EP1774287A2 - Procede et systeme de detection optique de nano-objets dans un milieu refringent - Google Patents

Procede et systeme de detection optique de nano-objets dans un milieu refringent

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Publication number
EP1774287A2
EP1774287A2 EP05786109A EP05786109A EP1774287A2 EP 1774287 A2 EP1774287 A2 EP 1774287A2 EP 05786109 A EP05786109 A EP 05786109A EP 05786109 A EP05786109 A EP 05786109A EP 1774287 A2 EP1774287 A2 EP 1774287A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
nano
wave
modulated
probe
amplitude
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05786109A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Brahim Lounis
Laurent Cognet
Stéphane BERCIAUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1774287A2 publication Critical patent/EP1774287A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1429—Signal processing
    • G01N15/1433—Signal processing using image recognition
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
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    • G01N2021/1731—Temperature modulation
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N2021/1757—Time modulation of light being essential to the method of light modification, e.g. using single detector

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for optical detection of nano-objects in a refractive medium.
  • optical techniques used for this purpose at present are based on the phenomenon of luminescence. Fluorescent molecules have been studied, highlighted and are commonly used in the field of life sciences.
  • the aforementioned fluorescent molecules allow only short observation times, due to the phenomenon of photo whitening.
  • Another technique uses the absorption properties of objects.
  • Isolated ions or atoms in RF (radio frequency) traps or high quality factor cavities were detected by absorption of a probe beam.
  • Nanometer-sized metal particles excited in the vicinity of their plasmon resonance by an electromagnetic wave, have a relatively large absorption section, of the order of 8 ⁇ 10 -14 cm 2 for a particle of 5 nm in diameter. , and a fast electron-phonon relaxation time, of the order of one pico-second. Due to the fact that the luminescence phenomenon of these particles is extremely low, almost all the electromagnetic energy absorbed is converted into heat. The rise in the induced temperature causes a variation of the local refractive index. The aforementioned more recent method employs a polarized light interference contrast technique to detect this local thermal photo effect and to display images of gold particles of 5 nm diameter have been obtained, with a ratio of signal to noise of the order of 10.
  • an interferometric method involves the implementation of precision installations, including bulky and heavy optical banks, necessary for precision, for the conservation of phase relationships between laser beams, necessary for the implementation evidence of the phenomenon of interference.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art, in particular in terms of simplification of the necessary installations, with a view to achieving substantially facilitated industrialization.
  • Another object of the present invention is furthermore the implementation of a method and system for the optical detection of nano-objects, by local thermal photo detection, having a significantly increased sensitivity compared to the method of said interferometry thermal photo detection, the signal-to-noise ratio can be improved in a ratio 100, and the size of the detectable particles may be between 1 and 2 nm.
  • the process for the optical detection of nano-objects in a refractive medium, object of the present invention is remarkable in that it consists at least in illuminating at least one of the nano-objects and the refracting medium by means of a first wave IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 845-02-35 Electrical and magnetic data / Electromagnetic compatibility and modulated refractive index modulated refractive index variation in temperature and refractive index a zone in the vicinity of this nano-object, jointly illuminating this nano-object by means of a second coherent electromagnetic wave constituting a probe wave, to generate, by diffusion of this probe wave in this zone by the temperature profile and a refractive index, an emerging probe wave having at least one amplitude-modulated intensity component per beat at the modulation frequency of the first electromagnetic wave, detecting on the emerging electromagnetic wave this intensity component modulated in amplitude by beat, which allows to highlight and to represent this nano-object in the refractive medium.
  • the device for optical detection of nano-objects in a refractive medium, object of the present invention is remarkable in that it comprises at least one illumination resource of at least one of these nano-objects and the medium refracting to means of a first coherent electromagnetic wave modulated periodically in amplitude, so as to cause an absorption of electromagnetic energy and to induce a modulated refractive index variation of this refracting medium by temperature rise, according to a determined temperature profile and of a refractive index, in a zone in the vicinity of this nano-object, a resource of joint illumination of this nano-object, by means of a second coherent electromagnetic wave constituting a probe wave, to generate, by diffusion of this probe wave in this zone by the temperature and refractive index profile, an emerging probe wave having at least one intensity component amplitude modulated by beat at the modulation frequency of the first electromagnetic wave, and a detection module, on this emergent wave, of this intensity component modulated in amplitude by beat, which allows to highlight and to represent this nano-object in the refractive medium.
  • the method and device of the invention are applicable to the detection of absorbent or metallic nano-objects in an industrial or physiological refractive medium, with specific applications for the localization and representation of these nanoparticles in these media, in the field of physical chemistry, the sciences of matter and the detection of bio ⁇ molecules labeled in a physiological or intracellular medium.
  • FIG. 1 represents, by way of illustration, a flowchart, in the form of block diagrams, of the essential steps for implementing the method that is the subject of the present invention
  • FIG. 2a represents, by way of illustration, an exemplary implementation of an optical nano-object detection device according to the subject of the present invention
  • FIG. 2b represents, by way of illustration, a representation of an aggregate image of 67 gold atoms (1.4 nm) obtained by optical detection, thanks to the implementation of the method that is the subject of the present invention
  • FIG. 2c represents a histogram of the amplitude of the signal detected for a given number of intensity peaks of the image represented in FIG. 2b;
  • FIG. 3a represents the variation law of the detected signal as a function of the modulation frequency
  • FIG. 3b represents the law of variation of the absorption cross-section as a function of the size, the radius, of the nano-objects
  • FIG. 4a represents the dependence law of the detected signal as a function of the modulation frequency applied to the amplitude of the electromagnetic heating wave
  • FIG. 4b represents the dependence law of the detected signal as a function of the power of the electromagnetic heating wave
  • FIG. 5a represents the fluorescence image of a preparation of
  • FIG. 5b represents, by way of comparison, the image of the same preparation, obtained thanks to the implementation of the process which is the subject of this in which the quantum boxes are detected and highlighted.
