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Existe-t-il des capteurs électroniques d'antigènes ?

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Est-il possible d'une manière ou d'une autre d'attacher un anticorps au silicium ou à un autre composant chimique chimique et d'avoir un détecteur électronique de l'antigène correspondant ?

De tels appareils existent-ils ?


Biocapteurs – Types et applications

Le Biocapteur est un appareil analytique, il est donc utilisé pour détecter l'analyte. Il recueille les composants en biologique à l'aide d'un détecteur de type Physicochimique. Les éléments biologiques de détection ne sont rien d'autre que des composants biométriques qui communiquent avec la reconnaissance et analysent l'étude et les composants tels que les anticorps, les tissus et les micro-organismes, les acides nucléiques, etc. Les éléments biologiques sensibles seront générés par génie biologique. Les éléments du détecteur transforment les signaux de l'interface d'un analyte avec les éléments biochimiques en d'autres signaux comme le transducteur et il peut être mesuré et qualifié plus facilement. Les dispositifs Biocapteurs sont associés à l'électronique et aux processeurs de signaux et ils sont généralement responsables de l'affichage des résultats et ils sont conviviaux. La recherche sur les biocapteurs joue un rôle important dans le développement de l'électronique moderne. Cet article traite différent types de biocapteurs travail et applications.


Biocapteurs : caractéristiques, principe et types (avec diagramme)

Un biocapteur est un dispositif analytique contenant un matériel biologique immobilisé (enzyme, anticorps, acide nucléique, hormone, organite ou cellule entière) qui peut spécifiquement interagir avec un analyte et produire des signaux physiques, chimiques ou électriques qui peuvent être mesurés. Un analyte est un composé (par exemple glucose, urée, médicament, pesticide) dont la concentration doit être mesurée.

Les biocapteurs impliquent essentiellement l'analyse quantitative de diverses substances en convertissant leurs actions biologiques en signaux mesurables. Une grande majorité de biocapteurs ont des enzymes immobilisées. Les performances des biocapteurs dépendent principalement de la spécificité et de la sensibilité de la réaction biologique, en plus de la stabilité de l'enzyme.

Caractéristiques générales des biocapteurs:

Un biocapteur a deux composants distincts (Fig. 21.13).

1. Composant biologique—enzyme, cellule, etc.

2. Composant physique—transducteur, amplificateur, etc.

Le composant biologique reconnaît et interagit avec l'analyte pour produire un changement physique (un signal) qui peut être détecté par le transducteur. En pratique, le matériel biologique est immobilisé de manière appropriée sur le transducteur et les biocapteurs ainsi préparés peuvent être utilisés de manière répétée plusieurs fois (peut être environ 10 000 fois) pendant une longue période (plusieurs mois).

Principe d'un biocapteur:

Le matériel biologique souhaité (généralement une enzyme spécifique) est immobilisé par des méthodes conventionnelles (piégeage physique ou membranaire, liaison non covalente ou covalente). Ce matériel biologique immobilisé est en contact intime avec le transducteur. L'analyte se lie au matériel biologique pour former un analyte lié qui produit à son tour la réponse électronique qui peut être mesurée.

Dans certains cas, l'analyte est converti en un produit qui peut être associé à la libération de chaleur, de gaz (oxygène), d'électrons ou d'ions hydrogène. Le transducteur peut convertir les changements liés au produit en signaux électriques qui peuvent être amplifiés et mesurés.

Types de biocapteurs:

Il existe plusieurs types de biocapteurs basés sur les dispositifs de détection et le type de matériaux biologiques utilisés. Quelques-uns d'entre eux sont examinés ci-dessous.

Biocapteurs électrochimiques:

Les biocapteurs électrochimiques sont des dispositifs simples basés sur les mesures des changements de courant électrique, ionique ou de conductance effectuées par des bioélectrodes.

Biocapteurs ampérométriques:

Ces biocapteurs sont basés sur le mouvement des électrons (c'est-à-dire la détermination du courant électrique) à la suite de réactions redox catalysées par des enzymes. Normalement, une tension constante passe entre les électrodes qui peut être déterminée. Dans une réaction enzymatique qui se produit, le substrat ou le produit peut transférer un électron avec la surface de l'électrode à oxyder ou à réduire (Fig. 21.14).

Il en résulte un flux de courant altéré qui peut être mesuré. L'amplitude du courant est proportionnelle à la concentration du substrat. Électrode à oxygène Clark qui détermine la réduction de O2, est la forme la plus simple de biocapteur ampérométrique. La détermination du glucose par la glucose oxydase en est un bon exemple.

Dans les biocapteurs ampérométriques de première génération (décrits ci-dessus), il y a un transfert direct des électrons libérés vers l'électrode qui peut poser quelques difficultés pratiques. Des biocapteurs ampérométriques de deuxième génération ont été développés dans lesquels un médiateur (par exemple des ferrocènes) capte les électrons et les transfère ensuite à l'électrode. Cependant, ces biocapteurs ne sont pas encore devenus populaires.

Biocapteur de glycémie :

C'est un bon exemple de biocapteurs ampérométriques, largement utilisés dans le monde entier par les patients diabétiques. Le biocapteur de glycémie ressemble à un stylo de montre et possède une électrode jetable à usage unique (constituée d'une électrode de référence Ag/AgCI et d'une électrode de travail au carbone) avec de la glucose oxydase et un dérivé du ferrocène (comme médiateur). Les électrodes sont recouvertes de gaze à mailles hydrophile pour une diffusion uniforme d'une goutte de sang. Les bandelettes de test jetables, scellées dans du papier d'aluminium, ont une durée de conservation d'environ six mois.

Un biocapteur ampérométrique pour évaluer la fraîcheur du poisson a été développé. L'accumulation d'ionosine et d'hypoxanthine par rapport aux autres nucléotides indique la fraîcheur du poisson - combien de temps mort et stocké. Un biocapteur utilisant une nucléoside phosphorylase et une xanthine oxydase immobilisées sur une électrode a été développé à cette fin.

Biocapteurs potentiométriques:

Dans ces biocapteurs, les modifications des concentrations ioniques sont déterminées à l'aide d'électrodes sélectives d'ions (Fig. 21.15). L'électrode de pH est l'électrode sélective d'ions la plus couramment utilisée, car de nombreuses réactions enzymatiques impliquent la libération ou l'absorption d'ions hydrogène. Les autres électrodes importantes sont sélectives pour l'ammoniac et le CO2 électrodes sélectives.

La différence de potentiel obtenue entre l'électrode potentiométrique et l'électrode de référence peut être mesurée. Elle est proportionnelle à la concentration du substrat. La limitation majeure des biocapteurs potentiométriques est la sensibilité des enzymes aux concentrations ioniques telles que H + et NH + 4.

Les transistors à effet de champ à sélectivité ionique (ISFET) sont des dispositifs à faible coût qui peuvent être utilisés pour la miniaturisation des biocapteurs potentiométriques. Un bon exemple est un biocapteur ISFET utilisé pour surveiller le pH intra-myocardique pendant une chirurgie à cœur ouvert.

Conduire des biocapteurs métriques:

Il existe plusieurs réactions dans les systèmes biologiques qui entraînent des changements dans les espèces ioniques. Ces espèces ioniques altèrent la conductivité électrique qui peut être mesurée. Un bon exemple de biocapteur métrique de conduite est le biocapteur d'urée utilisant de l'uréase immobilisée. L'uréase catalyse la réaction suivante.

La réaction ci-dessus est associée à une modification drastique de la concentration ionique qui peut être utilisée pour surveiller la concentration en urée. En fait, les biocapteurs d'urée sont utilisés avec beaucoup de succès pendant la dialyse et la chirurgie rénale.

Biocapteurs thermométriques:

Plusieurs réactions biologiques sont associées à la production de chaleur et cela constitue la base des biocapteurs thermométriques. Ils sont plus communément appelés biocapteurs thermiques ou biocapteurs calorimétriques. Une représentation schématique d'un biocapteur thermique est illustrée à la Fig. 21.16. Il se compose d'un caisson calorifugé équipé d'un échangeur de chaleur (cylindre en aluminium).

La réaction a lieu dans un petit réacteur à lit garni d'enzymes. Lorsque le substrat pénètre dans le lit, il est converti en un produit et de la chaleur est générée. La différence de température entre le substrat et le produit est mesurée par des thermistances. Même un petit changement de température peut être détecté par des biocapteurs thermiques.

Les biocapteurs thermométriques sont utilisés pour l'estimation du cholestérol sérique. Lorsque le cholestérol est oxydé par l'enzyme cholestérol oxydase, de la chaleur est générée et peut être mesurée. De même, des estimations de glucose (enzyme-glucose oxydase), d'urée (enzyme-uréase), d'acide urique (enzyme-uricase) et de pénicilline G (enzyme-P lactamase) peuvent être effectuées par ces biocapteurs. En général, leur utilité est cependant limitée. Les biocapteurs thermométriques peuvent être utilisés dans le cadre d'un dosage immunoenzymatique (ELISA) et la nouvelle technique est appelée ELISA thermométrique (TELISA).

Biocapteurs optiques:

Les biocapteurs optiques sont les appareils qui utilisent le principe des mesures optiques (absorbance, fluorescence, chimiluminescence etc.). Ils utilisent des fibres optiques et des transducteurs optoélectroniques. Le mot optrode, représentant une condensation des mots optique et électrode est couramment utilisé. Les biocapteurs optiques impliquent principalement des enzymes et des anticorps comme éléments de transduction.

Les biocapteurs optiques permettent une télédétection non électrique sûre des matériaux. Un autre avantage est que ces biocapteurs ne nécessitent généralement pas de capteurs de référence, car le signal comparatif peut être généré en utilisant la même source de lumière que le capteur d'échantillonnage. Certains des biocapteurs optiques importants sont brièvement décrits ci-dessous.

Biocapteur de lactate à fibre optique:

La figure 21.17 représente le biocapteur de lactate à fibre optique. Son fonctionnement est basé sur la mesure des variations de l'O moléculaire2 concentration en déterminant l'effet d'extinction de O2 sur un colorant fluorescent. La réaction suivante est catalysée par l'enzyme lactate mono-oxygénase.

La quantité de fluorescence générée par le film teint dépend de l'O2. C'est parce que O2 a un effet d'extinction (réduction) sur la fluorescence. Lorsque la concentration de lactate dans le mélange réactionnel augmente, O2 est utilisé, et par conséquent il y a une diminution proportionnelle de l'effet de trempe. Le résultat est qu'il y a une augmentation de la sortie fluorescente qui peut être mesurée.

Biocapteurs optiques pour la glycémie:

L'estimation de la glycémie est très importante pour le suivi du diabète. Une technique simple impliquant des bandes de papier imprégnées de réactifs est utilisée à cet effet. Les bandelettes contiennent de la glucose oxydase, de la peroxydase de raifort et un chromogène (par exemple la toluidine). Les réactions suivantes se produisent.

L'intensité de la couleur du colorant peut être mesurée à l'aide d'un réflectomètre portable. La production de bandes de glucose est une très grande industrie dans le monde entier.

Des bandelettes de test colorimétriques de cellulose recouvertes d'enzymes et de réactifs appropriés sont utilisées pour l'estimation de plusieurs paramètres sanguins et urinaires.

Des biocapteurs luminescents pour détecter les infections urinaires:

Les micro-organismes présents dans l'urine, provoquant des infections des voies urinaires, peuvent être détectés en utilisant des biocapteurs luminescents. A cet effet, l'enzyme immobilisée (voire libre) à savoir la luciférase est utilisée. Les micro-organismes, lors de la lyse, libèrent de l'ATP qui peut être détecté par la réaction suivante. La quantité de lumière émise peut être mesurée par des appareils électroniques.

Autres biocapteurs optiques:

Des dispositifs de détection à fibre optique sont utilisés pour mesurer le pH, le pCO2 et pO2 en soins intensifs et le suivi chirurgical.

Biocapteurs piézoélectriques:

Les biocapteurs piézoélectriques sont basés sur le principe de l'acoustique (vibrations sonores), c'est pourquoi ils sont également appelés biocapteurs acoustiques. Les cristaux piézoélectriques constituent la base de ces biocapteurs. Les cristaux avec des charges positives et négatives vibrent avec des fréquences caractéristiques. L'adsorption de certaines molécules à la surface du cristal modifie les fréquences de résonance qui peuvent être mesurées par des appareils électroniques. Des enzymes avec des substrats gazeux ou des inhibiteurs peuvent également être attachés à ces cristaux.

