Capteur de dioxyde de carbone à très faible consommation pour la surveillance respiratoire en temps réel

Contexte académique

Le dioxyde de carbone (CO₂) est un gaz important produit lors de la respiration humaine. Sa surveillance en temps réel est essentielle pour le diagnostic et le traitement des maladies respiratoires (comme l’asthme, la dyspnée et l’apnée du sommeil) ainsi que des troubles métaboliques. Les méthodes traditionnelles de surveillance du CO₂, comme l’analyse des gaz sanguins artériels, sont invasives et ne conviennent pas à une surveillance continue à long terme. Bien que les capteurs à absorption infrarouge non dispersive (NDIR) soient largement utilisés, leur volume encombrant et leur consommation d’énergie élevée limitent leur application dans les dispositifs portables.

Ces dernières années, les capteurs optochimiques, grâce à leur petite taille et à leur haute sensibilité, sont devenus des candidats potentiels pour la détection non invasive du CO₂. Cependant, la courte durée de vie des capteurs optochimiques et les problèmes de photoblanchiment des colorants ont limité leur utilisation dans la surveillance respiratoire à long terme. Pour résoudre ces problèmes, Kim et son équipe ont développé un nouveau capteur de CO₂ optochimique basé sur un indicateur de pH fluorescent, offrant une consommation d’énergie ultra-faible et une stabilité améliorée, ouvrant ainsi la voie à une surveillance respiratoire en temps réel.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Minjae Kim, Dongho Choi, Chan-Hwi Kang et Seunghyup Yoo de l’Institut supérieur coréen des sciences et technologies (KAIST). Il a été publié le 16 mai 2025 dans la revue Device, sous le titre Ultralow-power carbon dioxide sensor for real-time breath monitoring.

Procédure de recherche et résultats

1. Conception du capteur et développement des matériaux

Les chercheurs ont conçu un capteur basé sur un circuit flexible, dont le cœur est l’indicateur de pH fluorescent 8-hydroxypyrène-1,3,6-trisulfonate (HPTS) comme matériau sensible au CO₂. L’HPTS est excité à des longueurs d’onde spécifiques, et son intensité de fluorescence varie en fonction de la concentration de CO₂. Pour améliorer la stabilité et l’utilisation de la lumière du capteur, les chercheurs ont utilisé du polyméthacrylate de propyle (PPMA) comme matrice polymère et ont intégré une couche de diffusion en polyfluorure de vinylidène (PVDF) perméable aux gaz.

2. Fabrication et intégration du capteur

Le capteur est composé d’une photodiode organique (OPD), de LED, d’un film d’HPTS et d’une couche de diffusion en PVDF. Les LED émettent à des longueurs d’onde de 400 nm et 470 nm, utilisées respectivement pour exciter le signal de référence et le signal de détection de l’HPTS. En optimisant la tension de fonctionnement et le cycle de travail des LED, les chercheurs ont réduit la consommation d’énergie des composants émetteurs de lumière à 171 mW. De plus, le capteur utilise un circuit imprimé flexible (FPCB) pour les connexions électriques, lui conférant une bonne capacité de flexion.

3. Tests de performance du capteur

Les chercheurs ont testé de manière exhaustive le temps de réponse, la stabilité et la précision du capteur. Lors de variations de concentration de CO₂, le capteur a montré une réponse rapide (temps de montée de 9,2 secondes) et un temps de récupération (18,6 secondes), surpassant les capteurs NDIR commerciaux. Les tests de durée de vie ont montré que le capteur pouvait fonctionner en continu pendant plus de 9 heures avec une erreur inférieure à 5 %. De plus, les erreurs de mesure de la concentration de CO₂ dans des conditions sèches ont augmenté de manière significative, mais elles se sont rapidement rétablies après une exposition à l’air humide.

4. Démonstration de surveillance respiratoire en temps réel

Pour valider le potentiel d’application pratique du capteur, les chercheurs l’ont intégré dans un masque facial afin de surveiller les schémas respiratoires des volontaires. Le capteur a réussi à capturer les variations de concentration de CO₂ pendant l’inspiration et l’expiration, générant un graphique ressemblant à une onde de pouls (capnogramme). Cette haute résolution temporelle permet au capteur d’être utilisé pour surveiller la fréquence respiratoire et analyser les schémas respiratoires.

Conclusion et signification

Cette étude a permis de développer un capteur de CO₂ optochimique à très faible consommation d’énergie et à haute stabilité, offrant une nouvelle solution pour la surveillance respiratoire en temps réel et continue. Les caractéristiques de réponse rapide, de faible consommation d’énergie et de longue durée de vie du capteur ouvrent un large éventail d’applications dans les domaines médical et industriel. De plus, cette étude a clarifié l’origine des réponses non linéaires et a proposé des stratégies d’optimisation pour le problème du photoblanchiment des colorants, fournissant ainsi des orientations théoriques importantes pour la conception de futurs capteurs optochimiques.

Points forts de l’étude

1. Très faible consommation d’énergie : La consommation d’énergie des composants émetteurs de lumière du capteur est seulement de 171 mW, bien inférieure à celle des capteurs traditionnels.
   
2. Haute stabilité : Grâce à l’optimisation des matériaux et de la structure, le capteur peut fonctionner en continu pendant plus de 9 heures avec une erreur inférieure à 5 %.
   
3. Réponse rapide : Le temps de réponse du capteur est meilleur que celui des capteurs NDIR commerciaux, ce qui le rend adapté aux applications de surveillance en temps réel.
   
4. Portabilité : Le capteur est de petite taille et léger, pouvant être facilement intégré dans des dispositifs portables comme les masques.
   
5. Fondements théoriques : Cette étude a révélé l’origine des réponses non linéaires de l’HPTS et a proposé des solutions pour optimiser le photoblanchiment des colorants.
   

Autres informations pertinentes

L’équipe de recherche prévoit également d’intégrer un capteur d’humidité pour réduire davantage les erreurs de mesure dans les environnements secs, renforçant ainsi l’utilité du capteur. Cette combinaison de capteurs multifonctionnels devrait jouer un rôle important dans les domaines des équipements de protection individuelle et de la surveillance de la sécurité industrielle.