Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
La caractérisation chimique de la matière à l’échelle nanométrique est un enjeu majeur. Cet article présente une technologie innovante, appelée AFM-IR, capable de réaliser des mesures de spectroscopie et d’imagerie infrarouge à l’échelle de quelques nanomètres. Dans un premier temps, le principe de fonctionnement et les développements de cette nouvelle microscopie seront abordés. Puis quelques applications illustrant les capacités de la technique seront présentées pour les domaines les plus significatifs : science des polymères, pharmaceutique, et biologie.
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Conventional infrared technologies do not allow reaching resolutions of less than a few micrometers limiting the fields of potential applications as well as understanding physico-chemical phenomena at the sub-micrometric scale. In this article, an innovative microscope, called AFM-IR, able to perform measurements of IR spectroscopy and imaging at the scale of a few nanometers is described. The principle as well as the developments of this new microscopy is discussed then a panel of applications in fields of polymer science, pharmaceuticals and life science, are presented.
Auteur(s)
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Alexandre DAZZI : Professeur des universités, docteur en physique de l’université de Bourgogne - Laboratoire de Chimie-Physique, université Paris-Sud, Orsay, France
-
Ariane DENISET-BESSEAU : Maître de conférences, docteur en physico-chimie de l’université Paris-Sud - Laboratoire de Chimie-Physique, université Paris-Sud, Orsay, France
INTRODUCTION
La spectromicroscopie infrarouge (IR) est une technique efficace pour identifier chimiquement les composés d’un échantillon (par leurs spectres infrarouges) et les localiser spatialement. Cependant, la principale limitation de cette technique infrarouge « classique » est sa résolution spatiale : celle-ci est imposée par la partie optique et est de l’ordre de quelques micromètres.
C’est dans ce contexte que la technique d’AFM-IR a été développée pour permettre de réaliser des études IR (spectres d’absorption et cartographies) à l’échelle de quelques nanomètres. Cette technologie en pleine expansion est basée sur le couplage entre un microscope à force atomique (AFM) et un laser IR accordable pulsé. L’idée principale est de s’affranchir de la détection optique pour étudier l’interaction des photons infrarouges avec la matière, pour ne pas être limité par la diffraction de la lumière. Pour cela, on suit l’effet photothermique associé à l’absorption de la lumière infrarouge.
Pour faire ce type de mesure, l’échantillon est imagé par AFM (topographie de surface) puis illuminé avec la source laser IR. La pointe du microscope à force atomique qui est en contact avec l’échantillon est alors utilisée pour détecter l’effet photothermique induit dans l’échantillon suite à l’absorption du rayonnement IR : si la longueur d’onde du laser correspond à une bande d’absorption de l’échantillon, alors une partie de la lumière est absorbée puis convertie sous forme de chaleur. Ceci crée une augmentation locale de température. Cette augmentation de température induit la dilatation de l’échantillon qui repousse la pointe de l’AFM. Cette poussée est extrêmement rapide et est ressentie comme un choc dans la pointe engendrant l’oscillation du levier de l’AFM. L’avantage de cette approche est que l’amplitude des oscillations est proportionnelle à l’absorbance et permet d’atteindre une résolution de quelques nanomètres (grâce à la pointe de l’AFM).
Depuis 2012, cette technologie est utilisée, à travers le monde, en routine pour l’analyse infrarouge à l’échelle nanométrique que ce soit pour les académiques ou les industriels et ce dans des domaines aussi divers que la science des polymères, la microbiologie, la pharmacie ou encore l’étude des matériaux du patrimoine ou l’astrochimie.
Cet article propose de décrire le principe fondamental de cette technologie et d’expliquer son fonctionnement qui reste relativement simple et intuitif. C’est sans doute pour ces dernières raisons que cette technologie a pu séduire des scientifiques de différents horizons et est utilisée dans de nombreux domaines. Par la suite, l’article illustrera l’impact de cette technologie par la description de quelques applications récentes en sciences des polymères, en microbiologie et se terminera par la présentation des perspectives et les évolutions potentielles de la technique.
Points clés
Domaine : techniques d’imagerie et d’analyse chimique
Degré de diffusion de la technologie : croissante
Technologies impliquées : microscopie à force atomique et laser infrarouge
Domaines d’application : science des polymères, science de la vie, photonique, science des matériaux, pharmacie, patrimoine culturel
Principaux acteurs français :
-
pôles de compétitivité
-
centres de compétence
-
industriels
Autres acteurs dans le monde :
https://www.anasysinstruments.com/
https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis.html
Contact : [email protected]/ http://www.lcp.u-psud.fr/spip.php?article358
KEYWORDS
atomic force microscopy | infrared spectroscopy | nanotechnology | infrared imaging
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
1. Contexte
1.1 Limitation de la spectromicroscopie infrarouge
La spectroscopie consiste à étudier l’interaction entre une onde électromagnétique (dans le contexte de cet article) et la matière en observant des phénomènes d’excitation ou de désexcitation, en fonction de l’énergie ou de la fréquence de l’onde. Dans le domaine de l’infrarouge, l’étude de l’absorption d’onde électromagnétique permet de sonder les vibrations moléculaires de la matière. Le domaine de fréquence 4 000-500 cm−1 (2,5 à 20 microns), appelé « moyen infrarouge », est particulièrement intéressant car il contient toutes les bandes vibrationnelles des composés organiques. La spectroscopie infrarouge est donc un outil très efficace pour l’identification chimique de la matière. Les applications concernent de nombreux domaines : le biomédical (détermination de la composition des tissus, identification de micro-organismes…), la détection de polluants (détection de traces de gaz dans l’atmosphère, mesures de CO2 dans les zones urbaines…), l’agronomie (contrôle qualité des denrées…) la science des matériaux (caractérisation de mélanges de polymères…).
La spectroscopie IR n’offrant pas de résolution spatiale, son couplage avec la microscopie permet de proposer une étude en 2 ou 3D. Cependant, la limitation intrinsèque de la microscopie liée à la diffraction de la lumière fait que la résolution des microscopes infrarouges atteint difficilement 5-10 µm. Pour améliorer la résolution des images et approcher de la résolution limite, un dispositif de type confocal est alors utilisé. Le principe du microscope confocal est de créer un éclairement focalisé sur l’échantillon et de l’imager à travers une ouverture. De cette manière, seuls les rayons issus du volume focal sont détectés ce qui permet d’améliorer la résolution latérale et axiale. Par contre, comme la mesure ne se fait qu’en un point de l’échantillon, il est nécessaire de balayer la tache focale sur toute la surface pour reconstruire l’image. Ces montages optiques permettent de limiter l’étendue géométrique du faisceau et d’améliorer le rapport signal sur bruit des images. L’association de ce type de microscope avec une source infrarouge et avec un spectromètre à transformée de Fourier...
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Équipe AFM-IR du laboratoire de chimie physique, université Paris-Sud.
http://www.lcp.u-psud.fr/spip.php?article358
HAUT DE PAGE
US patents (2008/0283,755 ; 2009/0249,521 ; 2011/0283,428 ; 2012/0050,718)
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