Un biocapteur piézoélectrique pour insecticide organophosphoré a été développé incorporant l'acétylcholine estérase. De même, un biocapteur de formaldéhyde a été développé en incorporant de la formaldéhyde déshydrogénase. Un biocapteur de cocaïne en phase gazeuse a été créé en fixant des anticorps anti-cocaïne à la surface d'un cristal piézoélectrique.

Limites des biocapteurs piézoélectriques:

Il est très difficile d'utiliser ces biocapteurs pour déterminer des substances en solution. En effet, les cristaux peuvent cesser d'osciller complètement dans les liquides visqueux.

Biocapteurs à cellules entières:

Les biocapteurs à cellules entières sont particulièrement utiles pour les réactions à plusieurs étapes ou nécessitant un cofacteur. Ces biocapteurs peuvent utiliser des cellules microbiennes vivantes ou mortes. Une liste sélectionnée de certains organismes avec les analytes et les types de biocapteurs utilisés est donnée dans le tableau 21.8

Avantages des biocapteurs cellulaires microbiens:

Les cellules microbiennes sont moins chères avec des demi-vies plus longues. De plus, elles sont moins sensibles aux variations de pH et de température par rapport aux enzymes isolées.

Limites des biocapteurs cellulaires microbiens:

Les cellules entières, en général, nécessitent des périodes plus longues pour la catalyse. De plus, la spécificité et la sensibilité des biocapteurs à cellules entières peuvent être inférieures à celles des enzymes.

Immuno-biocapteurs:

Les immuno-biocapteurs ou bio­capteurs immunochimiques fonctionnent sur le principe de la spécificité immunologique, couplée à une mesure (principalement) basée sur des bio­sensors ampérométriques ou potentiométriques. Il existe plusieurs configurations possibles pour les immuno-biocapteurs et certaines d'entre elles sont représentées sur la figure 21.18, et brièvement décrites ci-dessous.

1. Un anticorps immobilisé auquel l'antigène peut se lier directement (Fig. 21.18A).

2. Un antigène immobilisé qui se lie à un anticorps qui à son tour peut se lier à un second antigène libre (Fig. 21.18B).

3. Un anticorps lié à l'antigène immobilisé qui peut être partiellement libéré par compétition avec l'antigène libre (Fig. 21.18C).

4. Un anticorps immobilisé liant un antigène libre et un antigène marqué par une enzyme en compétition (Fig. 21.18D).

Pour les biocapteurs 1-3, des dispositifs piézoélectriques peuvent être utilisés. Les immuno-biocapteurs utilisant des enzymes (4 ci-dessus, Fig. 21.18D) sont les plus couramment utilisés. Ces biocapteurs utilisent des dispositifs thermométriques ou ampérométriques. L'activité des enzymes liées aux immuno-biocapteurs dépend des concentrations relatives des antigènes marqués et non marqués. La concentration de l'antigène non marqué peut être déterminée en dosant l'activité enzymatique.


Une puce semi-conductrice détecte les concentrations d'antigène à 1 partie par quadrillion de masse molaire

Le capteur IoT capture et détecte des traces d'antigènes sur une surface de nanofilm Crédit : Toyohashi University Of Technology.

Le professeur agrégé Kazuhiro Takahashi et le professeur adjoint Yong-Joon Choi du Département de génie électrique et électronique de l'information de l'Université de technologie de Toyohashi ont mis au point une puce capable de détecter les antigènes à raison d'une partie par quadrillion de masse molaire. La puce a été créée à l'aide de la technologie de micro-usinage de semi-conducteurs. Des antigènes dérivés de maladies et présents dans le sang et la salive ont été collés à la surface d'une nanofeuille déformable de manière flexible. La quantité de force générée lors de l'interaction entre les antigènes adhérés a ensuite été convertie en informations de déformation de la nanofeuille afin de détecter avec succès des antigènes spécifiques. Créée avec la technologie des semi-conducteurs usinée à l'échelle millimétrique, cette puce de capteur devrait contribuer à la télémédecine en fonctionnant comme un biocapteur IoT qui permet d'effectuer des tests d'antigènes et d'anticorps à domicile.

L'appareil de mesure détecte simplement et rapidement les maladies en utilisant une infime quantité de sang, d'urine, de salive ou d'autres fluides corporels, et sera un outil essentiel pour diagnostiquer avec précision les maladies, vérifier les résultats du traitement et vérifier les récidives et les métastases. Des recherches sont menées sur un biocapteur capable de mesurer les résultats des traitements et les réactions pathologiques en détectant l'ADN, l'ARN et les protéines contenus dans un tel fluide. Cette technologie a récemment suscité un intérêt dans le monde entier, la détection d'antigènes et d'anticorps étant largement utilisée pour détecter et déterminer la présence de nouvelles infections à coronavirus. De plus, parmi les patients COVID-19, des rapports suggèrent que les patients présentant des symptômes graves présentent des différences dans les concentrations de protéines multiples contenues dans le sang par rapport à ceux présentant des symptômes légers. En examinant ces marqueurs, cette technologie devrait être utilisée pour prédire la gravité de la maladie.

Les dispositifs de détection actuels ne sont pas numérisés et nécessitent une confirmation visuelle des changements de couleur à l'aide d'un agent de marquage. La lecture de la large gamme de marqueurs prend du temps et a rendu difficile la mise en œuvre des appareils IoT. L'équipe de recherche développe une puce de microcapteur qui vérifie les maladies à l'aide d'une nanofeuille déformable de manière flexible fabriquée à l'aide de la technologie de micro-usinage de semi-conducteurs. Tout d'abord, un anticorps qui attrape les antigènes ciblés est fixé sur la nanofeuille, et les déformations d'un film mince causées par des répulsions électriques parmi les antigènes adhérés sont mesurées. Pour améliorer la sensibilité au point où la membrane à laquelle adhèrent les antigènes devient mince et souple, des nanofeuillets organiques deux fois plus souples que le silicium semi-conducteur sont utilisés. Cela devrait améliorer la sensibilité du capteur à une magnitude deux fois supérieure à celle des capteurs conventionnels à base de silicium. En outre, le développement se poursuit sur la technologie de détection de signal qui utilise une caméra de smartphone pour détecter la déformation de la nanofeuille.

Avec ce capteur, conçu pour les changements sensibles d'adhérence des biomolécules, l'anticorps doit être fixé à l'avance sur la nanofeuille afin de capturer l'antigène, et les problèmes liés à la dégradation du film peuvent rendre ce processus difficile. L'équipe de recherche a optimisé la densité pour que les anticorps adhèrent à une nano membrane d'épaisseur réglable, créant un biocapteur qui détecte uniquement les antigènes avec une sensibilité particulièrement élevée. De plus, étant donné qu'il est possible de détecter la déformation de la nanofeuille causée par les molécules collées en temps réel, la technologie devrait permettre une détection rapide des molécules dérivées de la maladie. Le biocapteur développé dans ce projet a été utilisé dans une expérience pour détecter l'albumine, une protéine contenue dans le sang. L'expérience a réussi à détecter un femtogramme (15 attomoles en concentration molaire) d'antigène contenu dans un millilitre. Avec une limite de détection minimale presque équivalente à celle des appareils de détection à grande échelle qui utilisent des agents de marquage, cet appareil devrait permettre une détection ultra-sensible sur une échelle portable.

À l'avenir, l'équipe de recherche prévoit de mener des essais à l'aide de capteurs à semi-conducteurs pour détecter des marqueurs de symptômes graves d'infection au COVID-19. En plus de la détection du sang, des capteurs chimiques sont en cours de développement pour détecter les odeurs et les substances chimiques. Nous pensons que nous pouvons contribuer à une société basée sur l'IoT en faisant de nouveaux dispositifs de capteurs à petite échelle une réalité. Remplaçant la molécule sonde à la surface de notre nanofeuille, la technologie peut être utilisée pour détecter des virus tout en détectant une variété de biomarqueurs. En rendant ces biocapteurs communs dans la société, nous visons à contribuer à la télémédecine, permettant aux médecins d'effectuer des diagnostics à domicile.


Détection d'objets et mesure de distance

Inductif / Capacitif

Les capteurs capacitifs utilisent un champ électrique pour détecter un objet proche, tandis que les capteurs inductifs utilisent un champ magnétique. En raison de cette différence, un capteur inductif ne peut détecter que des objets métalliques, tandis qu'un capteur capacitif est capable de détecter à la fois des objets métalliques et non métalliques.

Les capteurs inductifs et capacitifs ont des distances de détection très limitées jusqu'à environ 60 mm.

Ultrasonique

Les capteurs à ultrasons fonctionnent à l'aide d'ondes sonores d'une fréquence nettement supérieure à la portée de l'audition humaine. Les applications les plus courantes des capteurs à ultrasons sont la détection d'objets et la mesure de distance. Lorsqu'il est utilisé pour détecter des objets sous l'eau ou pour mesurer la profondeur de l'eau, un capteur à ultrasons est appelé sonar.

Contrairement aux capteurs passifs décrits précédemment, un capteur à ultrasons est en réalité un transducteur bidirectionnel qui comprend à la fois un capteur (microphone) et un actionneur (haut-parleur).

Les capteurs à ultrasons contiennent un haut-parleur à ultrasons qui envoie des ondes sonores ultrasonores. Ces ondes se propagent depuis le haut-parleur jusqu'à ce qu'elles frappent un objet. Ils rebondissent ensuite vers le capteur.


Figure 4 – Image montrant l'écholocation à l'aide d'un module à ultrasons HC-SR04.

Le capteur réel détecte alors ces ondes audio renvoyées. En mesurant le temps de trajet total de ces ondes audio, il est relativement facile de calculer la distance de cet objet puisque les ondes sonores se déplacent à une vitesse connue. C'est ce qu'on appelle l'écholocation et c'est le même processus utilisé par les chauves-souris et les dauphins.

Les capteurs à ultrasons de qualité grand public peuvent généralement détecter des objets à des distances allant de quelques centimètres à 10 mètres.

Le HC-SR04 est un module à ultrasons très courant couramment utilisé par les fabricants, mais également approprié pour une production en volume plus élevé. Il s'agit d'un module simple et peu coûteux qui comprend à la fois le capteur à ultrasons (microphone) et l'actionneur (haut-parleur). Il a une portée de 2 cm à 4 m.

Capteurs de lumière

Les capteurs de lumière sont une classification de capteurs extrêmement large qui couvre un grand nombre d'applications. L'une des applications les plus simples d'un capteur de lumière est de détecter les niveaux de lumière ambiante. Par exemple, les lumières extérieures qui s'allument automatiquement au crépuscule utilisent un capteur de lumière.

Les photodiodes à semi-conducteurs et les phototransistors sont les deux types de capteurs de lumière les plus courants. Lorsque des photons de lumière frappent l'appareil, ils génèrent des électrons qui produisent un courant électrique. Ce courant peut être facilement mesuré et converti en une mesure de la lumière ambiante.

Une autre application courante d'un capteur de lumière, sans émetteur de lumière correspondant, est la détection infrarouge passive (PIR). Ils sont dits passifs car ils n'émettent pas d'infrarouge, ils ne font que le détecter.


Figure 5 – Exemple d'un capteur PIR activé par le mouvement avec une lentille de Fresnel.

Un capteur PIR mesure la lumière infrarouge émise par les objets chauds dans son champ de vision. Tout objet au-dessus du zéro absolu (-273°C) émet un rayonnement électromagnétique (généralement infrarouge) qui peut être détecté par un capteur de lumière.

Les capteurs PIR sont le plus souvent utilisés pour détecter le mouvement de personnes, d'animaux ou d'objets. L'éclairage extérieur activé par le mouvement et les systèmes d'alarme antivol utilisent des capteurs PIR.

La plupart des capteurs PIR sont couplés à un type spécial de lentille optique appelée lentille de Fresnel. Cette lentille divise le champ de vision du capteur en segments afin que le capteur puisse détecter de petits incréments de mouvement.

La plupart des capacités vraiment intéressantes des capteurs de lumière brillent (sans jeu de mots) lorsqu'elles sont couplées à un émetteur de lumière (actionneur).

L'application la plus simple est de détecter le passage d'un objet entre l'émetteur et le capteur brisant ainsi le faisceau lumineux. En règle générale, la lumière infrarouge est utilisée qui n'est pas visible à l'œil humain. C'est ainsi que la plupart des ouvre-portes de garage détectent si quelque chose gêne la fermeture de la porte.