  • n_ ⁇ j a plurality of nano-objects designated n_ ⁇ j are considered in a refractive medium.
  • the aforementioned nano-objects may be suspended in a liquid refractive medium, for example, placed on a transparent slide, as will be described later in the description.
  • the method of the invention comprises a step A to illuminate at least one of nano-objects and n_ ⁇ j of the refracting medium, using a first periodically modulated electromagnetic wave, denoted HB ( ⁇ ) in amplitude, so as to cause an electromagnetic energy absorption of the refractive medium and to induce a modulated variation of the refractive index of the latter by temperature rise.
  • HB first periodically modulated electromagnetic wave
  • the amplitude modulation of the first electromagnetic wave refers to an intensity modulation at a modulation pulse, denoted ⁇ .
  • the aforementioned illumination causes a determined profile of temperature and refractive index in a zone in the vicinity of the nano-object considered n_ ⁇ j.
  • the method according to the invention also consists in illuminating, in step B, the nano-object considered n_ ⁇ j by a second coherent electromagnetic wave, the second coherent electromagnetic wave mentioned above being intended to constitute a probe wave.
  • the above-mentioned probe wave makes it possible to generate, by diffusion of the latter, in the zone considered by the temperature and refractive index profile, an emergent probe wave denoted EPB ( ⁇ ) comprising at least one intensity component. amplitude modulated by beat at the modulation frequency of the first electromagnetic wave.
  • the probe wave PB is subjected to a phenomenon of diffusion or dispersion.
  • the method which is the subject of the invention then consists of a step C, of detecting on the emerald probe wave EPB ( ⁇ ) the amplitude intensity component modulated by beat.
  • EPB ( ⁇ ) which has a maximum in the vicinity of the nano-object considered in the neighborhood area of the latter.
  • a considered nano-object introduced into a homogeneous refractive medium when the latter is illuminated by the first amplitude-modulated coherent electromagnetic wave, behaves as a point source of heat with a thermal power of the form: Ph ⁇ at. [1 + cos ( ⁇ t)] (1)
  • ⁇ is the modulation pulse of the first coherent electromagnetic wave and P hea t is the average power of the coherent electromagnetic wave absorbed.
  • the aforementioned point thermal source generates a temporal modulation of the refractive index in the vicinity of the nano-object considered according to a spatio-temporal profile given by the relation:
  • r denotes the distance to the center of the nano-object n_ ⁇ j
  • n denotes the refractive index of the refractive medium
  • Rt h - J 2 ⁇ / ⁇ n ' a length or radius characteristic of thermal diffusion
  • K designating the thermal conductivity of the refringent medium and C its specific heat volume.
  • the medium refractive variable refractive index in the zone near the nano-obj 'and considered causes, by a phenomenon of heterodyning between the incident probe beam PB reflected or transmitted and the coherent electromagnetic probe broadcast wave, beat frequency at the modulation pulse ⁇ , which can be detected by a conventional detection technique.
  • the detection of the beat amplitude modulated intensity component can be performed on the emerging probe wave reflected by the refracting medium or on the emerging probe wave transmitted by the refractive medium.
  • the above-mentioned conventional type detection techniques may advantageously comprise a synchronous detection, this detection process making it possible to reduce the noise level, and consequently to optimize the signal-to-noise ratio of the signal obtained, following the detection of the amplitude modulated intensity component per beat.
  • the method which is the subject of the present invention applies to the optical detection of nano-objects, whether these nano-objects are absorbent or metallic, such as aggregates of gold atoms, and it will be described later in the description.
  • the wavelength of the first coherent electromagnetic wave is chosen at a value close to the wavelength of the plasmon resonance of the nano-object under consideration.
  • the second An electromagnetic wave constituting a probe beam is focused in the area in the vicinity of the nano-object in a manner similar to the focusing of the first electromagnetic wave.
  • the first coherent electromagnetic wave at 532 nm was amplitude modulated at a frequency of about 1 Mhz.
  • the aforementioned wavelength, 532 nm is located in the vicinity of the plasmon resonance of the gold nanospheres. The latter under these conditions strongly absorb the electromagnetic energy of heating and behave accordingly as a source point at the origin of a local temperature variation modulated at the frequency ⁇ / 2 ⁇ r.
  • the temperature profile in the zone in the vicinity of each nano-object is spherically symmetrical and is characterized by the aforementioned length R th , mentioned above.
  • the superposition to the electromagnetic heating wave of the 633 nm probe coherent electromagnetic wave and their focusing in the vicinity of a gold nanosphere, that is, typically at a distance less than the length or radius thermal diffusion Rt h allows to introduce a disturbance on the propagation of the probe beam through the fluctuations modulated at the ⁇ pulse of the refractive index of the medium, induced by the heating produced by the nano-object.
  • the emergent probe wave consists of the interaction of a DC component with a very low intensity component modulated at the ⁇ pulse resulting from the diffusion of the EPB probe beam by the temperature profile in the vicinity of the nanoparticles. object.
  • the aforementioned tests made it possible to map samples comprising nano-objects of size 1 nm and thus to characterize the dependence of the detected signal on the various test parameters, such as heating power, modulation frequency, size of each nano-object, for example.
  • FIG. 2a A more detailed description of a device for optical detection of nano-objects in a refractive medium, in accordance with the subject of the present invention, will now be given with FIG. 2a.
  • the device for the optical detection of nano-objects in a refractive medium, object of the present invention comprises at least 1 illumination resources of at least one of the nano-objects n_ ⁇ j and of the refractive medium by means of a first coherent electromagnetic wave HB modulated periodically in amplitude at the ⁇ pulse.
