Composite chitosane-poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate)-AuNPs pour la détection de l’acétone via un capteur d’imagerie plasmonique

Indices dans l’haleine et lieux de travail plus sûrs

L’acétone est surtout connue comme dissolvant pour vernis à ongles, mais elle circule aussi dans les usines, les laboratoires et même dans notre propre haleine. Sa concentration dans l’air expiré peut indiquer des maladies comme le diabète, tandis qu’un excès en milieu professionnel peut menacer la santé et la sécurité. Cette étude présente un nouveau revêtement optique capable de repérer rapidement et sélectivement l’acétone, même en présence d’autres vapeurs alcooliques courantes, ouvrant la voie à des testeurs portables d’haleine et à des moniteurs industriels simples.

Pourquoi l’odeur d’un solvant nous importe

L’acétone est un petit liquide hautement inflammable utilisé comme puissant nettoyant et solvant dans la pharmacie, les cosmétiques, le textile, les peintures et les laboratoires de recherche. Parce qu’il s’évapore facilement, les personnes sont souvent exposées à sa vapeur. Les médecins y portent intérêt pour une raison différente : l’acétone dans l’haleine est un « biomarqueur » clé du diabète et d’un état dangereux appelé acidocétose diabétique. Sa mesure nécessite en général des appareils de laboratoire complexes. Un dispositif compact et simple capable de détecter de faibles quantités d’acétone en temps réel pourrait aider à suivre la maladie sans prélèvements sanguins et améliorer la sécurité des espaces industriels.

Comment la lumière sert à sentir des molécules

Le cœur de l’appareil présenté dans ce travail est un capteur d’imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi). En termes simples, un laser rouge traverse un bloc de verre et illumine une fine couche d’or. À un angle précis, la lumière couple des oscillations d’électrons à la surface du métal, rendant le faisceau réfléchi exceptionnellement sombre. Ce point sombre est extrêmement sensible à ce qui recouvre l’or et à toute vapeur qui l’atteint. Lorsque des molécules d’acétone se déposent sur un revêtement spécial placé au‑dessus de l’or, elles modifient subtilement la réflexion de la lumière. Une caméra enregistre de petites variations du motif de luminosité au cours du temps, et une analyse informatique traduit ces variations en une mesure de l’interaction de la vapeur avec la surface.

Un revêtement intelligent tiré de carapaces de crustacés et d’or

Les chercheurs ont élaboré deux versions du revêtement sensible. Les deux sont basées sur le chitosane, un matériau de type sucre souvent dérivé de carapaces de crevettes, mélangé à un polymère conducteur connu sous le nom de PEDOT:PSS. Le chitosane offre de nombreux sites capables de former des liaisons temporaires avec l’acétone, tandis que le polymère facilite la transmission de ces interactions vers l’or sensible à la lumière en dessous. Dans la version améliorée, l’équipe a ajouté de minuscules nanoparticules d’or produites par ablation laser d’une cible d’or dans un liquide. Des observations microscopiques et des tests spectroscopiques ont confirmé que ces particules étaient grossièrement sphériques, bien dispersées dans le film et fortement liées au réseau polymère‑chitosane environnant.

Observer la fixation de l’acétone en temps réel

Pour évaluer les performances, l’équipe a exposé les deux revêtements à de la vapeur d’acétone pure et à des mélanges d’acétone avec du méthanol ou de l’éthanol, deux alcools courants susceptibles de perturber de nombreux capteurs. À l’angle où l’image réfléchie est la plus sombre, ils ont suivi l’évolution de la luminosité moyenne sur des secondes. Pour les deux revêtements, le signal augmentait lors de l’adsorption d’acétone puis baissait lors de son relargage. Mais la version contenant des nanoparticules d’or répondait plus rapidement et avec un décalage d’intensité bien plus important — environ 1,6 fois plus sensible que le film de base, avec une limite de détection très faible. Lorsque l’acétone était dilué avec de l’éthanol ou du méthanol, le signal diminuait, à peu près en accord avec la plus faible teneur en acétone. Fait remarquable, exposé à de l’éthanol ou du méthanol purs, le revêtement présentait à peine de variation de signal.

Pourquoi les nanoparticules d’or font la différence

Le comportement amélioré du revêtement avancé résulte à la fois de la chimie et de la physique. Le chitosane contient des groupes amine et hydroxyle qui attirent le groupe carbonyle fortement polarisé de l’acétone par des liaisons hydrogène et des interactions électrostatiques. Le polymère conducteur et le chitosane offrent ensemble de nombreux sites de fixation. L’ajout de nanoparticules d’or augmente le champ électrique local à la surface et accroît la densité de charges mobiles, rendant le signal optique plus réactif à tout événement d’adsorption. En conséquence, les molécules d’acétone provoquent une modification beaucoup plus importante du motif de lumière réfléchie que le méthanol ou l’éthanol, qui interagissent plus faiblement avec la surface.

Du montage de laboratoire aux détecteurs pratiques

L’étude montre qu’un film mince composé de chitosane, de polymère conducteur et de nanoparticules d’or peut agir comme un « nez » hautement sélectif pour l’acétone lorsqu’il est associé à une configuration d’imagerie SPR. La méthode est sans marquage, repose uniquement sur la lumière et le traitement d’image, et fonctionne à température ambiante avec du matériel simple. Parce que le capteur répond fortement à l’acétone tout en ignorant presque les vapeurs alcooliques similaires, il pourrait être adapté à des analyseurs d’haleine pour surveiller la santé métabolique ou à des moniteurs compacts détectant les fuites de solvants dans les usines et les laboratoires, offrant un moyen accessible et sensible de repérer ce produit chimique important.

Citation: Sadrolhosseini, A.R., Bizhanifar, A., Akbari, L. et al. Chitosan-poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)-AuNPs composite for acetone detection using plasmonic image sensor. Sci Rep 16, 7069 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38050-4

Mots-clés: capteur d’acétone, analyse de l’haleine, imagerie plasmonique, nanoparticules d’or, composite au chitosane