Les combos émetteur/capteur de lumière sont également utilisés comme encodeurs optiques pour mesurer la position et la vitesse d'un moteur. Un motif d'ouvertures permet à la lumière de briller lorsque le moteur est à des positions spécifiques. Les capteurs de lumière de l'autre côté détectent la lumière passant à travers ces trous permettant au système de déterminer la position de rotation du moteur.

Heure de vol / LiDAR

Dans le passé, si vous vouliez mesurer la distance à un objet proche, les capteurs à ultrasons étaient votre seule option. Vous vous souviendrez que les capteurs à ultrasons mesurent la distance en chronométrant les ondes sonores réfléchies par l'objet détecté.

Mesurer des distances relativement courtes avec la lumière est beaucoup plus complexe, en raison de la différence entre la vitesse de la lumière et la vitesse du son. Le son parcourt environ 750 miles par heure, tandis que la lumière voyage presque un million de fois plus vite à un incroyable 186 000 miles par seconde !

Mais des capteurs de lumière spéciaux appelés capteurs de temps de vol sont désormais disponibles et peuvent mesurer avec précision la distance en chronométrant le temps de vol du faisceau lumineux. Les semi-conducteurs ne sont pas devenus assez rapides pour rendre cela possible avant les années 2000.

ST Microelectronics propose deux capteurs ToF très impressionnants et à faible coût. Le ST VL53L0X prétend être le plus petit capteur ToF au monde mesurant un peu plus de 2 mm x 4 mm x 1 mm. Leur modèle VL53L1X à plus longue portée est une fraction de millimètre plus grand sur chaque dimension mais augmente la portée de fonctionnement de 2 mètres à 4 mètres.

LiDAR est un acronyme pour détection de la lumière et télémétrie, ou une combinaison des mots léger et radar. LiDAR utilise des capteurs ToF pour cartographier une zone 2D ou 3D. Par exemple, si vous montez un capteur ToF sur un moteur rotatif, vous pouvez cartographier avec précision une zone à 360 degrés d'objets proches. Des systèmes encore plus complexes peuvent effectuer cette numérisation en 3 dimensions, servant de scanner 3D.

De nombreux capteurs peuvent prétendre être LiDAR, mais en réalité, ils utilisent des émetteurs de lumière LED à moindre coût, tandis que les véritables solutions LiDAR utilisent des lasers pour générer le faisceau étroit requis pour des applications de cartographie 2D/3D précises.

Capteurs de gestes

Une autre utilisation des capteurs de lumière est la détection de gestes humains. Les systèmes de jeux vidéo avancés utilisent des lasers, des caméras spécialisées et des processeurs rapides pour détecter des gestes complexes comme frapper une balle de baseball.


Figure 6 – Les jeux vidéo et les applications de réalité virtuelle utilisent la reconnaissance avancée des gestes.

De tels capteurs de gestes avancés ne sont pas appropriés pour des applications de détection de gestes plus simples. Pour les capteurs de gestes simples qui peuvent être facilement intégrés à un microcontrôleur, il est préférable d'utiliser à la place des émetteurs LED infrarouges moins coûteux.

Un simple capteur de gestes peut avoir deux émetteurs IR avec un capteur au milieu. Ce type de capteur peut détecter quand et dans quelle direction un objet passe. Cela permet la mise en œuvre de gestes simples comme un coup de main.

Le capteur de temps de vol ST VL53L0X que j'ai mentionné ci-dessus peut également être utilisé pour une simple détection de geste.


Qu'est-ce qu'un biocapteur ?

Les biocapteurs peuvent être définis comme des dispositifs analytiques qui comprennent une combinaison d'éléments de détection biologique comme un système de capteurs et un transducteur. Lorsqu'on les compare à tout autre dispositif de diagnostic existant actuellement, ces capteurs sont avancés dans les conditions de sélectivité ainsi que de sensibilité. Les applications de ces Biocapteurs comprennent principalement la vérification de la lutte contre la pollution écologique, dans le domaine de l'agriculture ainsi que des industries alimentaires. Les principales caractéristiques des biocapteurs sont la stabilité, le coût, la sensibilité et la reproductibilité.

La forme abrégée du capteur biologique est connue sous le nom de biocapteur. Dans ce capteur, un élément biologique est peut-être une enzyme, un acide nucléique sinon un anticorps. Le bio-élément communique à travers l'analyte en cours de vérification et la réponse biologique peut être transformée en un signal électrique à l'aide du transducteur. En fonction de l'application, les biocapteurs sont classés en différents types tels que les miroirs résonants, les canaris immunitaires, chimiques, les optrodes, les bio-ordinateurs, les glucomètres et les biopuces.

Principaux composants d'un biocapteur

Les diagramme du biocapteur comprend trois segments, à savoir le capteur, le transducteur et les électrons associés. Dans le premier segment, le capteur est une partie biologique sensible, le deuxième segment est la partie détecteur qui modifie le signal résultant du contact de l'analyte, et pour les résultats, il s'affiche de manière accessible. La section finale comprend un amplificateur appelé circuit de conditionnement de signal, une unité d'affichage ainsi que le processeur.

Source de l'image

Principe de fonctionnement du biocapteur

Habituellement, une enzyme spécifique ou un matériau biologique préféré est désactivé par certaines des méthodes habituelles, et le matériau biologique désactivé est en contact proche avec le transducteur. L'analyte se connecte à l'objet biologique pour former un analyte clair qui à son tour donne la réaction électronique qui peut être calculée. Dans certains exemples, l'analyte est remplacé par un dispositif qui peut être connecté à la décharge de gaz, de chaleur, d'ions électroniques ou d'ions hydrogène. En cela, le transducteur peut modifier le dispositif lié le convertir en signaux électriques qui peuvent être modifiés et calculés.

Fonctionnement des biocapteurs

Le signal électrique du transducteur est souvent faible et se superpose à une ligne de base assez élevée. Généralement, le traitement du signal comprend la déduction d'un signal de ligne de base de position, obtenu à partir d'un transducteur associé sans aucun revêtement de biocatalyseur.

Le caractère relativement lent de la réaction du biocapteur atténue considérablement le problème de filtration du bruit électrique. À ce stade, la sortie directe sera un signal analogique, mais il est modifié sous forme numérique et accepté dans une phase de microprocesseur où les informations progressent, sont influencées vers les unités préférées et sont transférées vers un magasin de données.

Avant de discuter des différents types de biocapteurs et de leurs utilisations, nous devons discuter de l'exemple simple de ce biocapteur comme le glucomètre. Ceci est le plus souvent utilisé dans différentes applications médicales. Nous savons que le diabète est l'une des maladies dangereuses qui caractérisent les niveaux de glucose dans le sang des corps humains. Ainsi, pour les patients diabétiques, il est essentiel de vérifier la glycémie dans le sang. Pour cela, un glucomètre est utilisé comme biocapteur pour mesurer la concentration de glucose dans le sang humain.
Généralement, un glucomètre comprend une bandelette pour le test.

Cette bandelette recueille l'échantillon de sang et vérifie le taux de glucose dans le sang. Cette bande comprend un déclencheur ainsi qu'une électrode de type référence. Une fois qu'un échantillon de sang est versé sur la bandelette, une réaction chimique se produit pour générer un courant électrique directement proportionnel à la concentration en glucose. Le processeur utilisé dans le glucomètre est Cortex-M3 sinon Cortex-M4 à travers le flux de courant vers le filtre, l'amplificateur, le convertisseur de tension, une unité d'affichage.

Évolution du biocapteur

La classification des biocapteurs peut se faire en 3 générations en fonction de la quantité d'incorporation du composant séparé comme la technique de connexion de la molécule bioréceptrice sinon la bioreconnaissance vers l'élément du transducteur de base.

Dans la 1ère génération, la molécule du biorécepteur est piégée physiquement dans la zone du capteur de base après une membrane discriminante comme une membrane de dialyse. Dans les générations suivantes, la réalisation de l'immobilisation peut se faire par des liaisons covalentes sur une interface transducteur correctement personnalisée sinon par inclusion dans une matrice polymère sur la surface de transduction.
Dans la 2e génération, les composants individuels restent séparés comme l'électronique de contrôle, la biomolécule et l'électrode d'amplification.

Dans la 3ème génération, le bio-récepteur de type molécule se transforme en un élément essentiel de l'élément de détection de base alors que ces définitions étaient peut-être prévues pour les systèmes d'électrodes enzymatiques, des classifications connexes adaptées aux biocapteurs peuvent généralement être faites. C'est au sein des 2e & 3e générations de familles que l'on observe actuellement la principale tentative de développement.

Caractéristiques

Un biocapteur comprend deux composants principaux distincts, tels qu'un composant biologique tel qu'une cellule, une enzyme et un composant physique tel qu'un amplificateur et un transducteur.

Le composant biologique identifie et communique via l'analyte pour générer un signal qui peut être détecté via le transducteur. Le matériel biologique est correctement immobilisé sur le transducteur et ceux-ci peuvent être fréquemment utilisés de nombreuses fois pendant une longue période.


L'oreille imprimable 'bionic' fusionne l'électronique et la biologie

À l'aide d'outils d'impression 3D, des scientifiques de l'Université de Princeton ont créé une oreille fonctionnelle qui peut « entendre » des fréquences radio bien au-delà de la plage des capacités humaines normales.

L'objectif principal des chercheurs était d'explorer une méthode efficace et polyvalente de fusion de l'électronique avec les tissus. Les scientifiques ont utilisé l'impression 3D de cellules et de nanoparticules – avec une imprimante du commerce achetée sur Internet – suivie d'une culture cellulaire pour combiner une petite antenne spirale avec du cartilage, créant ce qu'ils appellent une oreille bionique.

Les scientifiques de Princeton ont utilisé l'impression 3D pour créer une "oreille bionique" composée d'une antenne spirale et de cartilage, démontrant une méthode efficace de fusion de l'électronique avec les tissus. (Photo de Frank Wojciechowski)

"En général, l'interfaçage de matériaux électroniques avec des matériaux biologiques présente des défis mécaniques et thermiques", a déclaré Michael McAlpine, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à Princeton et chercheur principal du projet. "Auparavant, les chercheurs ont suggéré certaines stratégies pour adapter l'électronique afin que cette fusion soit moins gênante. Cela se produit généralement entre une feuille électronique 2D et une surface du tissu. Cependant, notre travail suggère une nouvelle approche - pour construire et développer la biologie avec l'électronique de manière synergique et dans un format entrelacé en 3D."

L'équipe de McAlpine a réalisé plusieurs avancées ces dernières années impliquant l'utilisation de capteurs et d'antennes médicaux à petite échelle. L'année dernière, un effort de recherche dirigé par McAlpine, Naveen Verma, professeur adjoint de génie électrique, et Fiorenza Omenetto de l'Université Tufts a abouti au développement d'un "tatouage" composé d'un capteur biologique et d'une antenne qui peuvent être fixés à la surface. d'une dent.

Ce projet, cependant, est le premier effort de l'équipe pour créer un organe entièrement fonctionnel : un organe qui non seulement reproduit une capacité humaine, mais l'étend à l'aide de l'électronique embarquée.

"La conception et la mise en œuvre d'organes et de dispositifs bioniques qui améliorent les capacités humaines, connus sous le nom de cybernétique, ont suscité un intérêt scientifique croissant", ont écrit les chercheurs dans un article publié en ligne le 1er mai dans la revue savante Nano Letters. "Ce domaine a le potentiel de générer des pièces de rechange personnalisées pour le corps humain, ou même de créer des organes contenant des capacités au-delà de ce que la biologie humaine fournit habituellement."

L'étudiant diplômé Manu Mannoor et le professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial Michael McAlpine inspectent l'oreille bionique développée dans leur laboratoire. (Photo de Frank Wojciechowski)

L'ingénierie tissulaire standard consiste à ensemencer des types de cellules, telles que celles qui forment le cartilage de l'oreille, sur un échafaudage d'un matériau polymère appelé hydrogel. Cependant, les chercheurs ont déclaré que cette technique a des problèmes pour reproduire des structures biologiques tridimensionnelles complexes. La reconstruction de l'oreille "reste l'un des problèmes les plus difficiles dans le domaine de la chirurgie plastique et reconstructive", ont-ils écrit.