  • This makes it possible to induce an electromagnetic energy absorption and to induce a modulated refractive index variation of the refractive medium by raising the temperature, according to a determined temperature and refractive index profile in an area in the vicinity of the nano- object considered, as previously mentioned in the description.
  • the device which is the subject of the invention furthermore comprises resources 2 for jointly illuminating the nano-object n_ ⁇ j considered by means of a second coherent electromagnetic wave PB constituting a probe wave, to generate in the zone in the vicinity of the nano-object object n_ ⁇ j by diffusion of this wave in this zone, by the aforementioned temperature and refractive index profile, an emergent probe wave EPB ( ⁇ ) comprising at least one amplitude intensity component modulated by beat at the frequency of modulation of the first electromagnetic wave.
  • EPB emergent probe wave
  • the device that is the subject of the invention comprises at least detection resources 3 on the emergent wave EPB ( ⁇ ) of the intensity component modulated in amplitude by beat. This procedure makes it possible to highlight and to represent the nano-object in the refractive medium according to an image of the refractive medium considered.
  • the illumination resource 1 by means of the first coherent electromagnetic wave comprises at least one generator 1o of a first laser beam constituting the first coherent electromagnetic wave to form a heating wave.
  • the laser generator 1 0 may advantageously consist of a Nd: Yag laser generator doubled at 532 nm.
  • the illumination resource 1 further comprises a focusing device, denoted I 2 , of the first laser beam constituting the first electromagnetic wave on the nano-objects in the refractive medium.
  • the modulation of the first to the pulsation ⁇ heating laser beam is performed by means of an acousto-optic modulator 1 03 which is controlled by a control generator, designated 3o in Figure 2a.
  • This generator delivers acousto-optic modulator control signals at the ⁇ pulse.
  • the acousto-optic modulator is a conventional type modulator and, for this reason, will not be described in detail.
  • the resource 2 for joint illumination of the nano-object under consideration via a second electromagnetic wave PB constituting the probe wave comprises at least one generator 2o of a second laser beam constituted for example by a laser
  • the second laser beam generated by the laser generator 20 is then focused on the nano-object considered in the refractive medium under the conditions below, represented in FIG. 2a.
  • the modulated heating wave HB ( ⁇ ) and the probe wave PB are superimposed by means of a dichroic mirror 1 i on a common optical path formed between the aforementioned dichroic mirror and a single common objective. ie by the lens 1 2 previously mentioned in the description constituting the focusing device.
  • the first laser beam HB is polarized rectilinearly because of the emission of the latter in a direction P perpendicular to the sheet of FIG. 2a for example.
  • the second laser beam constituting the probe wave is linearly polarized on emission by the laser source 20 in a second direction P 'contained for example in the plane of the sheet of FIG. 2a.
  • the polarization direction of the probe wave emitted by the laser source 20 is then transformed into a circular polarization PC in a plane orthogonal to the sheet of Figure 2a, through a ⁇ / 4 blade designated 022 in the aforementioned figure.
  • the aforementioned circular polarization is transmitted by the dichroic mirror.
  • a polarization separator device 2i formed by a polarization separator cube then makes it possible to restore the only emergent probe wave EPB ( ⁇ ) polarized in a direction P "orthogonal to the plane of the sheet of FIG. 2a constituting the third aforementioned direction.
  • polarization splitter device 20 i is placed on the optical path common to the emergent polarization wave polarized rectilinearly in the third direction P "and the polarized probe wave in the second direction P 1 .
  • the device according to the invention as represented in FIG. 2a finally comprises detection resources 3, which comprise at least one photodiode 3i receiving the emergent probe wave EPB ( ⁇ ).
  • the above-mentioned photodiode is advantageously constituted by a low-noise photodiode, the reception of the emergent probe wave EPB ( ⁇ ) being furthermore effected by means of a high-pass type filter 3- ⁇ o.
  • the detection resource further comprises, as shown in the aforementioned figure, a detection synchronization module receiving a detection signal delivered by the photodiode 3i and a synchronous detection control signal of the periodic amplitude modulation of the first beam. laser.
  • the modulation signal generator 3o delivers a signal representative of the periodic modulation ⁇ to a detection synchronization device 32, which makes it possible to ensure the synchronous detection of the signals delivered by the photodiode 3i for visualization by a system
  • the synchronization device 32 may be constituted by a synchronized amplifier for example.
  • the assembly constituted by the focusing device 1 2 and of course, the dichroic mirror 1 i, the laser generators 1 0 and 2o and the acousto-optical modulator optical components I 03 , dichroic mirror I 1 , blade 4/2 0 2 polarization splitter cube 20 i, high-pass filter 30 and photodiode 3-i are fixed.
  • the sample SA constituted by the preparation previously described, is advantageously placed on a three-dimensional piezoelectric table, for example, symbolized by the triad OXYZ.
  • An estimate of the detected signal measured by synchronous detection was obtained by using the scattering theory in a variable dielectric medium, to calculate the electromagnetic field scattered by the refractive index profile obtained in the vicinity of each nano-object and defined by relation 2 previously mentioned.
  • the beat at the pulse ⁇ between the reference probe wave PB and the scattered probe wave leads to a beat energy S at the synchronous detector which satisfies the following relationship and comprises two terms in quadrature:
  • a denotes a form factor close to unity
  • lin c denotes the intensity of the incident second coherent electromagnetic wave, that is to say the laser beam constituting the probe wave
  • P r ⁇ f denotes the power of the second electromagnetic wave constituting the emergent probe wave, reflected in the experimental conditions;
  • f k ( ⁇ ) and g ⁇ ⁇ ( ⁇ ) are two dimensionless functions that depend on the modulation pulse and the thermal diffusivity of the refractive medium.
