Deux candidats au doctorat de l’Université Queen’s ont mis au point une nouvelle technologie de détection chimique hautement sensible, en partie grâce à un environnement unique de nanofabrication créé par l’Université Queen’s et CMC Microsystèmes.

Hannah Dies et Josh Raveendran ont été deux des premiers utilisateurs de NanoFabrication Kingston (NFK), un laboratoire de l’Université Queen’s qui offre un accès ouvert à l’équipement, aux services et à l’expertise en nanofabrication aux universitaires et à l’industrie.

À peine deux ans après que les étudiants en génie chimique ont reçu une formation et testé les capacités du nouveau laboratoire de 5 millions de dollars, leur travail a donné des résultats impressionnants : deux publications, une demande de brevet et une entreprise en démarrage qui a récemment remporté un concours international d’affaires.

Dies et Raveendran ont été inspirés par le travail de leurs directeurs de recherche, les professeurs Aris Docoslis et Carlos Escobedo, qui exploraient la détection chimique et biochimique sur de minuscules puces en manipulant des microparticules et des nanoparticules à l’aide de la microfluidique et de la lumière.

Un domaine d’intérêt particulier pour eux était une méthode de détection ultrasensible appelée la spectrométrie de l’effet Raman exalté de surface (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS). La méthode est prisée, car elle peut détecter de très faibles concentrations de produits chimiques, jusqu’à une seule molécule, dans une très petite quantité d’échantillons.

Dies et Raveendran ont été chargés de développer un biocapteur portable pouvant être utilisé avec cette méthode de détection. Ce faisant, ils ont abordé un défi important du SERS : l’absence d’une méthode rentable pour fabriquer les substrats à l’échelle nanométrique sur la minuscule puce du capteur.

« Notre conception initiale est issue de nos travaux antérieurs sur les biocapteurs », explique Dies. « Nous avons décidé de développer une puce capable de concentrer les nanoparticules d’argent ».

Leur travail consistait à développer un procédé de microfabrication pour leur conception, ce qui semble beaucoup plus simple que cela ne paraît. « Il nous a fallu un an et demi pour trouver comment procéder », dit-elle. Le besoin de simplicité et de rentabilité était un autre défi à relever; s’ils voulaient que leur travail débouche sur des applications pratiques, ces qualités étaient essentielles.  

Le résultat a été une plateforme d’assemblage de nanoparticules à base de silicium rapide, simple et reproductible qui était plus sensible que les substrats commerciaux. « Étant donné qu’il s’agit d’une plateforme simple, c’est beaucoup plus abordable », explique Dies.

« L’équipement sophistiqué de NFK et l’environnement de salle blanche contrôlée nécessaires pour leur conception, associés à l’expertise du personnel de laboratoire ont été la clé de leur succès », dit Raveendran. « Cela nous a aidés à repousser les limites. Une puce SERS n’est pas une chose facile à fabriquer. »

En plus d’aider les étudiants à acquérir de l’expérience par rapport à l’équipement, Graham Gibson, le gestionnaire des opérations du laboratoire NFK les a aidés à surmonter un obstacle important en recherchant, en qualifiant et en documentant un processus de photorésine pour leur conception. (Ce travail est dorénavant documenté dans un guide qui peut être accessible par tous les utilisateurs du laboratoire.) « L’aide de Graham a vraiment été très utile », dit Raveendran.

Une fois la puce fabriquée, les étudiants l’ont utilisée pour tester avec succès trois contaminants, soient la mélamine dans les préparations pour nourrissons, la cocaïne dans la salive humaine et un fongicide appelé Thiram dans le jus de pomme, à des niveaux extrêmement bas.

Ces résultats ont suscité l’intérêt de certains entrepreneurs étudiants de Queen’s qui se sont associés pour former Spectra Plasmonics (spectraplasmonics. com); l’entreprise s’appuie maintenant sur le travail effectué par les professeurs Docoslis et Escobedo et leurs deux doctorants.

L’entreprise connaît un bon départ : l’année dernière, Spectra a remporté le concours international de plans d’affaires Lee Kuan Yew, se classant ainsi première parmi 550 concurrents internationaux. Le prix comprend 125 000 $ en espèces et une offre de 100 000 $ en financement de capital-risque ainsi qu’une aide au développement des affaies.

« Nous avons vu son potentiel pour un vaste champ d’applications », affirme Ryan Picard, diplômé en génie chimique de l’Université Queen’s et directeur de la technologie chez Spectra. « Maintenant, nous voulons mettre les puces entre les mains des chimistes, obtenir leurs commentaires et essayer différents modèles pour trouver une excellente première application ». Les utilisations possibles comprennent le développement pharmaceutique, la salubrité alimentaire et la détection de drogues, entre autres.

Picard et les étudiants inventeurs attribuent leur succès à ce jour à l’ampleur des possibilités que NFK offre aux utilisateurs. « C’est un atelier qui offre la souplesse nécessaire pour réaliser plusieurs projets différents », dit Picard. Dies ajoute : « Il y a une communauté de personnes qui l’utilisent, qui peuvent partager des recettes. » Graham connaît d’autres personnes qui travaillent sur des projets similaires. « C’est difficile de travailler sur ces projets de façon isolée ».

Crédit Photo : David Bell

Février 2018