Pour résoudre le problème, l'équipe s'est tournée vers une approche de fabrication appelée impression 3D. Ces imprimantes utilisent la conception assistée par ordinateur (CAO) pour concevoir des objets sous forme de matrices de tranches minces. L'imprimante dépose ensuite des couches d'une variété de matériaux - allant du plastique aux cellules - pour construire un produit fini. Les partisans disent que le processus, également appelé fabrication additive, promet de révolutionner les industries domestiques en permettant à de petites équipes ou à des individus de créer un travail qui ne pouvait auparavant être effectué que par des usines.

La création d'organes à l'aide d'imprimantes 3D est une avancée récente que plusieurs groupes ont signalé avoir utilisé la technologie à cette fin au cours des derniers mois. Mais c'est la première fois que des chercheurs démontrent que l'impression 3D est une stratégie efficace pour tisser des tissus avec de l'électronique.

La technique a permis aux chercheurs de combiner l'électronique de l'antenne avec des tissus dans la topologie très complexe d'une oreille humaine. Les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D ordinaire pour combiner une matrice d'hydrogel et de cellules de veau avec des nanoparticules d'argent qui forment une antenne. Les cellules de veau se sont ensuite développées en cartilage.

Manu Mannoor, étudiant diplômé du laboratoire de McAlpine et auteur principal de l'article, a déclaré que la fabrication additive ouvre de nouvelles façons de penser l'intégration de l'électronique avec les tissus biologiques et rend possible la création de véritables organes bioniques dans leur forme et leur fonction. Il a dit qu'il pourrait être possible d'intégrer des capteurs dans une variété de tissus biologiques, par exemple, un médecin pourrait remplacer le ménisque du genou déchiré d'un patient par un ménisque bionique pour surveiller la tension sur le nouveau cartilage pendant les activités physiques afin d'éviter une autre déchirure.

David Gracias, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Johns Hopkins et co-auteur de la publication, a déclaré que combler le fossé entre la biologie et l'électronique représente un défi formidable qui doit être surmonté pour permettre la création de prothèses et d'implants intelligents. .

"Les structures biologiques sont molles et spongieuses, composées principalement d'eau et de molécules organiques, tandis que les appareils électroniques conventionnels sont durs et secs, composés principalement de métaux, de semi-conducteurs et de diélectriques inorganiques", a-t-il déclaré. "Les différences de propriétés physiques et chimiques entre ces deux classes de matériaux ne pourraient pas être plus prononcées."

L'oreille finie consiste en une antenne enroulée à l'intérieur d'une structure cartilagineuse. Deux fils partent de la base de l'oreille et s'enroulent autour d'une "cochlée" hélicoïdale - la partie de l'oreille qui détecte le son - qui peut se connecter à des électrodes. Bien que McAlpine prévienne que des travaux supplémentaires et des tests approfondis devraient être effectués avant que la technologie puisse être utilisée sur un patient, il a déclaré que l'oreille pourrait en principe être utilisée pour restaurer ou améliorer l'audition humaine. Il a déclaré que les signaux électriques produits par l'oreille pourraient être connectés aux terminaisons nerveuses d'un patient, de la même manière qu'une prothèse auditive. Le système actuel reçoit des ondes radio, mais il a déclaré que l'équipe de recherche prévoyait d'incorporer d'autres matériaux, tels que des capteurs électroniques sensibles à la pression, pour permettre à l'oreille d'enregistrer les sons acoustiques.

En plus de McAlpine, Verma, Mannoor et Gracias, l'équipe de recherche comprend : Winston Soboyejo, professeur de génie mécanique et aérospatial et l'Institut de Princeton pour la science et la technologie des matériaux Karen Malatesta, chercheur en génie mécanique et aérospatial Yong Lin Kong, étudiant diplômé en génie mécanique et aérospatial à Princeton et Teena James, étudiant diplômé en génie chimique et biomoléculaire à Johns Hopkins.

L'équipe comprenait également Ziwen Jiang, un lycéen de la Peddie School de Hightstown, N.J., qui a participé dans le cadre d'un programme de sensibilisation pour les jeunes chercheurs du laboratoire de McAlpine.

"Ziwen Jiang est l'un des lycéens les plus spectaculaires que j'aie jamais vus", a déclaré McAlpine. "Nous n'aurions pas pu mener à bien ce projet sans lui, en particulier dans sa maîtrise de la CAO des oreilles bioniques."

Le projet a été soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency, l'Air Force Office of Scientific Research, les National Institutes of Health et le Grand Challenges Program de l'Université de Princeton.


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Plus d'informations sur les tests moléculaires :


Comment les tests moléculaires détectent-ils le SARS-CoV-2 ?

La plupart des tests moléculaires pour le SRAS-CoV-2 utilisent le processus de réaction en chaîne de la polymérase quantitative par transcriptase inverse en temps réel (rRT-PCR). Tout au long de ce site, la majorité des kits moléculaires sont étiquetés comme rRT-PCR. Les tests inclus ont été désignés comme leurs fabricants les ont répertoriés, bien que dans certains cas, ils utilisent la qPCR. Si un test fournit des informations quantitatives, et pas seulement qualitatives (oui/non), cela nécessite une (q)PCR quantitative en plus de la PCR. Ces tests reposent sur les mêmes étapes de base :

  1. Détecter le matériel génétique (ADN ou ARN) spécifique au pathogène
     
  2. Amplifier (faire plus de copies de) la région détectée du matériel génétique de l'agent pathogène
     
  3. Produire une mesure de sortie de la quantité de matériel génétique amplifié, s'il est présent dans l'échantillon

À l'étape 1, les chercheurs conçoivent de petits morceaux d'ADN simple brin appelés « amorces », qui correspondent précisément à une zone spécifique du génome viral. Les amorces se fixent ensuite ou "s'hybrident" aux zones spécifiques du génome viral et fournissent le squelette pour l'amplification de cette région. Lors de la construction d'amorces, les chercheurs recherchent des parties spécifiques d'un génome viral qui sont uniques au virus en question. Parce que l'ARN viral est trop petit pour être visualisé et détecté en si petites quantités, une amplification du signal est nécessaire.

Pour la plupart des génomes à base d'ARN viral, une autre étape appelée transcription inverse est nécessaire. Le génome du SRAS-CoV-2 est composé d'ARN, qui est moins stable et plus sensible aux rayons UV et à la dégradation par les enzymes que l'ADN. Par conséquent, l'extraction de l'ARN et son utilisation dans les tests doivent être effectuées avec soin pour préserver le matériel génétique. La transcription inverse utilise des protéines appelées enzymes transcriptase inverse pour traduire l'ARN en ADN, qui est une molécule plus stable.

À l'étape 2, la zone dans laquelle les amorces se fixent ou s'hybrident est amplifiée en cycles répétés. Ces cycles sont conçus pour imiter étroitement les processus naturels de réplication de l'ADN dans toutes les cellules humaines. Dans la plupart des tests PCR, les cycles d'amplification reposent sur des changements de température programmés qui encouragent la séparation de l'ADN double brin, permettent aux enzymes de réplication de créer une nouvelle copie de l'ADN, puis de refermer les brins nouvellement formés. Pour cette raison, la plupart des tests PCR doivent avoir lieu dans des machines appelées « thermocycleurs », qui permettent des ajustements de la durée du cycle, de la température et du nombre d'itérations. Les exceptions à ce processus sont les méthodes isothermes, telles que l'amplification isotherme à médiation par boucle (LAMP), qui ne nécessitent pas de cycles de chauffage pour amplifier l'ADN cible. L'étape 2 se poursuit jusqu'à ce que les chercheurs aient synthétisé suffisamment de matériel génétique pour qu'ils puissent lire.

À l'étape 3, le résultat du processus d'amplification est étudié et les chercheurs sont en mesure de visualiser le virus dans l'échantillon. Dans les machines RT-qPCR en temps réel, la sortie lisible est affichée sous la forme de fluorescence que le matériau amplifié dégage lorsque sa quantité augmente après plusieurs cycles d'amplification.

Bien que tous les tests répertoriés ci-dessous ne soient pas des tests rRT-qPCR, tous les tests moléculaires sont développés pour informer les chercheurs de la présence de l'agent pathogène, soit en identifiant son matériel génétique, soit en identifiant des marqueurs uniques de l'agent pathogène lui-même. Une étape d'amplification est cruciale pour ces tests car sinon les chercheurs seraient incapables de détecter facilement et rapidement la présence de ces petites molécules.


Contenu

Une première observation de fluorescence a été décrite en 1560 par Bernardino de Sahagún et en 1565 par Nicolás Monardes dans l'infusion connue sous le nom de lignum néphritique (Latin pour "bois de rein"). Il est dérivé du bois de deux espèces d'arbres, Pterocarpus indicus et Eysenhardtia polystachya. [1] [2] [3] [4] Le composé chimique responsable de cette fluorescence est la matlaline, qui est le produit d'oxydation de l'un des flavonoïdes présents dans ce bois. [1]

En 1819, Edward D. Clarke [5] et en 1822 René Just Haüy [6] décrivent la fluorescence dans les fluorites, Sir David Brewster décrit le phénomène pour la chlorophylle en 1833 [7] et Sir John Herschel fait de même pour la quinine en 1845. [ 8] [9]

Dans son article de 1852 sur la « Réfrangibilité » (changement de longueur d'onde) de la lumière, George Gabriel Stokes a décrit la capacité du spath fluor et du verre d'uranium à transformer la lumière invisible au-delà de l'extrémité violette du spectre visible en lumière bleue. Il a nommé ce phénomène fluorescence : "Je suis presque enclin à forger un mot, et appeler l'apparence fluorescence, de spath fluor [c'est-à-dire fluorite], comme terme analogue opalescence est dérivé du nom d'un minéral." [10] Le nom est dérivé du minéral fluorite (difluorure de calcium), dont certains exemples contiennent des traces d'europium divalent, qui sert d'activateur fluorescent pour émettre de la lumière bleue. expérience, il a utilisé un prisme pour isoler le rayonnement ultraviolet de la lumière du soleil et a observé la lumière bleue émise par une solution d'éthanol de quinine exposée par celle-ci. [11]

Mécanisme Modifier

La fluorescence se produit lorsqu'une molécule, un atome ou une nanostructure excités se détend à un état d'énergie inférieur (généralement l'état fondamental) par émission d'un photon sans changement de spin électronique. Lorsque les états initial et final ont une multiplicité (spin) différente, le phénomène est appelé phosphorescence.

L'état excité S1 peut se détendre par d'autres mécanismes qui n'impliquent pas l'émission de lumière. Ces processus, appelés processus non radiatifs, entrent en compétition avec l'émission de fluorescence et diminuent son efficacité. [12] Les exemples incluent la conversion interne, le croisement intersystème vers l'état triplet et le transfert d'énergie vers une autre molécule. Un exemple de transfert d'énergie est le transfert d'énergie de résonance de Förster. La relaxation d'un état excité peut également se produire par extinction collisionnelle, un processus dans lequel une molécule (l'extincteur) entre en collision avec la molécule fluorescente pendant sa durée de vie à l'état excité. Oxygène moléculaire (O2) est un extincteur de fluorescence extrêmement efficace simplement en raison de son état fondamental triplet inhabituel.

Rendement quantique Modifier

Le rendement quantique de fluorescence donne l'efficacité du processus de fluorescence. Il est défini comme le rapport entre le nombre de photons émis et le nombre de photons absorbés. [13] [12]

Le rendement quantique de fluorescence maximum possible est de 1,0 (100%) chaque photon absorbé entraîne l'émission d'un photon. Les composés avec des rendements quantiques de 0,10 sont toujours considérés comme assez fluorescents. Une autre façon de définir le rendement quantique de la fluorescence est le taux de décroissance de l'état excité :

est la somme de tous les taux de décroissance de l'état excité. D'autres taux de décroissance de l'état excité sont causés par des mécanismes autres que l'émission de photons et sont donc souvent appelés « taux non radiatifs », qui peuvent inclure : conversion interne, et croisement intersystème. Ainsi, si le taux de n'importe quelle voie change, à la fois la durée de vie de l'état excité et le rendement quantique de fluorescence seront affectés.

