Pour la détection chimique, il existe deux familles de capteurs : les analyseurs et les biocapteurs. Les analyseurs sont des systèmes mixtes, composés de différents éléments mécaniques, chimiques et électriques, généralement complexes. Au contraire, les biocapteurs qui connaissent un essor remarquable, ont une faible consommation énergétique, un coût réduit, et surtout, un fonctionnement simple. Il s'agit en effet d'une couche sensible interagissant avec les substances à analyser en phase gazeuse ou liquide. Cet article présente les principaux types de capteurs dont les besoins sont énormes dans de nombreux domaines comme la santé, l'environnement, la sécurité, le diagnostic médical ou encore le contrôle de processus dans l’industrie agroalimentaire.
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Marc DEBLIQUY
: Responsable de la cellule de recherche Capteurs à la faculté Polytechnique de Mons (Belgique)
INTRODUCTION
Ces dernières années, la demande en méthodes de détection d'espèces chimiques et de mesure de leur concentration a considérablement augmenté. Cet intérêt est essentiellement dû aux considérations environnementales, de sécurité, de contrôle de procédé ou de diagnostic médical rapide.
Dans le domaine de la détection des espèces chimiques, il convient de distinguer les analyseurs (instruments d'analyse) et les capteurs chimiques.
Les analyseurs sont généralement des systèmes relativement complexes associant différents éléments mécaniques, chimiques et électriques. L'ensemble est souvent coûteux, encombrant et énergivore, ce qui les rend peu aptes à des mesures sur sites. De plus, ces instruments sont souvent affligés d'un temps de réponse long soit par la technique de détection elle-même soit par la nécessité de manipulation des échantillons. On retrouve dans cette catégorie d'instrument, les chromatographes et les divers spectromètres. Les avantages principaux de ces instruments sont la possibilité d'une analyse complète et précise de l'échantillon de gaz.
Les capteurs chimiques ou biochimiques, quant à eux, sont généralement des systèmes simples constitués d'une couche sensible permettant la reconnaissance de l'espèce avec laquelle elle interagit et d'un système transducteur transformant l'interaction chimique en un signal électrique. Souvent, les deux fonctions sont intimement liées.
Les avantages principaux des capteurs chimiques sont : leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faible coût ; les temps de réponse sont relativement courts. Tous ces avantages en font des instruments idéaux pour les mesures sur site et le contrôle de procédé en ligne. Par contre, l'analyse de mélanges complexes nécessite l'emploi d'un grand nombre de capteurs sensibles à l'une ou l'autre espèce.
Il existe plusieurs familles de capteurs chimiques qui se distinguent par le type de couche sensible et le principe de transduction. Ce texte présentera une description des principaux types de capteurs.
Les performances des capteurs sont caractérisées par différents paramètres. Les principaux sont les suivants :
sensibilité : lien entre les variations de signal du capteur et la concentration en espèce cible ;
limite de sensibilité : concentration minimale détectable en espèce cible ;
sélectivité : l'aptitude à détecter l'espèce cible à l'exclusion de toute autre ;
interférents : espèces autres conduisant à une réponse indésirable du capteur ;
temps de réponse : temps requis pour atteindre 90 % de la réponse en régime après mise en contact avec le gaz à détecter ;
temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du signal après évacuation de l'espèce ;
durée de vie : période pendant laquelle les caractéristiques du capteur permettent son utilisation avec un degré de précision suffisant (dépend de l'exigence de l'application) ;
dérive : évolution de la ligne de base du capteur en l'absence de l'espèce cible ;
consommation : puissance absorbée par le capteur en fonctionnement.
À noter que les concepts de temps de récupération et de durée de vie n'ont de sens que pour les capteurs réutilisables. Il existe des cas où on ne recherche pas la réversibilité de la réponse et le capteur n'est utilisé qu'une fois.
Ces dernières années, le domaine des capteurs a connu un développement 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 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 requiert, à l'origine de la chaîne, des sondes de qualité. Le troisième est l'intrusion en force des méthodes de microfabrication de l'électronique dans la technologie de réalisation des capteurs. 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 nombreuses recherches sont menées dans le domaine des capteurs implantables pour le suivi in situ ([RE 108] des Techniques de l'Ingénieur).
Le lecteur intéressé est invité à consulter les références [P 360], [R 420], [BIO 7 100] et [F 4 010] des Techniques de l'Ingénieur. Ce document est un complément du dossier Capteurs chimiques[R 420] du même auteur.
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La majorité des capteurs utilisent des ligands qui s'inspirent de la Nature. L'utilisation d'un composé biologique permet en effet d'apporter au biocapteur une grande spécificité. Les ligands les plus souvent employés sont les enzymes et les anticorps. Mais les cellules entières, les organites cellulaires, les acides nucléiques, les antigènes ou encore les récepteurs de molécules biologiquement actives (hormones, toxines, facteurs de croissance, neurotransmetteurs…) peuvent aussi être utilisés. Il est en fait possible d'utiliser toute molécule biologique permettant l'analyse spécifique de l'« analyte » recherché. On parle de « reconnaissance » de l'analyte.
Les composés biologiques fixés peuvent être séparés en deux catégories : ceux fixant simplement l'analyte sans modification, comme les anticorps et les récepteurs, et ceux ayant une activité catalytique, comme les enzymes et les micro-organismes. Les premiers présentent un problème de réversibilité, ce qui les confine à des mesures discontinues, entrecoupées d'une étape de régénération de la surface.
On distingue donc :
Le cas des biocapteurs d'affinité où l'interaction analyte-ligand conduit à l'équilibre :
( 1 )
où L est le ligand, anticorps par exemple, fixé à la surface du transducteur, S la substance reconnue, antigène par exemple, k1 et k−1 étant les constantes de vitesse respectives des réactions directe et inverse.
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Bibliographie & annexes
English
Principaux types de biocapteurs
