Cristaux photoniques et polymères à empreinte moléculaire pour la détection optique de grande sensibilité de substances chimiques et de polluants – CALYPSO

Les toutes dernières années ont été marquées par des avancées importantes dans le domaine des polymères dits à empreintes moléculaires (MIP) , systèmes biomimétiques robustes capables de capter sélectivement un type de molécule donnée. Ils présentent en effet une structure chimique hautement réticulée à l’intérieur de laquelle se trouvent des nanocavités qui s’apparentent à de véritables moules de l’empreinte de la molécule cible. Leur utilisation traditionnelle nécessite le greffage préalable d’un fluorophore, un chromophore ou bien un groupement électroactif sur la molécule cible, afin de générer, après le phénomène de reconnaissance, un signal optique ou électronique observable et mesurable. Afin de s’affranchir de cette étape de marquage de la molécule cible, de nombreux travaux étudient la possibilité de coupler les films de MIPs avec différents systèmes de détection.
Un autre domaine connexe aux polymères à empreinte moléculaire en pleine actualité est celui des cristaux colloïdaux qui ont ouvert dernièrement des perspectives inédites dans le domaine des cristaux photoniques, avec la possibilité d’immobiliser des réseaux de particules colloïdales, hautement organisées, dans des films de polymère : après dissolution sélective des billes colloïdales, on obtient des films de polymère macroporeux présentant une structure tridimensionnelle d’opale inverse. La variation périodique de la constante diélectrique dans les trois directions de l’espace, obtenue dans ces matériaux, conduit à des propriétés optiques remarquables : la propagation de la lumière est interdite aux longueurs d’onde du même ordre de grandeur que sa période, conduisant à l’apparition de pics de diffraction de longueur d’onde déterminée. Lorsque ces films de polymères sont constitués d’hydrogels, ils peuvent gonfler ou se contracter en solution aqueuse, en réponse à un changement des paramètres physico-chimiques environnant, ce qui conduit à une modification de la périodicité de l’indice de réfraction dans le gel et donc à des déplacements spectraux des pics de diffraction.
Dans ce projet, nous proposons d'associer ces 2 concepts (empreinte moléculaire et cristaux photoniques) pour élaborer un capteur original qui montre à la fois une grande sélectivité et une très bonne sensibilité, sans avoir à faire appel à une étape de marquage de la molécule cible.
Pour cela, nous combinerons l’approche « template », basée sur la préparation d’un masque constitué d’un cristal colloïdal de silice, et la technique d’impression moléculaire : il s'agira d'élaborer des films d’hydrogel (par exemple du polyacide méthacrylique) macroporeux 3D hautement organisés présentant à la fois des nanocavités spécifiques des molécules cibles (polluants ou substances toxiques) et une variation périodique de la constante diélectrique du milieu, générant un signal optique directement mesurable. Nous nous attacherons tout particulièrement à affiner la réponse optique du système en réaction à des stimuli extérieurs (tels que la présence de molécules cibles), et à optimiser l’amplitude de la réponse des cristaux photoniques stimulables à travers l’insertion de couches de défauts et de nanocristaux semi-conducteurs au sein des matériaux.

Ce projet pluridisciplinaire, à l’interface entre la physique et la chimie, a donc pour objectif le développement de systèmes fiables, sensibles et compacts pour la détection de polluants et de substances chimiques toxiques. Il allie des structures photoniques fabriquées à partir de techniques bas coût basées sur l’auto-organisation, des nano-émetteurs synthétisés par voie chimique et des méthodes de détection optique compactes permettant de mesurer des concentrations de polluants présents à l’état de trace.