Développement et déploiement de la Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) pour la détection et l'identification de traces et contaminants sur le terrain en réponse aux problèmes de sécurité et santé publique

 

Cyril Muehlethaler

Université du Québec à Trois-Rivières

 

Domaine : techniques, mesures et systèmes

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2019-2020

Actuellement, les analyses de terrain dans les domaines de la santé et de la sécurité publique (stupéfiants, explosifs, liquides inflammables, résidus de tirs, traces biologiques) font appel à des instruments de détection de poche qui permettent de fournir un premier résultat préliminaire et d'orienter les investigations (screening). Ces méthodes, basées sur la technologie Raman ou proche-infrarouge, souffrent de limitations techniques (par exemple : fluorescence), et d'un manque global de sensibilité et spécificité. Dans les cas d'analyses judiciaires, les résultats obtenus sont généralement insuffisants pour entamer des poursuites, et obligent l'enquêteur à effectuer une seconde analyse de confirmation en laboratoire augmentant ainsi la surcharge des techniciens et la latence des analyses. Afin d'apporter une solution immédiate à cette problématique, ce projet propose de développer la méthode analytique SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) pour une utilisation directe sur scène à l'aide d'un instrument portable.

Basée sur la spectroscopie Raman, la technique permet, en mettant en contact une molécule d'intérêt avec des métaux nobles tels que l'or ou l'argent, d'effectuer des analyses ultra-sensibles de quelques molécules (~femtogramme) sous forme liquides, solides ou gazeuses. Ces analyses sont rendues possible par l'utilisation de substrats métalliques sous forme aqueuse (colloïdes) ou solides (gels, surfaces nano-structurées). Ses applications dans le domaine analytique sont en pleine expansion mais demandent cependant un investissement important dans l'instrumentation ainsi que dans la préparation des substrats, et requièrent un espace de laboratoire dédié. Ces contraintes empêchent à ce jour une utilisation plus diversifiée et portable de la technique. Dans ce contexte, ce projet de recherche proposera des solutions directes à cette problématique au travers de 3 objectifs distincts. 1) Optimiser la synthèse de nanoparticules d'argent au moyen d'une digestion au micro-onde. Cette procédure permettra d'obtenir rapidement (< 2 min) des colloïdes de haute qualité à moindre coût, mono-dispersés et stables pour plusieurs mois. 2) Valider et démontrer l'efficacité de la technique lors d'analyses sur le terrain en procédant à une analyse de la précision (répétabilité et reproductibilité), de la limite de détection, du seuil de détection, et de la robustesse pour des molécules d'intérêt (cocaïne, fentanyl, RDX). 3) Développer des solutions de collecte et d'analyses innovantes basées sur des substrats SERS en papier recouverts d'argent qui seront utilisés comme tampons collecteurs de traces. Ces résultats permettront d'apporter une solution immédiate aux domaines de la santé et sécurité publique, en fournissant aux experts et techniciens une méthode de détection directe et sans marquage, rapide, ultra-sensible, non-destructive, hautement spécifique, et qui permet un déploiement directement sur scène. Ce gain de temps permettra de limiter l'investissement en ressources, en machines et en analyses, tout en offrant une méthode capable de préserver l'intégrité des traces analysées. Ce projet permettra de démontrer le potentiel de ces analyses ultra-sensibles pour une application en routine, et d'informer les praticiens des limites et seuils de détection de la technique pour des composés d'intérêt. De plus, il permettra de populariser l'utilisation du SERS et d'initier de nombreuses recherches futures en lien direct avec ce projet.