Révolutionner la spectrométrie avec un dispositif portable
La spectrométrie par Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) est une technique puissante permettant de détecter les radicaux libres et les ions métalliques. Elle est utilisée pour analyser le stress oxydatif lié au vieillissement et à certaines maladies comme le cancer, ou encore pour étudier la dégradation des matériaux dans des applications telles que le photovoltaïque, les piles à combustible et les batteries. Cependant, les spectromètres RPE conventionnels sont des systèmes volumineux et énergivores, consommant des dizaines de kilowatts et pouvant coûter jusqu'à 500 000 euros.
"Notre objectif est de créer un spectromètre compact et portable, fonctionnant avec seulement quelques watts de puissance, afin de faciliter son transport pour des analyses sur site";
explique Serge Gambarelli, ingénieur de recherche au CEA-Irig et expert en spectroscopie RPE.
Un changement de paradigme dans la technologie RPE
Les spectromètres RPE traditionnels reposent sur la variation d'un champ magnétique à l'aide d'un électroaimant, tout en excitant l'échantillon avec une onde électromagnétique à fréquence fixe. L'innovation développée au CEA-Leti consiste à remplacer l'électroaimant volumineux par un aimant permanent compact mais puissant.
"Cette nouvelle approche réduit considérablement la taille du système tout en conservant des performances élevées", explique Jean-Baptiste David, ingénieur de recherche sur le projet Moonshot au CEA-Leti. La fréquence de l'onde électromagnétique est ensuite ajustée grâce à un circuit intégré développé au CEA-Leti, garantissant ainsi une analyse précise et efficace.
Appliquer l'expertise en circuits RF à un nouveau domaine
Les circuits intégrés radiofréquence (RF), traditionnellement utilisés dans les télécommunications, sont réutilisés pour permettre cette percée technologique.
"Avec plus de 15 ans d'expertise en synthèse de fréquence, nous pouvons intégrer un spectromètre RPE entièrement intégré sur une seule puce", explique Alexandre Siligaris, ingénieur de recherche senior et expert en synthèse de fréquence au CEA-Leti. En intégrant cette technologie dans un format compact, le CEA-Leti transforme un instrument de laboratoire imposant en un outil polyvalent et prêt à être utilisé sur le terrain.
Une expertise magnétique clé
Le développement d'un système magnétique compact mais performant est essentiel à la réussite de ce spectromètre miniaturisé.
"Notre laboratoire possède plus de dix ans d'expérience dans le domaine des matériaux magnétiques, notamment des aimants à base de terres rares", explique Céline Delafosse, responsable du Laboratoire des Matériaux et Composants Magnétiques au CEA-Liten.
"Habituellement appliquée aux secteurs de la mobilité électrique et de la transition énergétique, cette expertise est désormais exploitée pour concevoir le système magnétique du micro-spectromètre RPE, illustrant ainsi un précieux transfert de connaissances vers le domaine de l'instrumentation."
Soutien au développement de la spectrométrie RPE miniaturisée
Le développement de ce spectromètre de nouvelle génération a été rendu possible grâce à des financements stratégiques de la Commission Carnot du CEA-Leti ainsi que du PTC (Programme Transverse de Compétences) du CEA. Ensuite, l'équipe a obtenu un financement supplémentaire de la commission Moonshot, soulignant le potentiel prometteur du projet. Une phase de développement de deux ans est actuellement en cours pour produire un prototype fonctionnel du micro-spectromètre RPE.
Un avenir prometteur pour la spectrométrie miniaturisée
En miniaturisant la spectrométrie RPE, le CEA-Leti ouvre la voie à de nouvelles applications dans les domaines de la santé, des sciences des matériaux et de la surveillance environnementale. Le développement d'un spectromètre RPE portable, à faible consommation et rentable représente une avancée significative dans l'instrumentation analytique, rendant la spectrométrie de haute précision plus accessible que jamais. Alors que la recherche progresse vers un prototype opérationnel, cette innovation est en passe de redéfinir l'utilisation de la spectrométrie sur le terrain.