Un nouveau dispositif de démonstration de faisabilité, créé par des chercheurs de l’UC Berkeley, peut détecter les gaz émis par les bactéries nocives, les allergènes et autres risques pour la sécurité alimentaire.
La plupart d’entre nous avons déjà utilisé l’odorat pour déterminer si une bouteille de lait légèrement périmée ou un plat à emporter vieux d’une semaine est encore consommable. Mais si l’odorat humain est souvent très performant, il n’est pas infaillible. Chaque année, des millions d’Américains sont victimes d’intoxications alimentaires dues à des agents pathogènes qui prolifèrent dans les aliments insuffisamment cuits ou avariés.
Heureusement pour nos estomacs, un nouveau « nez électronique » mis au point à l’Université de Californie à Berkeley est capable de détecter les odeurs associées aux aliments avariés avec une précision bien supérieure à celle du nez humain. Il peut également déceler la présence d’allergènes alimentaires courants, comme les noix et les arachides, qui peuvent être mortels pour les personnes sensibles. Ce nez est décrit dans une nouvelle étude publiée hier (17 juin) dans la revue Science Advances .
« Je pense que les réfrigérateurs intelligents — équipés de capteurs que l’on peut contrôler avec son téléphone — seraient une excellente application pour ce type de technologie », a déclaré Carla Bassil, auteure principale de l’étude, doctorante en génie électrique et informatique à Berkeley et membre du groupe de recherche Javey . « Imaginez si votre réfrigérateur pouvait vous dire : « Attention, vos brocolis vont bientôt se gâter, il vaut mieux les manger » ou « Votre poulet est en fin de vie » ! »
Carla Bassil est doctorante en quatrième année en génie électrique et informatique à l’UC Berkeley et membre du groupe de recherche Javey. Brandon Sánchez-Mejia/UC Berkeley
Ce nouveau nez artificiel est composé d’un ensemble de 16 minuscules capteurs de gaz, chacun étant sensible à une combinaison légèrement différente de composés gazeux.
« On peut l’imaginer comme un ensemble de papilles gustatives numériques : chaque capteur de cette puce réagit de manière unique aux différentes molécules de gaz qui lui sont présentées », a expliqué Bassil lors d’une conférence UC Grad Slam consacrée à ses recherches. « Chacun de ces 16 capteurs est recouvert d’un film sensible différent et fonctionne en convertissant les réactions chimiques entre la surface du capteur et la molécule de gaz en signaux électriques. »
Grâce à l’apprentissage automatique, Bassil a entraîné un modèle à reconnaître les profils de réponse des capteurs associés à sept aliments différents : fraise, myrtille, banane, noix, noisette, noix de cajou et cacahuète. Elle l’a également entraîné à reconnaître l’odeur du poulet cru, du lait et des œufs, aussi bien frais que conservés à température ambiante pendant 24 et 48 heures.
Bassil a constaté que le nez était suffisamment sensible pour détecter 0,05 gramme de noix isolée, soit environ un centième d’une noix décortiquée moyenne. Cependant, elle n’a pas encore testé la sensibilité de l’appareil en présence d’autres gaz, par exemple lorsque des noix se trouvent dans une salade ou un gâteau, ou encore lorsque des aliments avariés sont conservés au réfrigérateur avec d’autres aliments.
« L’idée est d’utiliser la sélectivité relative des capteurs de gaz, combinée aux capacités de reconnaissance de formes de l’apprentissage automatique, pour déterminer la signature gazeuse associée à chaque aliment », a expliqué Bassil. « On obtient ainsi une puce de capteur bien plus sensible et objective que n’importe quel nez humain. »
Le nez électronique contient 16 matériaux différents sensibles aux gaz (petits cercles au centre) qui réagissent chacun aux molécules de gaz auxquelles ils sont exposés (à gauche). L’appareil enregistre les réactions de chaque matériau et, grâce à un modèle d’apprentissage automatique, détermine les réactions associées à un aliment ou une odeur spécifique (à droite). Brandon Sánchez-Mejia/UC Berkeley
Bien que le concept de nez électronique existe depuis les années 1980, sa mise en œuvre s’est avérée complexe. Les capteurs de gaz uniques, comme ceux des détecteurs de monoxyde de carbone domestiques, sont relativement simples à fabriquer. En revanche, l’intégration d’un ensemble de films sensibles différents sur une seule puce est beaucoup plus difficile.
Bassil a surmonté nombre de ces difficultés en utilisant des nanotubes de carbone comme matériau conducteur, plutôt que des oxydes métalliques. Les nanotubes de carbone peuvent former des couches d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres, soit l’équivalent de quelques atomes, ou un centième de l’épaisseur d’un cheveu. Leur grande surface leur confère de nombreuses propriétés exceptionnelles, notamment une sensibilité élevée à température ambiante.
Bassil a créé une version portable de son nez, contrôlable via une application iPhone. Brandon Sánchez-Mejia/UC Berkeley
L’utilisation d’une structure fonctionnant à température ambiante, plutôt qu’à haute température, a permis à Bassil de choisir un plus large éventail de matériaux sensibles aux gaz, y compris ceux susceptibles de se dégrader à haute température, comme les polymères. Elle a également pu fabriquer la puce de détection par un procédé simple appelé dépôt par goutte, évitant ainsi le recours à des techniques plus complexes.
« Le véritable atout de mon nez électronique, c’est sa capacité à être déployé à grande échelle : nous pouvons utiliser tous ces différents types de matériaux de détection tout en les déposant en une seule étape », a déclaré Bassil.
Bien que non incluse dans la nouvelle étude, Bassil a créé une version portable du nez électronique, pilotable via une application iPhone. Elle prévoit de tester la prochaine génération de l’appareil dans des environnements plus variés, tout en continuant d’en améliorer la sensibilité et la fiabilité.
