Capteurs chimiques et biochimiques

La détection d’une espèce chimique ou biochimique ainsi que l’évaluation de sa quantité – ou de sa concentration – peuvent être faites soit à l’aide d’instruments d’analyse tels que les chromatographes ou les divers spectromètres, soit à l’aide de capteurs. Le capteur chimique ou biochimique est un dispositif simple qui est en général constitué d’une partie chimiosélective ou biosélective, permettant la reconnaissance chimique ou biochimique, et d’un système transducteur transformant l’interaction chimique ou biochimique en signal électrique.

Il est de ce fait nécessaire de faire une distinction aussi claire que possible entre ces deux moyens d’analyse sachant que celle-ci sera inévitablement un peu caricaturale.

• On peut dire des instruments d’analyse qu’ils sont généralement complexes, coûteux et souvent difficiles à mettre en œuvre. Ils sont aussi le plus souvent volumineux et tributaires de sources d’énergie relativement importantes, donc peu adaptés à l’analyse sur site. Ils sont enfin affligés de temps de réponse souvent très longs (préparation des échantillons, étalonnage, durée de l’analyse proprement dite, sortie des données... ). En revanche, avantage capital : la conception de ces instruments d’analyse permet d’obtenir une analyse complète du milieu.

• On peut dire des capteurs chimiques ou biochimiques – auxquels de nombreux ouvrages ont été consacrés récemment [1] à [14] – que l’on recherche pour eux la compacité, les conceptions technologiques simples et un faible coût. Leur petite taille et leur faible consommation d’énergie permettent leur utilisation sur site, même quand celui-ci est difficile d’accès. Ils disposent de temps de réponse aussi brefs que possible, qui les rendent aptes à une utilisation en temps réel (surveillance, régulation). En revanche, il est clair que pour l’analyse des mélanges l’utilisation d’un système multicapteur est nécessaire, chacun d’eux étant le plus sélectif possible à une espèce.

  Il est certain que tout cela ne constitue que des considérations très générales sur ces deux types de systèmes de détection et que certains d’entre eux sont parfois difficiles à classer dans l’une de ces deux catégories. Les capteurs chimiques commercialisés sont présentés dans la première partie de ce chapitre, les capteurs biochimiques commercialisés sont présentés dans la troisième partie.

  Ces dernières années, le domaine des capteurs a connu un renouveau tout à fait remarquable. Celui-ci est le résultat de trois facteurs principaux qui ont à la fois vivement animé la recherche dans ce secteur et fortement incité le développement de capteurs de type nouveau. Le premier de ces facteurs est le besoin très vif en capteurs fiables qu’entraîne la croissante sévérité des normes dans tous les domaines touchant à la chimie et à la biochimie (environnement, alimentation, pharmacie, sécurité domestique et industrielle, monitoring médical...). Le second est lié à la généralisation de l’automatisation dans le génie des procédés qui elle aussi requiert, à l’origine de la chaîne, des sondes de qualité. Le troisième est l’intrusion récente et en force des méthodes de microfabrication de l’électronique [15] dans la technologie de réalisation des capteurs [16] [17] [18] . Ce dernier point est sans doute le plus notable car il donne accès au domaine des fabrications collectives avec les avantages qui lui sont liés de bas coût (les capteurs jetables deviennent envisageables ), de gain en fiabilité et d’adaptation aux microcircuits, pour l’instant hybrides mais certainement bientôt monolithiques. De nombreux procédés de microfabrication tridimensionnelle (par exemple la technologie LIGA [19] ) sont venus ensuite compléter les méthodes planaires [20] . Tout cela a naturellement orienté la conception des capteurs vers la miniaturisation à l’échelle micro / millimétrique en suivant pour cela deux voies différentes qui sont présentées dans la seconde partie de ce chapitre :

  • celle de la simple diminution en taille de capteurs macroscopiques, c’est‐à‐dire de taille centimétrique, ayant déjà fait leur preuve. C’est par exemple le cas du microcapteur d’humidité développé par la société Coreci ou celui du microcapteur SnO₂ mis au point par la société Microsens. Cette école est aussi parfaitement illustrée par les travaux de l’Institut de Microtechnologie de Neuchâtel [21] ;

  • celui de la fonctionnalisation de microdispositifs capables de traduire les modifications chimiques subies par l’élément de reconnaissance, le récepteur, en un signal qui en dernier ressort est toujours électrique [22] . Les dispositifs utilisés s’appellent des transducteurs, ce peut être un transistor à effet de champ (Field Effect Transistor FET), un dispositif piézoélectrique, une fibre optique....

  De tels microcapteurs, associés à des microprocesseurs, deviennent capables de réagir à une sollicitation chimique en commandant des actionneurs, donc de devenir « intelligents ».

  Deux points particuliers sont encore à relever dans ce panorama sur les microcapteurs.

• Le premier concerne leur utilisation en réseaux [23] afin de pallier leur manque fréquent de sélectivité. En effet, les espèces moléculaires et ioniques chimiques ne diffèrent pas suffisamment les unes des autres pour que l’on puisse espérer généraliser facilement la réalisation de capteurs sélectifs. Ce n’est pas le cas pour les espèces biochimiques pour lesquelles les interactions sont parfaitement sélectives. Afin de combler cette déficience, il a été proposé d’utiliser des réseaux constitués de capteurs qui diffèrent dans leur réponse individuelle aux composants des mélanges à examiner. L’analyse matricielle des signaux émis par ces capteurs permet alors de remonter à l’information exacte. C’est le domaine de la chimiométrie.

• Le deuxième est celui de la miniaturisation des instruments d’analyse pour les amener dans le domaine centimétrique ou décimétrique. Cette nouvelle voie a été initiée, vers la fin des années 70, par la réalisation à Stanford, d’un microchromatographe comportant une colonne capillaire de 1,50 m gravée dans une tranche de silicium de 5 cm de diamètre [24] . Ce genre de réalisation permet de concilier avantageusement les impératifs de petite taille, faible consommation de réactifs, gain de temps et sélectivité. C’est une direction riche de promesses et technologiquement viable qui fait l’objet de recherches actives [25] [26] [27] .