  • the characteristic heat diffusion length or radius R th is greater than the focusing diameter of the probe beam or wave and the component f k ( ⁇ ) / ⁇ in phase with the modulation applied to the heating beam is preponderant.
  • the quadrature component g ⁇ ⁇ ( ⁇ ) / ⁇ becomes preponderant and decreases as 1 / ⁇ .
  • the sign ⁇ designates the proportionality of the demodulated signal S d em and ls ( ⁇ f) denotes the square of the amplitude of the signal of
  • FIG. 4a represents the evolution of the detected signal as a function of the frequency ⁇ / 2 ⁇ of the modulation of the heating wave.
  • the dashed curve represents the evolution of the component of the signal detected in phase with the modulation of the heating wave.
  • the dashed line represents the evolution of the signal component detected in quadrature phase with the modulation of the heating wave.
  • the solid curve represents the total amplitude of the detected signal.
  • FIG. 4b represents the linear dependence of the signal as a function of the thermal power Pheat expressed in milliwatts.
  • the amplitude of the signal is given in relative amplitude a.u. for "absolute unit”.
  • An additional increase in thermal power is not followed by saturation but leads to fluctuations in the amplitude of the detected signal, and, if necessary, to irreversible damage to the particle.
  • FIG. 2b it is indicated that the method and the device that are the subject of the present invention make it possible to detect nano-objects formed by metal particles of dimension as small as 1.4 nm in diameter with a SNR signal-to-noise ratio. > 10.
  • a probe wave at 720 nm Ti Sa laser and a heating beam at 532 nm Nd: Yag laser doubled, whose intensity was modulated at a pulse corresponding to a frequency between 100 kHz and 15 MHz by the acousto-optic modulator, have been implemented.
  • the power of the heating beam was in the range of 1 mW to 3.5 mW depending on the size of the nano-object to be detected.
  • An image of the SA sample was formed by moving the aforementioned sample relative to the first and second fixed focused beams through the 2D table.
  • SA samples were prepared, as previously mentioned, from a solution of gold particles of diameter 1, 4 nm, 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 33 nm, 20 nm, 33 nm or 75 nm.
  • FIG. 2b gives a three-dimensional representation of a heterodyned photothermal image, obtained in accordance with the implementation of the method and device that is the subject of the invention, for aggregates of gold atoms of 1.4 nm.
  • the image revealed the absence of background noise introduced by the substrate, which indicates that the detected signal comes only from the absorbent objects in the sample, that is to say aggregates of gold particles. These were detected with a relatively low thermal power, of the order of 3.5 nW, and a remarkable signal-to-noise ratio, greater than 10.
  • the histogram of the signal amplitude for 272 intensity peaks of the image of FIG. 2b and shown in FIG. 2c shows that the luminous intensity amplitude peaks emanate from the nano-objects themselves.
  • the capture section of the aforementioned aggregates is at most of the order of 10 '15 cm 2 section comparable to that of good fluorophores or nano-crystals CbSe / ZnS. Their relaxation time is very short.
  • luminescent semiconductor nanocrystals or fluorescent molecules have emission relaxation times of the order of one nanosecond, which makes the latter difficult to detect by absorption.
  • the semiconductor nano-crystals no longer exhibit a luminescence phenomenon.
  • the method and the device, objects of the present invention allow the detection of nano-objects whose emission relaxation time is short.
  • FIG. 5a represents the fluorescent image of quantum dots of
  • FIG. 5b there is shown an image of the same region obtained thanks to the implementation of the method and device that is the subject of the present invention, at an excitation intensity of 5 MW / cm 2 , for which quantum boxes are no longer luminescent.
  • a nano-object formed by a gold particle of 5 nm in diameter can be detected with a signal-to-noise ratio> 100, for a heating power of 1 mW.
  • the local temperature increase can be estimated at 4 K in an aqueous solution.
  • the method and device objects of the present invention can detect and represent by electronic image very small gold particles or nano-objects, while induced local warming can be made substantially less than 1 K, above the temperature average of the sample.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent. On illumine (A) un nano-objet (n-oi) et le milieu réfringent avec une onde électromagnétique cohérente de chauffage modulée périodiquement (HB(Ω)) en amplitude, pour engendrer un profil déterminé de température et d'indice de réfraction au voisinage du nano-objet, et avec une onde électromagnétique cohérente de sonde (PB) pour engendrer une onde de sonde émergente (EPB(Ω)) comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de l'onde cohérente de chauffage. On détecte (C) sur l'onde émergente (EPB(Ω)) la composante d'intensité modulée en amplitude par battement, pour mettre en évidence et représenter ce nano-objet dans le milieu réfringent. Application à la détection de nano-objets dans un milieu réfringent industriel, physiologique ou intra-cellulaire.

Description

Procédé et système de détection optique de nano-obiets dans un milieu réfringent.
L'invention concerne un procédé et un système de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent.
Dans le domaine technique des nano-sciences, dans lequel la dimension des objets est essentielle et caractérise ces derniers, des méthodes ou procédés permettant de visualiser ces objets sont primordiales.
Les techniques optiques utilisées dans ce but à l'heure actuelle sont basées sur le phénomène de luminescence. Des molécules fluorescentes ont été étudiées, mises en évidence et sont utilisées couramment dans le domaine des sciences de la vie.
Les molécules fluorescentes précitées ne permettent toutefois que des durées d'observation courtes, en raison du phénomène de photo blanchiment.
Le développement d'objets luminescents plus intenses et plus stables a remédié partiellement aux inconvénients précités, mais au prix de l'introduction d'un phénomène de clignotement important.
Une autre technique utilise les propriétés d'absorption des objets.
