuite déchiffré les modèles d’intensité laser compliqués émergeant de la cavité avec des algorithmes de calcul pour déterminer le contenu chimique des échantillons.
“Nous pouvons désormais utiliser des miroirs avec une réflectivité encore plus grande et envoyer une lumière de peigne avec une couverture spectrale encore plus large”, a déclaré Liang. “Mais ce n’est que le début. Des performances de détection encore meilleures peuvent être établies en utilisant MRCI.”
Un capteur de souffle
L’équipe tourne maintenant son nouveau renifleur à gaz sur l’haleine humaine.
“Exhaled Breath est l’un des échantillons de gaz les plus difficiles à mesurer, mais caractériser ses compositions moléculaires est très important pour son puissant potentiel de diagnostic médical”, a déclaré Apoorva Bisht, co-auteur de The Research and a doctoral dans le laboratoire de Ye.
Bisht, Liang et Ye collaborent désormais avec des chercheurs du campus médical de Cu Anschutz et de l’hôpital pour enfants Colorado pour utiliser MRCI pour analyser une gamme d’échantillons d’haleine. Ils examinent si le MRCI peut distinguer les échantillons prélevés des enfants atteints de pneumonie de ceux prélevés sur des enfants asthmatiques.
Le groupe analyse également le souffle des patients atteints de cancer du poumon avant et après la chirurgie d’élimination des tumeurs et explore si la technologie peut diagnostiquer les personnes aux premiers stades de la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC).
“Il sera extrêmement important de valider notre approche sur les sujets humains du monde réel”, a déclaré Ye. “Grâce à une collaboration étroite avec nos collègues médicaux de Cu Anschutz, nous nous engageons à développer le plein potentiel de cette technique de diagnostic médical.”
Fourni par l’Université du Colorado à Boulder
Citation: L’appareil basé sur le laser peut scanner presque tous les échantillons de gaz et vous dire ce qu’il y a (2025, 19 février) récupéré le 20 février 2025 de
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