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Article

1 - CONTEXTE

  • 1.1 - Limitation de la spectromicroscopie infrarouge
  • 1.2 - Dépasser les limites de résolution

2 - DESCRIPTION DE LA TECHNIQUE AFM-IR

3 - APPLICATIONS

4 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTIONS

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : IN224 v1

Description de la technique AFM-IR
AFM-IR : caractérisation chimique à l’échelle nanométrique

Auteur(s) : Alexandre DAZZI, Ariane DENISET-BESSEAU

Date de publication : 10 juil. 2019

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RÉSUMÉ

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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ABSTRACT

AFM-IR : a tool to explore the matter at the nanoscale

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)

  • 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

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KEYWORDS

atomic force microscopy   |   infrared spectroscopy   |   nanotechnology   |   infrared imaging

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in224


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2. Description de la technique AFM-IR

2.1 Mesure locale de l’absorption

La technique AFM-IR (figure 1) consiste à éclairer un échantillon avec une source laser IR accordable en longueur d’onde tout en le sondant avec la pointe d’un microscope à force atomique (brevet US 2008/0283,755). Si cette source laser est réglée sur une longueur d’onde correspondant à l’une des bandes d’absorption de l’échantillon, un effet photothermique est généré. La pointe de l’AFM est alors utilisée comme détecteur de cette absorption.

En effet, la manière la plus courante pour mesurer l’absorption infrarouge est de détecter la dilatation de l’échantillon par la pointe AFM lorsqu’il y a une absorption optique : l’énergie apportée par la lumière infrarouge est convertie en augmentation locale de température, c’est l’effet photothermique. Cette augmentation de température induit une contrainte forte à l’intérieur de l’échantillon qui la relaxe en se dilatant. En effet, la variation relative de volume d’un objet est proportionnelle à son coefficient de dilatation thermique multiplié par l’augmentation de température (  ; V volume, β coefficient de dilatation thermique et T température). Cette dilatation est transmise au levier via la pointe de l’AFM, provoquant ainsi son oscillation (figure 2 a). Les lasers infrarouges utilisés sont pulsés avec une durée d’impulsion de quelques dizaines de nanoseconde. La dilatation thermique induite est donc extrêmement rapide comparée au temps de réponse du levier de l’AFM, qui est proche de la centaine de microseconde. Chaque fois qu’il y a absorption d’une impulsion laser, la dilatation de l’échantillon est « ressentie » comme un choc transmis par la pointe de l’AFM, induisant l’oscillation libre du levier (figure 2 b). Lors de cette oscillation, tous les modes propres de vibration sont sollicités. La mesure de l’absorption locale de l’échantillon se fait simplement en mesurant l’amplitude de ces oscillations grâce à la photodiode utilisée pour la mesure de déformation du levier AFM (figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FINDLAY (C.R.), WIENS (R.), RAK (M.), SEDLMAIR (J.), HIRSCHMUGL (C.J.), MORRISON (J.), MUNDY (C.J.), KANSIZ (M.), GOUGH (K.M.) -   Rapid biodiagnostic ex vivo imaging at 1 µm pixel resolution with thermal source FTIR FPA.  -  The Analyst, 140 (7), 2493-2503 (2015).

  • (2) - REDDY (R.K.), WALSH (M.J.), SCHULMERICH (M.V.), CARNEY (P.S.), BHARGAVA (R.) -   High-Definition Infrared Spectroscopic Imaging.  -  Applied Spectroscopy, 67 (1), 93-105 (2013).

  • (3) - POHL (D.W.), DENK (W.), LANZ (M.) -   Optical stethoscopy : Image recording with resolution λ/20.  -  Applied Physics Letters, 44 (7), 651-653 (1984).

  • (4) - BINNIG (G.), QUATE (C.F.), GERBER (C.) -   Atomic Force Microscope.  -  Physical Review Letters, 56 (9), 930-933 (1986).

  • (5) - BINNIG (G.), ROHRER (H.), GERBER (C.), WEIBEL (E.) -   Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy.  -  Physical Review Letters, 49 (1), 57-61 (1982).

  • ...

1 Sites Internet

Équipe AFM-IR du laboratoire de chimie physique, université Paris-Sud.

http://www.lcp.u-psud.fr/spip.php?article358

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2 Brevets

US patents (2008/0283,755 ; 2009/0249,521 ; 2011/0283,428 ; 2012/0050,718)

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