Des chimistes lituaniens ont mis au point des capteurs d'oxygène qui peuvent être utilisés pour l'emballage des aliments et le diagnostic du cancer
Une sensibilité record
Des chercheurs de l'université de technologie de Kaunas (KTU), en Lituanie, ont mis au point de nouveaux composés organiques qui agissent comme des capteurs d'oxygène extrêmement sensibles. Ces capteurs peuvent détecter avec précision les moindres quantités d'oxygène dans l'environnement - une information cruciale dans les situations où la concentration d'oxygène peut déterminer le succès d'un processus ou même la vie d'une personne.
Dr Matas Gužauskas.
KTU
Les capteurs peuvent être utilisés en médecine, par exemple pour diagnostiquer l'hypoxie tumorale - un état dans lequel il n'y a presque pas d'oxygène autour d'une tumeur -, dans l'industrie alimentaire - pour vérifier si l'emballage a perdu son étanchéité - et en biotechnologie - pour surveiller avec précision les processus de culture cellulaire. En outre, leur performance peut être observée à l'œil nu, tandis que leur sensibilité record garantit une détection rapide et fiable.
Aucun composé toxique n'est utilisé
"Nous avons mis au point deux nouveaux matériaux qui agissent comme des capteurs d'oxygène extrêmement sensibles. Leur luminescence dépend de la présence d'oxygène dans l'environnement - en l'absence d'oxygène, la lumière non seulement s'intensifie mais change également de couleur, passant du bleu au vert. Ce changement peut être observé à l'œil nu, ce qui permet de détecter l'oxygène sans équipement complexe", explique l'un des auteurs de l'innovation, le Dr Matas Gužauskas.
Les composés mis au point à la KTU fonctionnent par phosphorescence, un type de lueur qui se produit à température ambiante. Il s'agit d'une propriété rare et très précieuse pour les composés organiques, car la plupart d'entre eux ne brillent qu'à très basse température.
La phosphorescence se produit lorsqu'une molécule est excitée et entre dans un état d'énergie spécial appelé état triplet. À partir de cet état, la lumière est émise pendant plus longtemps que dans la fluorescence normale. Cette émission de longue durée est extrêmement sensible à l'oxygène : lorsque les molécules d'oxygène rencontrent une molécule excitée, elles capturent son énergie et suppriment la lueur.
Traditionnellement, des complexes de métaux lourds tels que l'iridium ou le platine sont utilisés pour obtenir la phosphorescence. "Ces métaux sont très chers, ce qui augmente considérablement le coût du produit final. De plus, leurs dérivés sont souvent toxiques et nocifs pour l'environnement. Pour ces raisons, leur utilisation est particulièrement problématique en biologie, en médecine ou dans l'industrie alimentaire, où la sécurité est la priorité absolue", explique M. Gužauskas, chercheur à la faculté de technologie chimique (CTF) de la KTU.
Une alternative, découverte par les scientifiques de la KTU, est constituée de dérivés du thianthrène. Il s'agit de molécules organiques contenant deux atomes de soufre dans leur structure et présentant une structure unique, courbée et non plate. "Ce sont précisément les atomes de soufre et la structure spécifique de la molécule qui lui permettent d'émettre de la lumière pendant longtemps", ajoute le Dr Gužauskas.
Une sensibilité record
Les composés mis au point présentent une sensibilité record, comme le montre la constante de Stern-Volmer. Pour l'un des composés, cette constante est l'une des plus élevées jamais enregistrées pour des capteurs organiques sans métal, ce qui permet la détection fiable et rapide des plus petites quantités d'oxygène.
Cette sensibilité exceptionnelle ouvre un large éventail d'applications. "Nous voyons un potentiel particulier en médecine et sommes impatients de trouver des partenaires qui pourraient nous aider à évaluer la compatibilité biologique des matériaux et à explorer leur utilisation dans la recherche sur les cellules ou les tissus", déclare M. Gužauskas.
Les composés pourraient être utilisés dans des capteurs biomédicaux et des outils de bio-imagerie pour surveiller les cellules, les tissus ou les processus métaboliques en temps réel. Ils sont également bien adaptés aux dispositifs de surveillance environnementale mesurant les niveaux d'oxygène dans l'eau ou l'air, ainsi qu'aux emballages intelligents dans les industries alimentaire et pharmaceutique, où ils pourraient tester l'intégrité d'un produit.
En outre, les matériaux peuvent être adaptés pour être utilisés dans des encres de sécurité, dont l'authenticité ne peut être vérifiée que dans des conditions spécifiques, et dans divers dispositifs optoélectroniques.
Selon le chercheur, la synthèse de ces composés est relativement simple : elle repose sur des réactions chimiques bien établies, ce qui signifie qu'une fois les conditions optimisées, la production pourrait être augmentée pour une application plus large.
La recherche, menée dans le cadre du projet du Centre d'excellence en sciences physiques et technologiques (TiFEC), a impliqué les travaux du Dr Rasa Keruckienė et de l'étudiant en doctorat de la KTU Lukas Dvilys. Selon les chercheurs, ce projet n'ouvre pas un domaine entièrement nouveau, mais il établit une nouvelle norme dans le domaine existant. M. Gužauskas est convaincu que ces résultats pourraient jeter les bases de percées scientifiques majeures.
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