A la température de l'hélium liquide, des molécules isolées ont été détectées en premier lieu par une technique d'absorption à partir du facteur de qualité élevé de la ligne de phonon zéro qui présente une section d'absorption très importante, quelques 10"11 cm2, à la résonance.
Des ions ou des atomes isolés dans des pièges rf (radio fréquence) ou des cavités à haut facteur de qualité, ont été détectés par absorption d'un faisceau de sonde.
D'une manière générale, les particules présentant une grande section d'absorption et des intervalles temporels courts entre événements d'absorption successifs sont susceptibles d'être soumises avec succès à une détection par des méthodes d'absorption.
Plus récemment, un procédé de détection de ce type de particules a été développé pour des particules métalliques. Des particules métalliques de l'ordre du nanomètre, excitées au voisinage de leur résonance plasmon par une onde électromagnétique, présentent une section d'absorption relativement importante, de l'ordre de 8 10~14 cm2 pour une particule de 5 nm de diamètre, et un temps de relaxation électron-phonon rapide, de l'ordre d'une pico-seconde. En raison du fait que le phénomène de luminescence de ces particules est extrêmement faible, la quasi-totalité de l'énergie électromagnétique absorbée est transformée en chaleur. L'élévation de la température induite provoque une variation de l'indice de réfraction local. Le procédé plus récent précité met en œuvre une technique de contraste d'interférence en lumière polarisée, permettant de détecter cet effet photo thermique local et d'afficher des images de particules d'or de 5 nm de diamètre ont été obtenues, avec un rapport signal à bruit de l'ordre de 10.
Pour une description plus détaillée du procédé précité, on pourra utilement se reporter à l'article intitulé Photo thermal Imaging of Nanometer-Sized Métal Particles Among Scatterers publié le 16 août 2002, Volume 297, pp 1160- 1163, Science par David Boyer, Philippe Tamarat, Abdelhamid Maali, Brahim Lounis, Michel Orrit, Editeur : American Association for the Advancement of Science. Le procédé précité donne satisfaction.
Toutefois, mettant en œuvre un procédé interférométrique, il implique la mise en œuvre d'installations de précision, notamment de bancs optiques encombrants et lourds, nécessaires à la précision, pour la conservation des relations de phase entre faisceaux laser, nécessaire à la mise en évidence du phénomène d'interférence.
Ce type d'installation apparaît peu propice à une mise en œuvre aisée d'installations industrielles, ou même de laboratoires.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des techniques de l'art antérieur, notamment en termes de simplification des installations nécessaires, en vue d'aboutir à une industrialisation sensiblement facilitée.
Un autre objet de la présente invention, est en outre la mise en œuvre d'un procédé et d'un système de détection optique de nano-objets, par détection photo thermique locale, présentant une sensibilité augmentée de manière significative par rapport au procédé de détection photo thermique par interférométrie précité, le rapport signal à bruit pouvant être amélioré dans un rapport 100, et la dimension des particules susceptibles d'être détectées pouvant être comprise entre 1 et 2 nm. Le procédé de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il consiste au moins à illuminer au moins un des nano-objets et le milieu réfringent au moyen d'une première onde électromagnétique cohérente modulée périodiquement en amplitude, de façon à provoquer une absorption d'énergie électromagnétique et à induire une variation modulée d'indice de réfraction du milieu réfringent par élévation de température, selon un profil déterminé de température et d'indice de réfraction, dans une zone au voisinage de ce nano-objet, illuminer conjointement ce nano-objet au moyen d'une deuxième onde électromagnétique cohérente, constituant une onde de sonde, pour engendrer, par diffusion de cette onde de sonde dans cette zone par le profil de température et d'indice de réfraction, une onde de sonde émergeante comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de la première onde électromagnétique, détecter sur l'onde électromagnétique émergeante cette composante d'intensité modulée en amplitude par battement, ce qui permet de mettre en évidence et de représenter ce nano-objet dans le milieu réfringent.
Le dispositif de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il comporte au moins une ressource d'illumination d'au moins un de ces nano-objets et du milieu réfringent au moyen d'une première onde électromagnétique cohérente modulée périodiquement en amplitude, de façon à provoquer une absorption d'énergie électromagnétique et à induire une variation modulée d'indice de réfraction de ce milieu réfringent par élévation de température, selon un profil déterminé de température et d'indice de réfraction, dans une zone au voisinage de ce nano-objet, une ressource d'illumination conjointe de ce nano-objet, au moyen d'une deuxième onde électromagnétique cohérente, constituant une onde de sonde, pour engendrer, par diffusion de cette onde de sonde dans cette zone par le profil de température et d'indice de réfraction, une onde de sonde émergeante comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de la première onde électromagnétique, et un module de détection, sur cette onde émergeante, de cette composante d'intensité modulée en amplitude par battement, ce qui permet de mettre en évidence et de représenter ce nano-objet dans le milieu réfringent. Le procédé et Ie dispositif objets de l'invention trouvent application à la détection de nano-objets absorbants ou métalliques dans un milieu réfringent industriel ou physiologique, avec des applications spécifiques à la localisation et à la représentation de ces nano-particules dans ces milieux, dans le domaine de la chimie physique, des sciences de la matière et de la détection des bio¬ molécules marquées en milieu physiologique ou intra-cellulaire.