Les rendements quantiques de fluorescence sont mesurés par comparaison à un standard. [14] Le sel de quinine sulfate de quinine dans une solution d'acide sulfurique était considérée comme l'étalon de fluorescence le plus courant, [15] cependant, une étude récente a révélé que le rendement quantique de fluorescence de cette solution est fortement affecté par la température et ne devrait plus être utilisé comme solution étalon. La quinine dans l'acide perchlorique 0,1M (Φ=0,60) ne montre aucune dépendance à la température jusqu'à 45°C, elle peut donc être considérée comme une solution étalon fiable. [16]

Modifier à vie

La durée de vie de fluorescence fait référence au temps moyen pendant lequel la molécule reste dans son état excité avant d'émettre un photon. La fluorescence suit généralement une cinétique de premier ordre :

Diagramme de Jablonski Modifier

Le diagramme de Jablonski décrit la plupart des mécanismes de relaxation pour les molécules à l'état excité. Le diagramme ci-contre montre comment la fluorescence se produit en raison de la relaxation de certains électrons excités d'une molécule. [17]

Anisotropie de fluorescence Modifier

Les fluorophores sont plus susceptibles d'être excités par des photons si le moment de transition du fluorophore est parallèle au vecteur électrique du photon. [18] La polarisation de la lumière émise dépendra également du moment de transition. Le moment de transition dépend de l'orientation physique de la molécule de fluorophore. Pour les fluorophores en solution, cela signifie que l'intensité et la polarisation de la lumière émise dépendent de la diffusion rotationnelle. Par conséquent, les mesures d'anisotropie peuvent être utilisées pour étudier la liberté de mouvement d'une molécule fluorescente dans un environnement particulier.

L'anisotropie de fluorescence peut être définie quantitativement comme

Fluorescence Modifier

Les pigments fortement fluorescents ont souvent un aspect inhabituel qui est souvent décrit familièrement comme une « couleur néon » (à l'origine « day-glo » à la fin des années 1960, au début des années 1970). Ce phénomène a été appelé "Farbenglut" par Hermann von Helmholtz et "fluorence" par Ralph M. Evans. On pense généralement que cela est lié à la luminosité élevée de la couleur par rapport à ce qu'elle serait en tant que composant du blanc. La fluorescence déplace l'énergie de l'éclairage incident des longueurs d'onde les plus courtes vers les plus longues (comme le bleu vers le jaune) et peut ainsi rendre la couleur fluorescente plus brillante (plus saturée) qu'elle ne pourrait l'être par réflexion seule. [19]

Il existe plusieurs règles générales qui traitent de la fluorescence. Chacune des règles suivantes a des exceptions, mais ce sont des lignes directrices utiles pour comprendre la fluorescence (ces règles ne s'appliquent pas nécessairement à l'absorption à deux photons).

La règle de Kasha Modifier

La règle de Kasha dicte que le rendement quantique de la luminescence est indépendant de la longueur d'onde du rayonnement d'excitation. [20] Cela se produit parce que les molécules excitées se désintègrent généralement jusqu'au niveau vibratoire le plus bas de l'état excité avant que l'émission de fluorescence n'ait lieu. La règle de Kasha-Vavilov ne s'applique pas toujours et est gravement violée dans de nombreuses molécules simples. Une déclaration un peu plus fiable, bien que toujours avec des exceptions, serait que le spectre de fluorescence montre très peu de dépendance à la longueur d'onde du rayonnement d'excitation. [21]

Règle d'image miroir Modifier

Pour de nombreux fluorophores, le spectre d'absorption est une image miroir du spectre d'émission. [22] Ceci est connu sous le nom de règle de l'image miroir et est lié au principe de Franck-Condon qui stipule que les transitions électroniques sont verticales, c'est-à-dire les changements d'énergie sans changement de distance, comme cela peut être représenté par une ligne verticale dans le diagramme de Jablonski. Cela signifie que le noyau ne bouge pas et que les niveaux de vibration de l'état excité ressemblent aux niveaux de vibration de l'état fondamental.

Changement de Stokes Modifier

En général, la lumière fluorescente émise a une longueur d'onde plus longue et une énergie plus faible que la lumière absorbée. [23] Ce phénomène, connu sous le nom de décalage de Stokes, est dû à une perte d'énergie entre le moment où un photon est absorbé et celui où un nouveau est émis. Les causes et l'ampleur du décalage de Stokes peuvent être complexes et dépendent du fluorophore et de son environnement. Cependant, il existe des causes communes. Elle est souvent due à une décroissance non radiative jusqu'au niveau d'énergie vibratoire le plus bas de l'état excité. Un autre facteur est que l'émission de fluorescence laisse fréquemment un fluorophore dans un niveau vibrationnel plus élevé de l'état fondamental.

Il existe de nombreux composés naturels qui présentent une fluorescence, et ils ont un certain nombre d'applications. Certains animaux des grands fonds, tels que les yeux verts, ont des structures fluorescentes.

Comparé à la bioluminescence et à la biophosphorescence Modifier

Fluorescence Modifier

La fluorescence est l'absorption temporaire des longueurs d'onde électromagnétiques du spectre de la lumière visible par des molécules fluorescentes, et l'émission subséquente de lumière à un niveau d'énergie inférieur. Lorsqu'elle se produit dans un organisme vivant, elle est parfois appelée biofluorescence. Cela fait que la lumière émise est d'une couleur différente de la lumière absorbée. La lumière stimulante excite un électron, élevant l'énergie à un niveau instable. Cette instabilité est défavorable, de sorte que l'électron excité est ramené à un état stable presque aussi immédiatement qu'il devient instable. Ce retour à la stabilité correspond à la libération d'un excès d'énergie sous forme de lumière fluorescente. Cette émission de lumière n'est observable que lorsque la lumière stimulante fournit encore de la lumière à l'organisme/objet et est généralement jaune, rose, orange, rouge, vert ou violet. La fluorescence est souvent confondue avec les formes suivantes de lumière biotique, la bioluminescence et la biophosphorescence. [24] Les crapauds citrouilles qui vivent dans la forêt atlantique brésilienne sont fluorescents. [25]

Bioluminescence Modifier

La bioluminescence diffère de la fluorescence en ce qu'elle est la production naturelle de lumière par des réactions chimiques au sein d'un organisme, tandis que la fluorescence est l'absorption et la réémission de la lumière de l'environnement. [24] Les lucioles et la baudroie sont deux exemples d'organismes bioluminescents. [26] Pour ajouter à la confusion potentielle, certains organismes sont à la fois bioluminescents et fluorescents, comme la pensée marine Renilla reniformis, où la bioluminescence sert de source lumineuse pour la fluorescence. [27]

Phosphorescence Modifier

La phosphorescence est similaire à la fluorescence dans son exigence de longueurs d'onde lumineuses en tant que fournisseur d'énergie d'excitation. La différence réside ici dans la stabilité relative de l'électron excité. Contrairement à la fluorescence, dans la phosphorescence, l'électron conserve sa stabilité, émettant une lumière qui continue à « briller dans le noir » même après que la source lumineuse stimulante a été retirée. [24] Par exemple, les autocollants phosphorescents sont phosphorescents, mais il n'y a pas vraiment de biophosphorescent animaux connus. [28]

Mécanismes Modifier

Chromatophores épidermiques Modifier

Les cellules pigmentaires qui présentent une fluorescence sont appelées chromatophores fluorescents et fonctionnent de manière somatique similaire aux chromatophores réguliers. Ces cellules sont dendritiques et contiennent des pigments appelés fluorosomes. Ces pigments contiennent des protéines fluorescentes qui sont activées par les ions K+ (potassium), et ce sont leur mouvement, leur agrégation et leur dispersion dans le chromatophore fluorescent qui provoquent la structuration de la fluorescence dirigée. [29] [30] Les cellules fluorescentes sont innervées de la même manière que les autres chromatophores, comme les mélanophores, des cellules pigmentaires qui contiennent de la mélanine. La structuration et la signalisation fluorescentes à court terme sont contrôlées par le système nerveux. [29] Les chromatophores fluorescents peuvent être trouvés dans la peau (par exemple chez les poissons) juste en dessous de l'épiderme, parmi d'autres chromatophores.

Les cellules fluorescentes épidermiques des poissons répondent également aux stimuli hormonaux des hormones α–MSH et MCH de la même manière que les mélanophores. Cela suggère que les cellules fluorescentes peuvent avoir des changements de couleur tout au long de la journée qui coïncident avec leur rythme circadien. [31] Les poissons peuvent également être sensibles aux réponses de stress induites par le cortisol aux stimuli environnementaux, tels que l'interaction avec un prédateur ou la participation à un rituel d'accouplement. [29]

Phylogénétique Modifier

Origines évolutives Modifier

L'incidence de la fluorescence à travers l'arbre de vie est très répandue et a été étudiée le plus largement chez les cnidaires et les poissons. Le phénomène semble avoir évolué plusieurs fois dans plusieurs taxons tels que les anguilliformes (anguilles), les gobioidei (gobies et poissons cardinaux) et les tétradontiformes (balistes), ainsi que les autres taxons discutés plus loin dans l'article. La fluorescence est hautement génotypiquement et phénotypiquement variable même au sein des écosystèmes, en ce qui concerne les longueurs d'onde émises, les motifs affichés et l'intensité de la fluorescence. Généralement, les espèces qui dépendent du camouflage présentent la plus grande diversité de fluorescence, probablement parce que le camouflage peut être l'une des utilisations de la fluorescence. [32]

Certains scientifiques soupçonnent que les GFP et les protéines de type GFP ont commencé comme des donneurs d'électrons activés par la lumière. Ces électrons ont ensuite été utilisés pour des réactions nécessitant de l'énergie lumineuse. Les fonctions des protéines fluorescentes, telles que la protection solaire, la conversion de la lumière en différentes longueurs d'onde ou la signalisation, auraient évolué secondairement. [33]

Fonctions adaptatives Modifier

Actuellement, on sait relativement peu de choses sur la signification fonctionnelle de la fluorescence et des protéines fluorescentes. [33] Cependant, on soupçonne que la fluorescence peut remplir des fonctions importantes dans la signalisation et la communication, l'accouplement, les leurres, le camouflage, la protection UV et l'antioxydation, la photoacclimatation, la régulation des dinoflagellés et la santé des coraux. [34]

Aquatique Modifier

L'eau absorbe la lumière des longues longueurs d'onde, donc moins de lumière provenant de ces longueurs d'onde se réfléchit pour atteindre l'œil. Par conséquent, les couleurs chaudes du spectre lumineux visuel semblent moins vives à des profondeurs croissantes.L'eau diffuse la lumière de longueurs d'onde plus courtes au-dessus du violet, ce qui signifie que des couleurs plus froides dominent le champ visuel dans la zone photique. L'intensité lumineuse diminue de 10 fois tous les 75 m de profondeur, donc à des profondeurs de 75 m, la lumière est 10 % aussi intense qu'elle l'est en surface, et seulement 1 % aussi intense à 150 m qu'elle l'est en surface. Parce que l'eau filtre les longueurs d'onde et l'intensité de l'eau atteignant certaines profondeurs, différentes protéines, en raison des longueurs d'onde et des intensités de lumière qu'elles sont capables d'absorber, sont mieux adaptées à différentes profondeurs. Théoriquement, certains yeux de poisson peuvent détecter la lumière jusqu'à 1000 m de profondeur. A ces profondeurs de la zone aphotique, les seules sources de lumière sont les organismes eux-mêmes, émettant de la lumière par des réactions chimiques dans un processus appelé bioluminescence.

