Capteurs Optiques pour la surveillance de la qualité de l’air(NO2, O3) – CAPTAIN

Dans ce projet une transduction optique basé sur l’excitation plasmon (SPR-Surface Plasmon Resonance) a été retenue. Plusieurs dispositifs basés sur l’excitation plasmon ont largement fait leurs preuves pour la détection de polluants gazeux ou contaminants chimiques avec une grande sensibilité et une sélectivité partielle. Néanmoins, leur encombrement, leur complexité et leur coût limitent leur utilisation à grande échelle. L’approche innovante protégée par un brevet et proposée dans le projet CAPTAIN repose aussi sur l’excitation de modes de plasmons mais exploite un nouvel effet de bascule énergétique ou de commutation d’énergie entre ordres réfléchis propagatifs. Ce formidable effet permet ainsi d’exploiter encore davantage la détection par mode de plasmons (SPR) par rapport aux capteurs existants puisqu’il permet :

- d’augmenter la sensibilité d’un facteur d’au moins 2,
- de simplifier considérablement la mise en œuvre du capteur,
- de s’affranchir des problèmes de variations de mode commun.

Première preuve de concept avec une limite de détection (10-6)

Ce projet a un impact direct sur l’environnement et la santé mais également l’industrie (automobile, génie des procédés, développement des Smart City, des réseaux de capteurs industriels innovants ou encore pour le building automation ….). Il se focalise sur la conception d’une nouvelle génération de micro-capteurs potentiellement bas coût permettant leur déploiement à grande échelle grâce à leur possibilité de miniaturisation et d’intégration (sur plateforme hybride miniature) avec un potentiel de détection multi gaz (ou cocktails de polluants).

Effect of roughness on surface plasmons propagation along deep and shallow metallic diffraction gratings
Hugo Bruhier, Isabelle Verrier, Thiaka Gueye, Christelle Varenne, Amadou Ndiaye, Olivier Parriaux, Colette Veillas, Stéphanie Reynaud, Jérôme Brunet, and Yves Jourlin.
Optics Letters - Vol. 47, Issue 2, pp. 349-352 - 2022 - doi.org/10.1364/OL.443659

La pollution atmosphérique est la première cause environnementale de mortalité. Cette situation préoccupante n’est pas en voie d’amélioration, les niveaux d’émission des principaux polluants incriminés (oxydes d’azote NOx, ozone O3, Composés Organiques Volatils COVs et particule fines PM) restant stables dans la majorité des grandes villes européennes. Au-delà des conséquences environnementales, réduire et surveiller la pollution atmosphérique est donc un réel enjeu de santé publique. Avec ce triste constat, il apparait impératif d’assurer une mesure en continu de la présence de ces polluants en air ambiant afin de pouvoir mettre en œuvre les moyens de remédiation et les méthodes de traitements, de destruction ou de piégeage des effluents gazeux.
Le projet CAPTAIN (Capteurs Optiques pour la Surveillance de la qualité de l’air (polluants NO2, O3,) a pour objectif de développer une nouvelle génération de microcapteurs optiques de grande sensibilité, sélectifs, robustes, miniatures, bas coûts et économes en énergie, dédiés à la surveillance de polluants gazeux pour le contrôle de la qualité de l’air, intérieur et/ou extérieur. Les porteurs du projet visent une démonstration expérimentale (TRL 4 ou 5) et des performances du capteur (sensibilité, détection sub-ppb, grande sélectivité, robustesse au bruit…) au-delà de l’état de l’art. Les gaz ciblés sont le NO2 et l'O3.
Tout en visant des seuils de détection sub-ppb, les solutions proposées par le projet CAPTAIN en termes de sélectivité et de dérive temporelle répondront aux principales limitations des technologies actuellement disponibles (électrochimiques, optiques, Mox…). Elles permettront à terme d’aboutir à des microcapteurs dédiés à la mesure indicative de la pollution de l’air, satisfaisant ainsi aux exigences de la Directive 2008/50 EC du Parlement européen.
Dans ce projet une transduction optique basée sur l’excitation plasmon (SPR-Surface Plasmon Resonance) sera utilisée. Plusieurs dispositifs basés sur l’excitation de mode de plasmons ont largement fait leurs preuves pour la détection de polluants gazeux ou contaminants chimiques avec une grande sensibilité et une sélectivité partielle. Néanmoins, leur encombrement, leur complexité et leur coût limitent leur utilisation à grande échelle. L’approche innovante protégée par un brevet et proposée dans le projet CAPTAIN repose aussi sur l’excitation de modes de plasmons mais exploite un nouvel effet de bascule énergétique ou de commutation d’énergie entre ordres réfléchis propagatifs. Ce formidable effet permet ainsi d’exploiter encore davantage la détection par mode de plasmons (SPR) par rapport aux capteurs existants puisqu’il permet i) d’augmenter la sensibilité d’un facteur d’au moins 2, ii) de simplifier considérablement la mise en œuvre du capteur et iii) de s’affranchir des problèmes de variations de mode commun.
Le projet CAPTAIN est très pluridisciplinaire puisqu’il requiert des compétences en chimie des matériaux, en caractérisations physico-chimiques, en transduction optique, en modélisation optique, en micro-structuration, en couches minces, en métrologie environnementale et implicitement en capteurs. C’est pourquoi il implique 4 partenaires : 2 partenaires académiques (Laboratoire Hubert Curien et l'Institut Pascal) et 2 partenaires industriels (entreprises SILSEF et Environnement SA).
Ce projet a un impact direct sur l’environnement et la santé mais également l’industrie (automobile, génie des procédés, développement des Smart City, des réseaux de capteurs industriels innovants ou encore pour le building automation ….). Il se focalise sur la conception d’une nouvelle génération de micro-capteurs potentiellement bas coût permettant leur déploiement à grande échelle grâce à leur possibilité de miniaturisation et d’intégration (sur plateforme hybride miniature) avec un potentiel de détection multi gaz (ou cocktails de polluants).