Ils seront mieux compris à la lecture de la description ci-après et à l'observation des dessins, dans lesquels :
- la figure 1 représente, à titre illustratif, un organigramme, sous forme de schémas blocs, des étapes essentielles de mise en œuvre du procédé objet de la présente invention ;
- la figure 2a représente, à titre illustratif, un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de détection optique de nano-objets conforme à l'objet de la présente invention ; - la figure 2b représente, à titre illustratif, une représentation d'une image d'agrégats de 67 atomes d'or (1 ,4 nm) obtenue par détection optique, grâce à la mise en œuvre du procédé objet de la présente invention ;
- la figure 2c représente un histogramme de l'amplitude du signal détecté pour un nombre donné de pics d'intensité de l'image représentée en figure 2b ;
- la figure 3a représente la loi de variation du signal détecté en fonction de la fréquence de modulation ;
- la figure 3b représente la loi de variation de la section droite d'absorption en fonction de la taille, le rayon, des nano-objets ; - la figure 4a représente la loi de dépendance du signal détecté en fonction de la fréquence de modulation appliquée à l'amplitude de l'onde électromagnétique de chauffage ;
- la figure 4b représente la loi de dépendance du signal détecté en fonction de la puissance de l'onde électromagnétique de chauffage ; - la figure 5a représente l'image par fluorescence d'une préparation de
CdSe/ZnS colloïdal contenant des boîtes quantiques et excitée par une onde électromagnétique de chauffage à très faible densité de puissance ;
- la figure 5b représente, à titre comparatif, l'image de la même préparation, obtenue grâce à la mise en œuvre du procédé objet de la présente invention, dans laquelle les boîtes quantiques sont détectée et mises en évidence.
Une description plus détaillée du procédé de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaision avec la figure 1.
En référence à la figure précitée, on considère une pluralité de nano- objets désignés n_θj dans un milieu réfringent. Les nano-objets précités peuvent être en suspension dans un milieu réfringent liquide, par exemple, placés sur une lame porte-objet transparente, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.
• Le procédé objet de l'invention est remarquable en ce qu'il consiste en une étape A à illuminer au moins l'un des nano-objets n_θj et le milieu réfringent, à l'aide d'une première onde électromagnétique modulée périodiquement, notée HB(Ω ) en amplitude, de façon à provoquer une absorption d'énergie électromagnétique du milieu réfringent et à induire une variation modulée d'indice de réfraction de ce dernier par élévation de température.
La modulation d'amplitude de la première onde électromagnétique s'entend d'une modulation d'intensité à une pulsation de modulation, notée Ω .
En conséquence, l'illumination précitée provoque un profil déterminé de température et d'indice de réfraction dans une zone au voisinage du nano-objet considéré n_θj.
Le procédé objet de l'invention consiste également à illuminer conjointement à l'étape B le nano-objet considéré n_θj par une deuxième onde électromagnétique cohérente, la deuxième onde électromagnétique cohérente précitée étant destinée à constituer une onde de sonde.
L'onde de sonde précitée permet d'engendrer par diffusion de cette dernière, dans la zone considérée par le profil de température et d'indice de réfraction, une onde de sonde émergente notée EPB(Ω ) comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de la première onde électromagnétique.
On comprend, en particulier, qu'en raison de la variation modulée d'indice de réfraction du milieu réfringent l'onde de sonde PB est soumise à un phénomène de diffusion ou de dispersion. Le procédé objet de l'invention consiste ensuite en une étape C, à détecter sur l'onde de sonde émergante EPB(Ω ) la composante d'intensité modulée en amplitude par battement.
• On comprend ainsi que la détection précitée permet de mettre en évidence et de représenter le nano-objet n_Oj dans le milieu réfringent selon une image In-Oj par la variation d'intensité lumineuse de l'onde de sonde émergente
EPB(Ω ), laquelle présente un maximum au voisinage du nano-objet considéré dans la zone de voisinage de ce dernier.
La combinaison des processus physiques mis en jeu par le procédé objet de la présente invention est expliquée ci-après. Un nano-objet considéré introduit dans un milieu réfringent homogène, lorsque ce dernier est illuminé par la première onde électromagnétique cohérente modulée en amplitude, se comporte comme une source ponctuelle de chaleur avec une puissance thermique de la forme : Phβat . [1 + cos(Ωt)] (1 )
Dans cette relation Ω est la pulsation de modulation de la première onde électromagnétique cohérente et Pheat la puissance moyenne de l'onde électromagnétique cohérente absorbée.
La source thermique ponctuelle précitée engendre une modulation temporelle de l'indice de réfraction au voisinage du nano-objet considéré selon un profil spatio-temporel donné par la relation :
Dans la relation précitée : r désigne la distance au centre du nano-objet n_θj ; n désigne l'indice de réfraction du milieu réfringent ;
^- désigne la dérivée partielle de l'indice de réfraction en fonction de la température, de l'ordre de 10'4/K ;
Rth - J2κ/^n 'a longueur ou rayon caractéristique de diffusion thermique, K désignant la conductivité thermique du milieu réfringent et C sa chaleur massique volumique. Dans ces conditions, le faisceau de sonde se propageant dans la zone au voisinage de la particule illuminée, et, bien entendu dans le milieu réfringent correspondant d'indice de réfraction modulé, selon le profil d'indice de réfraction correspondant, engendre une onde électromagnétique de sonde diffusée comportant des bandes latérales décalées en fréquence de la valeur de fréquence de modulation d'amplitude, de la première onde électromagnétique cohérente.
Le milieu réfringent d'indice de réfraction variable dans la zone au voisinage du nano-obj'et considéré provoque, par un phénomène d'hétérodynage entre le faisceau de sonde incident PB réfléchi ou transmis et l'onde électromagnétique cohérente de sonde diffusée, une fréquence de battement à la pulsation de modulation Ω , laquelle peut être détectée par une technique de détection classique.
En conséquence, la détection de la composante d'intensité modulée en amplitude par battement peut être effectuée sur l'onde de sonde émergente réfléchie par le milieu réfringent ou sur l'onde de sonde émergente transmise par le milieu réfringent.