La fluorescence est simplement définie comme l'absorption d'un rayonnement électromagnétique à une longueur d'onde et sa réémission à une autre longueur d'onde d'énergie inférieure. [32] Ainsi, tout type de fluorescence dépend de la présence de sources lumineuses externes. La fluorescence biologiquement fonctionnelle se trouve dans la zone photique, où il n'y a pas seulement assez de lumière pour provoquer la fluorescence, mais assez de lumière pour que d'autres organismes la détectent. [35] Le champ visuel dans la zone photique est naturellement bleu, de sorte que les couleurs de fluorescence peuvent être détectées comme des rouges vifs, des oranges, des jaunes et des verts. Le vert est la couleur la plus répandue dans le spectre marin, le jaune la deuxième, l'orange la troisième et le rouge la plus rare. La fluorescence peut se produire dans les organismes de la zone aphotique en tant que sous-produit de la bioluminescence de ce même organisme. Une certaine fluorescence dans la zone aphotique est simplement un sous-produit de la biochimie tissulaire de l'organisme et n'a pas de but fonctionnel. Cependant, certains cas d'importance fonctionnelle et adaptative de la fluorescence dans la zone aphotique de l'océan profond constituent un domaine de recherche actif. [36]

Zone photique Modifier

Poisson Modifier

Les poissons osseux vivant dans les eaux peu profondes ont généralement une bonne vision des couleurs en raison de leur vie dans un environnement coloré. Ainsi, chez les poissons d'eau peu profonde, la fluorescence rouge, orange et verte sert très probablement de moyen de communication avec les congénères, en particulier compte tenu de la grande variance phénotypique du phénomène. [32]

De nombreux poissons qui présentent une fluorescence, tels que les requins, les poissons-lézards, les rascasses, les labres et les poissons plats, possèdent également des filtres intraoculaires jaunes. [37] Les filtres intraoculaires jaunes dans les lentilles et la cornée de certains poissons fonctionnent comme des filtres passe-long. Ces filtres permettent aux espèces de visualiser et d'exploiter potentiellement la fluorescence, afin d'améliorer le contraste visuel et les motifs invisibles pour les autres poissons et prédateurs qui n'ont pas cette spécialisation visuelle. [32] Les poissons qui possèdent les filtres intraoculaires jaunes nécessaires pour visualiser la fluorescence exploitent potentiellement un signal lumineux provenant de ses membres. Les motifs fluorescents étaient particulièrement importants chez les poissons à motifs cryptiques possédant un camouflage complexe. Beaucoup de ces lignées possèdent également des filtres intraoculaires passe-long jaunes qui pourraient permettre la visualisation de tels modèles. [37]

Une autre utilisation adaptative de la fluorescence consiste à générer de la lumière orange et rouge à partir de la lumière bleue ambiante de la zone photique pour faciliter la vision. La lumière rouge ne peut être vue que sur de courtes distances en raison de l'atténuation des longueurs d'onde de la lumière rouge par l'eau. [38] De nombreuses espèces de poissons fluorescentes sont petites, vivant en groupe ou benthiques/aphotiques, et ont des motifs remarquables. Cette structuration est causée par un tissu fluorescent et est visible pour les autres membres de l'espèce, mais la structuration est invisible dans d'autres spectres visuels. Ces motifs fluorescents intraspécifiques coïncident également avec la signalisation intra-espèce. Les motifs présents dans les anneaux oculaires pour indiquer la directionnalité du regard d'un individu, et le long des nageoires pour indiquer la directionnalité du mouvement d'un individu. [38] La recherche actuelle soupçonne que cette fluorescence rouge est utilisée pour la communication privée entre les membres de la même espèce. [29] [32] [38] En raison de l'importance de la lumière bleue dans les profondeurs océaniques, la lumière rouge et la lumière des longueurs d'onde plus longues sont brouillées, et de nombreux poissons de récif prédateurs ont peu ou pas de sensibilité à la lumière à ces longueurs d'onde. Les poissons tels que le napoléon qui ont développé une sensibilité visuelle aux longueurs d'onde plus longues sont capables d'afficher des signaux fluorescents rouges qui contrastent fortement avec l'environnement bleu et sont visibles pour leurs congénères à courte distance, mais sont relativement invisibles pour d'autres poissons communs qui ont réduit sensibilités aux grandes longueurs d'onde. Ainsi, la fluorescence peut être utilisée comme signalisation adaptative et communication intra-espèce chez les poissons de récif. [38] [39]

De plus, il est suggéré que les tissus fluorescents qui entourent les yeux d'un organisme soient utilisés pour convertir la lumière bleue de la zone photique ou la bioluminescence verte dans la zone aphotique en lumière rouge pour faciliter la vision. [38]

Requins Modifier

Un nouveau fluorophore a été décrit chez deux espèces de requins, dans lequel il était dû à un groupe non décrit de métabolites de petites molécules bromés tryptophane-kynurénine. [40]

Corail Modifier

La fluorescence remplit une grande variété de fonctions dans le corail. Les protéines fluorescentes des coraux peuvent contribuer à la photosynthèse en convertissant des longueurs d'onde de lumière autrement inutilisables en celles pour lesquelles les algues symbiotiques du corail sont capables d'effectuer la photosynthèse. [41] En outre, les protéines peuvent fluctuer en nombre à mesure que plus ou moins de lumière devient disponible comme moyen de photoacclimatation. [42] De même, ces protéines fluorescentes peuvent posséder des capacités antioxydantes pour éliminer les radicaux oxygénés produits par la photosynthèse. [43] Enfin, en modulant la photosynthèse, les protéines fluorescentes peuvent également servir de moyen de réguler l'activité des symbiotes d'algues photosynthétiques du corail. [44]

Céphalopodes Modifier

Alloteuthis subulata et Loligo vulgaris, deux types de calmars presque transparents, ont des taches fluorescentes au-dessus de leurs yeux. Ces taches réfléchissent la lumière incidente, qui peut servir de moyen de camouflage, mais aussi de signalisation à d'autres calmars à des fins de scolarisation. [45]

Méduse Modifier

Un autre exemple bien étudié de fluorescence dans l'océan est l'hydrozoaire Aequorea victoria. Cette méduse vit dans la zone photique au large de la côte ouest de l'Amérique du Nord et a été identifiée comme porteuse de la protéine fluorescente verte (GFP) par Osamu Shimomura. Le gène de ces protéines fluorescentes vertes a été isolé et est scientifiquement significatif car il est largement utilisé dans les études génétiques pour indiquer l'expression d'autres gènes. [46]

Crevette Mantis Modifier

Plusieurs espèces de crevettes mantes, qui sont des crustacés stomatopodes, dont Lysiosquillina glabriuscula, ont des marques jaunes fluorescentes le long de leurs écailles antennaires et de leur carapace (coquille) que les mâles présentent lors des parades menaçantes envers les prédateurs et autres mâles. La parade consiste à élever la tête et le thorax, à écarter les appendices et autres maxillipèdes frappants et à étendre latéralement les écailles antennaires ovales proéminentes, ce qui fait paraître l'animal plus grand et accentue ses marques jaunes fluorescentes. De plus, à mesure que la profondeur augmente, la fluorescence de la crevette-mante représente une plus grande partie de la lumière visible disponible. Pendant les rituels d'accouplement, les crevettes mantis émettent une fluorescence active et la longueur d'onde de cette fluorescence correspond aux longueurs d'onde détectées par les pigments de leurs yeux. [47]

Zone aphotique Modifier

Siphonophores Modifier

Siphonophores est un ordre d'animaux marins du phylum Hydrozoa qui se compose d'un médusoïde spécialisé et d'un polype zooïde. Certains siphonophores, dont le genre Erenna qui vivent dans la zone aphotique entre des profondeurs de 1600 m et 2300 m, présentent une fluorescence jaune à rouge dans les photophores de leur tentille en forme de tentacule. Cette fluorescence se produit comme un sous-produit de la bioluminescence de ces mêmes photophores. Les siphonophores présentent la fluorescence dans un motif de scintillement qui est utilisé comme un leurre pour attirer les proies. [48]

Poisson-dragon Modifier

Le poisson-dragon prédateur des grands fonds Malacosteus niger, le genre étroitement apparenté Aristostomies et l'espèce Pachystomies microdon utiliser des pigments accessoires rouges fluorescents pour convertir la lumière bleue émise par leur propre bioluminescence en lumière rouge des photophores suborbitaux. Cette luminescence rouge est invisible pour les autres animaux, ce qui permet à ces poissons-dragons une lumière supplémentaire dans les profondeurs sombres de l'océan sans attirer ni signaler les prédateurs. [49]

Terrestre Modifier

Amphibiens Modifier

La fluorescence est répandue parmi les amphibiens et a été documentée dans plusieurs familles de grenouilles, de salamandres et de céciliens, mais son étendue varie considérablement. [50]

La rainette à pois (Hypsiboas punctatus), largement répandu en Amérique du Sud, a été involontairement découvert comme étant le premier amphibien fluorescent en 2017. La fluorescence a été attribuée à un nouveau composé trouvé dans les glandes lymphatiques et cutanées. [51] Le principal composé fluorescent est Hyloin-L1 et il donne une lueur bleu-vert lorsqu'il est exposé à la lumière violette ou ultraviolette. Les scientifiques à l'origine de la découverte ont suggéré que la fluorescence peut être utilisée pour la communication. Ils ont émis l'hypothèse que la fluorescence est peut-être relativement répandue chez les grenouilles. [52] Quelques mois plus tard seulement, la fluorescence a été découverte dans le Hypsiboas atlanticus. Parce qu'il est lié aux sécrétions des glandes cutanées, ils peuvent également laisser des marques fluorescentes sur les surfaces où ils ont été. [53]

En 2019, deux autres grenouilles, le petit crapaud citrouille (Brachycephalus ephippium) et crapaud citrouille rouge (B. pitanga) du sud-est du Brésil, se sont avérés avoir des squelettes naturellement fluorescents, visibles à travers leur peau lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette. [54] [55] Il a été initialement spéculé que la fluorescence complétait leurs couleurs déjà aposématiques (elles sont toxiques) ou qu'elle était liée au choix du partenaire (reconnaissance de l'espèce ou détermination de l'aptitude d'un partenaire potentiel), [54] mais des études ultérieures indiquent que la première explication est peu probable, car les tentatives de prédation sur les crapauds semblent ne pas être affectées par la présence/l'absence de fluorescence. [56]

En 2020, il a été confirmé que la fluorescence verte ou jaune est répandue non seulement chez les grenouilles adultes exposées à la lumière bleue ou ultraviolette, mais également chez les têtards, les salamandres et les céciliens. L'étendue varie considérablement selon les espèces, dans certains cas, elle est très distincte et dans d'autres, elle est à peine perceptible. Elle peut être basée sur la pigmentation de leur peau, leurs muqueuses ou leurs os. [50]

Papillons Modifier

Machaon (Papilio) les papillons ont des systèmes complexes d'émission de lumière fluorescente. Leurs ailes contiennent des cristaux infusés de pigments qui fournissent une lumière fluorescente dirigée. Ces cristaux fonctionnent mieux pour produire une lumière fluorescente lorsqu'ils absorbent le rayonnement de la lumière bleu ciel (longueur d'onde d'environ 420 nm). Les longueurs d'onde de la lumière que les papillons voient le mieux correspondent à l'absorbance des cristaux dans les ailes du papillon. Cela fonctionne probablement pour améliorer la capacité de signalisation. [57]

Perroquets Modifier

Les perroquets ont un plumage fluorescent qui peut être utilisé dans la signalisation du compagnon. Une étude utilisant des expériences de choix de partenaire sur des perruches ondulées (Melopsittacus ondule) ont trouvé un support convaincant pour la signalisation sexuelle fluorescente, les mâles et les femelles préférant de manière significative les oiseaux avec le stimulus expérimental fluorescent. Cette étude suggère que le plumage fluorescent des perroquets n'est pas simplement un sous-produit de la pigmentation, mais plutôt un signal sexuel adapté. Compte tenu de la complexité des voies qui produisent les pigments fluorescents, des coûts importants peuvent être impliqués. Par conséquent, les individus présentant une forte fluorescence peuvent être des indicateurs honnêtes de haute qualité individuelle, car ils peuvent faire face aux coûts associés. [58]

Arachnides Modifier

Les araignées émettent une fluorescence sous la lumière UV et possèdent une grande diversité de fluorophores. Remarquablement, les araignées sont le seul groupe connu dans lequel la fluorescence est « taxonomiquement répandue, variablement exprimée, évolutivement labile, et probablement sous sélection et potentiellement d'importance écologique pour la signalisation intraspécifique et interspécifique ». Une étude d'Andrews et al. (2007) révèle que la fluorescence a évolué plusieurs fois à travers les taxons d'araignées, avec de nouveaux fluorophores évoluant au cours de la diversification des araignées. Chez certaines araignées, les signaux ultraviolets sont importants pour les interactions prédateur-proie, la communication intraspécifique et le camouflage avec des fleurs fluorescentes assorties. Des contextes écologiques différents pourraient favoriser l'inhibition ou l'amélioration de l'expression de la fluorescence, selon que la fluorescence aide les araignées à être cryptiques ou les rend plus visibles pour les prédateurs. Par conséquent, la sélection naturelle pourrait agir sur l'expression de la fluorescence à travers les espèces d'araignées. [59]

Scorpions également fluorescents en raison de la présence de bêta carboline dans leurs cuticules. [60]

Ornithorynque Modifier

En 2020, une fluorescence a été signalée pour plusieurs spécimens d'ornithorynque. [61]

Plantes Modifier

De nombreuses plantes sont fluorescentes en raison de la présence de chlorophylle, qui est probablement la molécule fluorescente la plus largement distribuée, produisant une émission rouge dans une gamme de longueurs d'onde d'excitation. [62] Cet attribut de la chlorophylle est couramment utilisé par les écologistes pour mesurer l'efficacité photosynthétique. [63]

Les Mirabilis jalapa la fleur contient des bétacyanines violettes fluorescentes et des bétaxanthines jaunes fluorescentes. Sous une lumière blanche, les parties de la fleur ne contenant que des bétaxanthines apparaissent jaunes, mais dans les zones où des bétaxanthines et des bétacyanines sont présentes, la fluorescence visible de la fleur s'estompe en raison des mécanismes internes de filtrage de la lumière. La fluorescence a été précédemment suggérée pour jouer un rôle dans l'attraction des pollinisateurs, cependant, il a été découvert plus tard que le signal visuel par fluorescence est négligeable par rapport au signal visuel de la lumière réfléchie par la fleur. [64]

Abiotique Modifier

Gemmologie, minéralogie et géologie Modifier

Les pierres précieuses, les minéraux, peuvent avoir une fluorescence distinctive ou peuvent être fluorescents différemment sous l'ultraviolet à ondes courtes, l'ultraviolet à ondes longues, la lumière visible ou les rayons X.

De nombreux types de calcite et d'ambre émettent une fluorescence sous les UV à ondes courtes, les UV à ondes longues et la lumière visible. Les rubis, les émeraudes et les diamants présentent une fluorescence rouge sous UV à ondes longues, les diamants à lumière bleue et parfois verte émettent également de la lumière sous rayonnement X.

La fluorescence dans les minéraux est causée par un large éventail d'activateurs. Dans certains cas, la concentration de l'activateur doit être limitée en dessous d'un certain niveau, pour empêcher l'extinction de l'émission fluorescente. De plus, le minéral doit être exempt d'impuretés telles que le fer ou le cuivre, pour éviter l'extinction d'une éventuelle fluorescence. Le manganèse divalent, à des concentrations allant jusqu'à plusieurs pour cent, est responsable de la fluorescence rouge ou orange de la calcite, de la fluorescence verte de la willémite, de la fluorescence jaune de l'espérite et de la fluorescence orange de la wollastonite et de la clinohédrite. L'uranium hexavalent, sous forme de cation uranyle, émet une fluorescence à toutes les concentrations dans un vert jaune, et est la cause de la fluorescence de minéraux tels que l'autunite ou l'andersonite, et, à faible concentration, est la cause de la fluorescence de matériaux tels que quelques échantillons d'opale hyalite. Le chrome trivalent à faible concentration est à l'origine de la fluorescence rouge du rubis. L'europium divalent est la source de la fluorescence bleue, lorsqu'elle est observée dans la fluorite minérale. Les lanthanides trivalents tels que le terbium et le dysprosium sont les principaux activateurs de la fluorescence jaune crème présentée par la variété yttrofluorite de la fluorite minérale, et contribuent à la fluorescence orange du zircon. La powellite (molybdate de calcium) et la scheelite (tungstate de calcium) émettent une fluorescence intrinsèque respectivement en jaune et en bleu. Lorsqu'ils sont présents ensemble dans une solution solide, l'énergie est transférée du tungstène à haute énergie au molybdène à basse énergie, de sorte que des niveaux assez faibles de molybdène sont suffisants pour provoquer une émission jaune pour la scheelite, au lieu de bleu. Sphalérite à faible teneur en fer (sulfure de zinc), fluorescente et phosphorescente dans une gamme de couleurs, influencée par la présence de diverses traces d'impuretés.

Le pétrole brut (pétrole) émet une fluorescence dans une gamme de couleurs, du brun terne pour les huiles lourdes et les goudrons jusqu'au jaunâtre brillant et au blanc bleuâtre pour les huiles et condensats très légers. Ce phénomène est utilisé dans le forage d'exploration pétrolière pour identifier de très petites quantités de pétrole dans les déblais de forage et les échantillons de carottes.

Liquides organiques Modifier

Des solutions organiques telles que l'anthracène ou le stilbène, dissous dans le benzène ou le toluène, deviennent fluorescentes avec une irradiation aux rayons ultraviolets ou gamma. Les temps de décroissance de cette fluorescence sont de l'ordre de la nanoseconde, puisque la durée de la lumière dépend de la durée de vie des états excités du matériau fluorescent, en l'occurrence l'anthracène ou le stilbène. [65]

La scintillation est définie comme un éclair de lumière produit dans un matériau transparent par le passage d'une particule (un électron, une particule alpha, un ion ou un photon de haute énergie). Le stilbène et ses dérivés sont utilisés dans les compteurs à scintillation pour détecter de telles particules. Le stilbène est également l'un des médiums de gain utilisés dans les lasers à colorant.

Atmosphère Modifier

La fluorescence est observée dans l'atmosphère lorsque l'air est soumis à un bombardement électronique énergétique. Dans des cas tels que les aurores naturelles, les explosions nucléaires à haute altitude et les expériences avec des canons à électrons embarqués, les molécules et les ions formés ont une réponse fluorescente à la lumière. [66]

Matériaux courants qui émettent de la fluorescence Modifier

    fluorescent jaune. bleu fluorescent en raison de la présence de quinine. l'encre est souvent fluorescente en raison de la présence de pyranine. , les timbres-poste et les cartes de crédit ont souvent des éléments de sécurité fluorescents.

En août 2020, des chercheurs ont signalé la création des matériaux optiques solides fluorescents les plus brillants à ce jour en permettant le transfert des propriétés de colorants hautement fluorescents via une isolation spatiale et électronique des colorants en mélangeant des colorants cationiques avec des macrocycles cyanostar liant les anions. Selon un co-auteur, ces matériaux peuvent avoir des applications dans des domaines tels que la récupération d'énergie solaire, la bio-imagerie et les lasers. [67] [68] [69] [70]

Éclairage Modifier

La lampe fluorescente courante repose sur la fluorescence. A l'intérieur du tube de verre se trouve un vide partiel et une petite quantité de mercure. Une décharge électrique dans le tube fait que les atomes de mercure émettent principalement de la lumière ultraviolette. Le tube est recouvert d'un revêtement d'un matériau fluorescent, appelé le phosphore, qui absorbe la lumière ultraviolette et réémet la lumière visible. L'éclairage fluorescent est plus économe en énergie que les éléments d'éclairage à incandescence. Cependant, le spectre inégal des lampes fluorescentes traditionnelles peut faire apparaître certaines couleurs différentes de celles éclairées par une lumière incandescente ou la lumière du jour. Le spectre d'émission de vapeur de mercure est dominé par une raie UV à ondes courtes à 254 nm (qui fournit la majeure partie de l'énergie aux luminophores), accompagnée d'une émission de lumière visible à 436 nm (bleu), 546 nm (vert) et 579 nm ( jaune orange). Ces trois raies peuvent être observées superposées au continuum blanc à l'aide d'un spectroscope à main, pour la lumière émise par les tubes fluorescents blancs habituels.Ces mêmes raies visibles, accompagnées des raies d'émission de l'europium trivalent et du terbium trivalent, et en outre accompagnées du continuum d'émission de l'europium divalent dans la région bleue, constituent l'émission lumineuse plus discontinue des systèmes modernes de phosphore trichromatique utilisés dans de nombreuses lampes fluorescentes compactes. et les lampes traditionnelles où un meilleur rendu des couleurs est un objectif. [71]

Les lampes fluorescentes ont été mises à la disposition du public pour la première fois à l'Exposition universelle de New York en 1939. Les améliorations depuis lors ont été en grande partie de meilleurs luminophores, une durée de vie plus longue et une décharge interne plus cohérente et des formes plus faciles à utiliser (telles que les lampes fluorescentes compactes). Certaines lampes à décharge à haute intensité (DHI) associent leur efficacité électrique encore plus élevée à l'amélioration du phosphore pour un meilleur rendu des couleurs. [ citation requise ]

Les diodes électroluminescentes blanches (LED) sont devenues disponibles au milieu des années 1990 sous forme de lampes LED, dans lesquelles la lumière bleue émise par le semi-conducteur frappe les phosphores déposés sur la minuscule puce. La combinaison de la lumière bleue qui continue à travers le phosphore et de la fluorescence verte à rouge des phosphores produit une émission nette de lumière blanche. [72]

Les bâtons lumineux utilisent parfois des matériaux fluorescents pour absorber la lumière de la réaction chimiluminescente et émettre une lumière d'une couleur différente. [71]

Chimie analytique Modifier

De nombreuses procédures analytiques impliquent l'utilisation d'un fluoromètre, généralement avec une seule longueur d'onde d'excitation et une seule longueur d'onde de détection. En raison de la sensibilité offerte par la méthode, des concentrations de molécules fluorescentes aussi faibles que 1 partie par billion peuvent être mesurées. [73]

La fluorescence dans plusieurs longueurs d'onde peut être détectée par un détecteur matriciel, pour détecter les composés du flux HPLC. En outre, les plaques TLC peuvent être visualisées si les composés ou un réactif colorant sont fluorescents. La fluorescence est plus efficace lorsqu'il y a un plus grand rapport d'atomes à des niveaux d'énergie inférieurs dans une distribution de Boltzmann. Il y a donc une probabilité plus élevée d'excitation et de libération de photons par des atomes de plus faible énergie, ce qui rend l'analyse plus efficace.

Spectroscopie Modifier

Habituellement, la configuration d'un essai de fluorescence implique une source lumineuse, qui peut émettre de nombreuses longueurs d'onde de lumière différentes. En général, une seule longueur d'onde est requise pour une analyse correcte, donc, afin de filtrer sélectivement la lumière, elle est passée à travers un monochromateur d'excitation, puis cette longueur d'onde choisie est passée à travers la cellule d'échantillon. Après absorption et réémission de l'énergie, de nombreuses longueurs d'onde peuvent apparaître en raison du décalage de Stokes et de diverses transitions électroniques. Pour les séparer et les analyser, le rayonnement fluorescent est passé à travers un monochromateur d'émission, et observé sélectivement par un détecteur. [74]

Biochimie et médecine Modifier

La fluorescence dans les sciences de la vie est généralement utilisée comme moyen non destructif de suivi ou d'analyse de molécules biologiques au moyen de l'émission fluorescente à une fréquence spécifique où il n'y a pas de bruit de fond provenant de la lumière d'excitation, car relativement peu de composants cellulaires sont naturellement fluorescents ( appelé intrinsèque ou autofluorescence). En fait, une protéine ou un autre composant peut être "marqué" avec un fluorophore extrinsèque, un colorant fluorescent qui peut être une petite molécule, une protéine ou un point quantique, trouvant une large utilisation dans de nombreuses applications biologiques. [75]

La quantification d'un colorant se fait avec un spectrofluoromètre et trouve des applications complémentaires dans :

Microscopie Modifier

  • Lors du balayage de l'intensité de fluorescence à travers un plan, une microscopie à fluorescence des tissus, des cellules ou des structures subcellulaires est réalisée en marquant un anticorps avec un fluorophore et en permettant à l'anticorps de trouver son antigène cible dans l'échantillon. Le marquage de plusieurs anticorps avec différents fluorophores permet la visualisation de plusieurs cibles dans une seule image (plusieurs canaux). Les puces à ADN en sont une variante.
  • Immunologie : Un anticorps est d'abord préparé en ayant un groupe chimique fluorescent attaché, et les sites (par exemple, sur un échantillon microscopique) où l'anticorps s'est lié peuvent être vus, et même quantifiés, par la fluorescence.
  • FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) peut être utilisé pour détecter certaines interactions bio-moléculaires qui se manifestent en influençant les durées de vie de fluorescence.
  • Biologie cellulaire et moléculaire : détection de colocalisation à l'aide d'anticorps marqués par fluorescence pour la détection sélective des antigènes d'intérêt à l'aide de logiciels spécialisés comme ImageJ.