Les techniques de détection de type classique précitées peuvent comporter avantageusement une détection synchrone, ce processus de détection permettant de réduire le niveau de bruit, et, en conséquence, d'optimiser le rapport signal à bruit du signal obtenu, suite à la détection de la composante d'intensité modulée en amplitude par battement.
D'une manière générale, on indique que le procédé objet de la présente invention s'applique à la détection optique de nano-objets, que ces nano-objets soient absorbants ou métalliques, tels que des agrégats d'atomes d'or, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.
Lorsque les nano-objets sont métalliques, ainsi que, par exemple, lorsque des particules métalliques de diamètre de quelques nanomètres sont utilisées pour assurer le marquage de cellules dans un milieu intra-cellulaire, la longueur d'onde de la première onde électromagnétique cohérente est choisie à une valeur voisine de la longueur d'onde de la résonance plasmon du nano-objet considéré.
Dans tous les cas, quel que soit le type de nano-objet soumis à détection, conformément au procédé objet de la présente invention, la deuxième onde électromagnétique constituant un faisceau de sonde est focalisée dans la zone au voisinage du nano-objet de manière semblable à la focalisation de la première onde électromagnétique.
Des essais ont été effectués dans les conditions ci-après. Des nano-sphères métalliques, nanosphères d'or, ont été diluées en solution aqueuse de PVOH (2% en masse) et déposées sur une lamelle porte- objet de microscope par la technique dite de « Spincoating ». La densité surfacique obtenue, inférieure à 1 μm"2, était suffisamment faible pour que l'on dispose en moyenne de moins d'une particule par tâche d'Airy au point de focalisation des ondes électromagnétiques cohérentes.
La première onde électromagnétique cohérente à 532 nm était modulée en amplitude à une fréquence de l'ordre 1 Mhz. La longueur d'onde précitée, 532 nm, est située au voisinage de la résonance plasmon des nanosphères d'or. Ces dernières dans ces conditions absorbent fortement l'énergie électromagnétique de chauffage et se comportent en conséquence comme un point source à l'origine d'une variation locale de température modulée à la fréquence Ω/2τr .
En outre, afin de disposer d'un milieu réfringent modélisable du point de vue de ses propriétés physiques, une couche d'huile de silicone (30 000 mPa.s) d'indice de réfraction n = 1 ,4 était déposée sur l'échantillon.
Dans ces conditions, le profil de température dans la zone au voisinage de chaque nano-objet est à symétrie sphérique et est caractérisé par la longueur Rth précitée, précédemment mentionnée. La superposition à l'onde électromagnétique de chauffage de l'onde électromagnétique cohérente de sonde à 633 nm et leur focalisation au voisinage d'une nanosphère d'or, c'est-à- dire typiquement à une distance inférieure à la longueur ou rayon de diffusion thermique Rth, permet d'introduire une perturbation sur la propagation du faisceau de sonde par l'intermédiaire des fluctuations modulées à la pulsation Ω de l'indice de réfraction du milieu, induites par le chauffage produit par le nano-objet. Ainsi, l'onde de sonde émergente est constituée de l'interaction d'une composante continue avec une composante de très faible intensité modulée à la pulsation Ω issue de la diffusion du faisceau de sonde EPB par le profil de température au voisinage du nano-objet. Les essais précités ont permis de cartographier des échantillons comportant des nano-objets de taille 1 nm et de caractériser ainsi la dépendance du signal détecté vis-à-vis des différents paramètres d'essais, tels que puissance de chauffage, fréquence de modulation, taille de chaque nano-objet, par exemple.
Une description plus détaillée d'un dispositif de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée avec la figure 2a.
Ainsi que représenté sur la figure précitée, le dispositif de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, objet de la présente invention, comporte au moins des ressources 1 d'illumination d'au moins l'un des nano- objets n_θj et du milieu réfringent par l'intermédiaire d'une première onde électromagnétique cohérente HB modulée périodiquement en amplitude à la pulsation Ω . Ceci permet de provoquer une absorption d'énergie électromagnétique et d'induire une variation modulée d'indice de réfraction du milieu réfringent par élévation de température, selon un profil déterminé de température et d'indice de réfraction dans une zone au voisinage du nano-objet considéré, ainsi que mentionné précédemment dans la description.
Le dispositif objet de l'invention comporte en outre des ressources 2 d'illumination conjointe du nano-objet n_θj considéré au moyen d'une deuxième onde électromagnétique cohérente PB, constituant une onde de sonde, pour engendrer dans la zone au voisinage du nano-objet n_θj par diffusion de cette onde dans cette zone, par le profil de température et d'indice de réfraction précité, une onde de sonde émergente EPB(Ω ) comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de la première onde électromagnétique.
Enfin, le dispositif objet de l'invention comporte au moins des ressources 3 de détection sur l'onde émergente EPB(Ω ) de la composante d'intensité modulée en amplitude par battement. Ce mode opératoire permet de mettre en évidence et de représenter le nano-objet dans le milieu réfringent selon une image du milieu réfringent considéré.
Ainsi que représenté sur la figure 2a précitée, la ressource 1 d'illumination au moyen de la première onde électromagnétique cohérente comprend au moins un générateur 1o d'un premier faisceau laser constituant la première onde électromagnétique cohérente pour constituer une onde de chauffage. Le générateur laser 10 peut consister avantageusement en un générateur laser Nd:Yag doublé à 532 nm. La ressource 1 d'illumination comporte en outre un dispositif de focalisation, noté I2, du premier faisceau laser constituant la première onde électromagnétique sur les nano-objets dans le milieu réfringent.
La modulation du premier faisceau laser de chauffage à la pulsation Ω est réalisée par l'intermédiaire d'un modulateur acousto-optique 103, lequel est commandé par un générateur de commande, portant la référence 3o sur la figure 2a. Ce générateur délivre des signaux de commande de modulateur acousto- optique à la pulsation Ω . Le modulateur acousto-optique est un modulateur de type classique et, pour cette raison, ne sera pas décrit en détail.