Autres techniques Modifier

  • Le FRET (Förster resonance energy transfer, également connu sous le nom de fluorescence resonance energy transfer) est utilisé pour étudier les interactions protéiques, détecter des séquences d'acides nucléiques spécifiques et utilisé comme biocapteurs, tandis que la durée de vie de fluorescence (FLIM) peut fournir une couche d'informations supplémentaire.
  • Biotechnologie : des biocapteurs utilisant la fluorescence sont à l'étude comme possibles Biocapteurs de glucose fluorescents.
  • Séquençage automatisé de l'ADN par la méthode de terminaison de chaîne, chacune des quatre bases de terminaison de chaîne différentes possède son propre marqueur fluorescent spécifique. Lorsque les molécules d'ADN marquées sont séparées, le marqueur fluorescent est excité par une source UV et l'identité de la base terminant la molécule est identifiée par la longueur d'onde de la lumière émise.
  • FACS (tri cellulaire activé par fluorescence). L'une des nombreuses techniques de tri cellulaire importantes utilisées dans la séparation de différentes lignées cellulaires (en particulier celles isolées de tissus animaux).
  • Détection d'ADN : le composé bromure d'éthidium, en solution aqueuse, a très peu de fluorescence, car il est désactivé par l'eau. La fluorescence du bromure d'éthidium est considérablement améliorée après sa liaison à l'ADN, ce composé est donc très utile pour visualiser l'emplacement des fragments d'ADN dans l'électrophorèse sur gel d'agarose. L'éthidium intercalé est dans un environnement hydrophobe lorsqu'il se trouve entre les paires de bases de l'ADN, protégé de la trempe par l'eau qui est exclue de l'environnement local de l'éthidium intercalé. Le bromure d'éthidium peut être cancérigène - une alternative sans doute plus sûre est le colorant SYBR Green.
  • FIGS (Fluorescence Image-Guided Surgery) est une technique d'imagerie médicale qui utilise la fluorescence pour détecter les structures correctement marquées pendant la chirurgie. est une technique d'imagerie médicale basée sur un cathéter qui utilise la fluorescence pour détecter les caractéristiques à haut risque de l'athérosclérose et les stents vasculaires non cicatrisés. [76] L'autofluorescence des plaques a été utilisée dans une première étude chez l'homme dans les artères coronaires en combinaison avec la tomographie par cohérence optique. [77] Des agents moléculaires ont également été utilisés pour détecter des caractéristiques spécifiques, telles que l'accumulation de fibrine de stent et l'activité enzymatique liée à l'inflammation des artères. [78]
  • SAFI (imagerie par fluorescence modifiée d'espèces) une technique d'imagerie en électrocinétique et microfluidique. [79] Il utilise des colorants non électromigrants dont la fluorescence est facilement désactivée par la migration des espèces chimiques d'intérêt. Le ou les colorants sont généralement ensemencés partout dans le flux et une extinction différentielle de leur fluorescence par les analytes est directement observée.
  • Essais basés sur la fluorescence pour le dépistage de produits chimiques toxiques. Les tests optiques consistent en un mélange de colorants fluorescents sensibles à l'environnement et de cellules de peau humaine qui génèrent des motifs de spectres de fluorescence. [80] Cette approche peut réduire le besoin d'animaux de laboratoire dans la recherche biomédicale et l'industrie pharmaceutique.
  • Détection de la marge osseuse : les spécimens colorés à l'alizarine et certains fossiles peuvent être éclairés par des lampes fluorescentes pour visualiser les structures anatomiques, y compris les marges osseuses. [81]

Médecine légale Modifier

Les empreintes digitales peuvent être visualisées avec des composés fluorescents tels que la ninhydrine ou le DFO (1,8-Diazafluoren-9-one). Le sang et d'autres substances sont parfois détectés par des réactifs fluorescents, comme la fluorescéine. Les fibres et autres matériaux que l'on peut rencontrer en médecine légale ou en relation avec divers objets de collection sont parfois fluorescents.

Essais non destructifs Modifier

L'inspection par ressuage fluorescent est utilisée pour trouver des fissures et autres défauts à la surface d'une pièce. Le traçage de colorants, à l'aide de colorants fluorescents, est utilisé pour détecter les fuites dans les systèmes de plomberie de liquide et de gaz.

Signalétique Modifier

Les couleurs fluorescentes sont fréquemment utilisées dans la signalisation, en particulier les panneaux routiers. Les couleurs fluorescentes sont généralement reconnaissables à des distances plus longues que leurs homologues non fluorescentes, l'orange fluorescent étant particulièrement visible. [82] Cette propriété a conduit à son utilisation fréquente dans les panneaux et étiquettes de sécurité.

Azurants optiques Modifier

Les composés fluorescents sont souvent utilisés pour améliorer l'apparence du tissu et du papier, provoquant un effet "blanchissant". Une surface blanche traitée avec un azurant optique peut émettre plus de lumière visible que celle qui brille dessus, la faisant apparaître plus lumineuse. La lumière bleue émise par l'azurant compense la diminution du bleu du matériau traité et change la teinte du jaune ou du brun vers le blanc. Les azurants optiques sont utilisés dans les détergents à lessive, le papier à haute brillance, les cosmétiques, les vêtements à haute visibilité et plus encore.


Capteurs potentiométriques adressables par la lumière pour la détection et l'imagerie (bio-)chimiques

LAPS biologiquement modifié

Un LAPS biologiquement modifié (BioLAPS) est construit en couplant la surface de grille du LAPS avec différents éléments de reconnaissance biologique (récepteurs). Ceux-ci incluent des biomolécules de complexité variable (par exemple, une enzyme, une protéine, un anticorps, un ADN-acide désoxyribonucléique, etc.) ainsi que des systèmes biologiques vivants (par exemple, une cellule, un tissu ou même des micro-organismes entiers). L'élément de reconnaissance biologique reconnaît sélectivement un analyte particulier à détecter et traduit les informations (bio-)chimiques (par exemple, la concentration de l'analyte) en un signal électrique (par exemple, un changement de photocourant).

En raison de leur activité catalytique, les enzymes sont souvent choisies comme biorécepteurs. Un LAPS modifié par une enzyme est généralement construit en immobilisant une enzyme sur l'isolateur de grille. Pour immobiliser les enzymes, un certain nombre de méthodes ont été utilisées, notamment l'adsorption physique ou chimique, le piégeage dans des matrices polymères, la liaison covalente, la réticulation, la technique couche par couche, etc. Les dispositifs comprennent des LAPS sensibles au pH, dans lesquels un changement de pH local résultant d'une réaction enzymatique est détecté. À l'heure actuelle, des LAPS modifiés enzymatiquement ont été appliqués pour la détection du glucose, 71-75 pénicilline, 70, 71, 76-79 butyrylcholine, 72 éthanol, 80 acétylcholine, 81 etc.

De plus, au cours des dernières années, la détection sans marqueur de macromolécules chargées par leur charge moléculaire intrinsèque est devenue l'une des applications les plus rapportées pour les capteurs LAPS. L'adsorption ou la liaison de molécules chargées sur la surface du LAPS peut directement induire un changement du potentiel de surface, entraînant un décalage de jeV courbe le long de l'axe de la tension. La direction de ce décalage de potentiel est déterminée par le signe de charge des molécules adsorbées, tandis que l'amplitude du décalage de potentiel dépend de la charge et de la densité des molécules. Ceci a été étudié pour la détection sans marqueur de protéines, d'anticorps, de biomarqueurs, d'ADN, de polyélectrolytes et d'autres molécules chargées. Par exemple, Jia et Al. ont démontré que le LAPS modifié avec des phages spécifiques d'un biomarqueur du cancer humain permettait la détection de la prolactine humaine (protéine hPRL-3), dont l'activité est associée au cancer du sein jusqu'à moins de ng/mL. 82 LAPS a également été utilisé pour la détection d'anticorps d'immunoglobuline (IgG) anti-souris de lapin 83 et d'IgG humaine, 84 Toxine de Mojave, 85 Salmonelle typhimurium, 86 E. coli, 87 Le virus de l'encéphalite équine vénézuélienne, le virus de la maladie de Newcastle 88 ou l'herbicide terbuthylazine, 89 etc. . 90 De plus, un système de détection de marqueurs multitumoraux basé sur un Si-SiO2-Si3N4 La matrice LAPS a été proposée dans la Réf. 91 . Ici, la surface LAPS a été biofonctionnalisée avec des antigènes et des anticorps de quatre marqueurs tumoraux : alpha foetoprotéine, antigène carcinoembryonnaire, antigène du cancer 19-9 et ferritine. Les plages de réponse mesurées ont été comparées à leurs valeurs cliniques. Ces quatre biomarqueurs et leur combinaison se sont avérés utiles pour le diagnostic du cancer hépatocellulaire. 91 Ces résultats indiquent que les systèmes de détection basés sur LAPS peuvent offrir de nouvelles possibilités pour la réalisation de tests cliniques sans marquage pour les marqueurs multitumoraux.

Les biocapteurs à ADN sont considérés comme un outil très prometteur dans de nombreux domaines d'applications allant de l'identification des agents pathogènes et du diagnostic des maladies génétiques à l'industrie pharmaceutique et alimentaire. Le large intérêt pour les biocapteurs à ADN est lié à leur capacité à effectuer une détection rapide, sensible et sélective de l'événement d'hybridation entre une sonde d'ADN simple brin (ADNsb) et sa molécule cible complémentaire par laquelle un ADN double brin (ADNdb) avec un une structure en hélice bien connue est formée. Récemment, les dispositifs LAPS avec différents matériaux de grille (TiO silanisé2 92 et SiO2, 93 oxyde de graphène, 94 Au, 95 monocouche organique auto-assemblée sur substrat SOS 35) et des techniques d'immobilisation de l'ADNsb de la sonde ont été développées pour la détection sans marqueur des événements d'hybridation de l'ADN.

En général, le couplage électrostatique entre la molécule chargée et le dispositif à effet de champ, et donc, le signal d'hybridation de l'ADN, dépend fortement, entre autres, de la force ionique de la solution (effet dit de contre-ion ou de filtrage Debye ) ainsi que la distance entre la charge d'ADN (les molécules d'ADN sont chargées négativement dans une large gamme de pH) et la surface de la grille (voir, par exemple, les références 96, 97). Étant donné que la charge moléculaire de l'ADN est distribuée le long de la longueur de la molécule, le signal LAPS dépendra également de l'orientation des molécules d'ADN par rapport à la surface de la grille. 98 Ainsi, en plus de l'effet de criblage de charges, les techniques de fonctionnalisation de surface et d'immobilisation de l'ADN ont un fort impact sur le signal d'hybridation de l'ADN. Afin de réduire la distance entre la charge d'ADN et la surface du capteur, les ADNsb de sonde chargées négativement ont été physiquement adsorbés sur la surface LAPS multipoint modifiée avec une couche de polyélectrolyte faible chargée positivement de poly(chlorhydrate d'allylamine) (PAH). 99 Cette nouvelle approche amène la sonde ssDNA immobilisée par adsorption à être préférentiellement orientée à plat sur la surface du LAPS avec les groupes phosphate chargés négativement pointant vers les molécules de PAH chargées positivement. De cette façon, plus de charge de la sonde ssDNA ainsi que dsDNA (après hybridation) est positionnée près de la surface de la grille dans la longueur de Debye, produisant un signal de capteur plus élevé. De plus, la couche de PAH chargée positivement peut réduire la répulsion électrostatique entre la sonde et les molécules d'ADNsb cibles complémentaires et, par conséquent, peut accélérer le processus d'hybridation. L'approche décrite a été utilisée pour la détection de l'ADNdb 100 hybride sur puce et en solution au moyen d'un LAPS multispot (16 spots) avec une limite de détection basse de 0,1 nM. 9 montre un exemple de détection d'hybridation d'ADN sur puce avec un LAPS multispot modifié par HAP. Les signaux d'immobilisation et d'hybridation d'ADN en moyenne sur 16 spots étaient respectivement de 83 et 32 ​​mV. 99 Dans le même temps, l'adsorption non spécifique d'ADNsb totalement mésappariés n'induit qu'un petit décalage de potentiel inférieur à 5 mV. Ces expériences soulignent le potentiel des dispositifs LAPS en tant que nouvelle génération de puces à ADN multipoints adressables par la lumière avec lecture électrique directe.

9 . Réponse en mode photocourant constant du LAPS avant et après l'adsorption de PAH, après l'immobilisation de l'ADN ss de la sonde, après l'adsorption non spécifique de molécules d'ADN ss totalement incompatibles et après l'hybridation des ADNsb sonde avec des ADNc cibles complémentaires. Les données mesurées ont été moyennées sur 16 points de mesure.


Voir la vidéo: drt (Février 2023).