Ainsi que représenté en outre en figure 2a, la ressource 2 d'illumination conjointe du nano-objet considéré par l'intermédiaire d'une deuxième onde électromagnétique PB constituant l'onde de sonde comporte au moins un générateur 2o d'un deuxième faisceau laser constitué par exemple par un laser
HeNe pour former l'onde de sonde.
Le deuxième faisceau laser engendré par le générateur laser 20 est alors focalisé sur le nano-objet considéré dans le milieu réfringent dans les conditions ci-après, représentées à la figure 2a.
L'onde de chauffage modulée HB(Ω ) et l'onde de sonde PB sont superposées par l'intermédiaire d'un miroir dichroïque 1 i sur un chemin optique commun formé entre le miroir dichroïque précité et un objectif commun unique, c'est-à-dire par l'objectif 12 précédemment mentionné dans la description constituant le dispositif de focalisation.
Enfin, le premier faisceau laser HB est polarisé rectilignement du fait de l'émission de ce dernier dans une direction P perpendiculaire à la feuille de la figure 2a par exemple. Le deuxième faisceau laser constituant l'onde de sonde est polarisé rectilignement à l'émission par la source laser 20 dans une deuxième direction P' contenue par exemple dans le plan de la feuille de la figure 2a.
La direction de polarisation de l'onde de sonde émise par la source laser 20 est ensuite transformée en une polarisation circulaire PC dans un plan orthogonal à la feuille de la figure 2a, par l'intermédiaire d'une lame λ/4 désignée 202 sur la figure précitée. La polarisation circulaire précitée est transmise par le miroir dichroïque. Après focalisation sur l'échantillon SA représenté à Ia figure 2a, transmission de l'onde de sonde émergente EPB(Ω ), la polarisation circulaire est sensiblement conservée et la transmission par la lame λ IA, référencée 2o2, de l'onde de sonde émergente EPB(Ω ) permet de restituer une polarisation rectiligne de cette dernière dans une troisième direction P" orthogonale à la deuxième direction P' de polarisation de l'onde de sonde PB initiale. La deuxième et la troisième directions sont ainsi contenues dans un plan orthogonal à la feuille de la figure 2a, ainsi que représenté sur la figure précitée.
Un dispositif séparateur de polarisation 2oi formé par un cube séparateur de polarisation permet alors de restituer la seule onde de sonde émergente EPB(Ω ) polarisée dans une direction P" orthogonale au plan de Ia feuille de la figure 2a constituant la troisième direction précitée. Le dispositif séparateur de polarisation 20i est placé sur le chemin optique commun à l'onde de sonde émergente polarisée rectilignement dans la troisième direction P" et à l'onde de sonde polarisée dans la deuxième direction P1.
Le dispositif objet de l'invention tel que représenté en figure 2a comporte enfin des ressources de détection 3, lesquelles comprennent au moins une photodiode 3i recevant l'onde de sonde émergente EPB(Ω ). La photodiode précitée- est avantageusement constituée par une photodiode à bas bruit, la réception de l'onde de sonde émergente EPB(Ω ) étant en outre effectuée par l'intermédiaire d'un filtre de type passe haut 3-ιo. La ressource de détection comporte en outre, ainsi que représenté sur la figure précitée, un module de synchronisation de détection recevant un signal de détection délivré par la photodiode 3i et un signal de commande de détection synchrone de la modulation périodique d'amplitude du premier faisceau laser.
Dans ce but, le générateur de signaux de modulation 3o délivre un signal représentatif de la modulation périodique Ω à un dispositif de synchronisation de la détection 32, lequel permet d'assurer la détection synchrone des signaux délivrés par la photodiode 3i pour visualisation par un système d'imagerie 33. Le dispositif de synchronisation 32 peut être constitué par un amplificateur synchronisé par exemple. Enfin, on indique que l'ensemble constitué par le dispositif de focalisation 12 et bien entendu, le miroir dichroïque 1 i, les générateurs laser 10 et 2o et les composants optiques modulateurs acousto-optiques I03, miroir dichroïque I1, lame 4/ 202 cube séparateur de polarisation 20i, filtre passe-haut 3io et photodiode 3-i sont fixes.
Pour obtenir une image bidimensionnelle ou le cas échéant, une pluralité d'images bidimensionnelle constituant des coupes d'un objet tridimensionnel, l'échantillon SA, constitué par la préparation précédemment décrite, est avantageusement placé sur une table piézoélectrique tridimensionnelle, par exemple, symbolisée par le trièdre OXYZ.
Un justificatif du mode opératoire du dispositif objet de la présente invention, conformément au procédé précédemment décrit dans la description, sera maintenant donné ci-après.
Une estimation du signal détecté mesuré par détection synchrone a été obtenue en faisant appel à la théorie de la diffusion dans un milieu diélectrique variable, pour calculer le champ électromagnétique diffusé par le profil d'indice de réfraction obtenu au voisinage de chaque nano-objet et défini par la relation 2 précédemment mentionnée.
Le battement à la pulsation Ω entre l'onde de sonde de référence PB et l'onde de sonde diffusée conduit à une énergie de battement S au niveau du détecteur synchrone vérifiant la relation ci-après et comportant deux termes en quadrature :
s = « fc L(ΩMfit)+gk (ΩWQ)] 0)
Cλ
Dans la relation précédente a désigne un facteur de forme voisin de l'unité ; linc désigne l'intensité de la deuxième onde électromagnétique cohérente incidente, c'est-à-dire du faisceau laser constituant l'onde de sonde ;
Prβf désigne la puissance de la deuxième onde électromagnétique constituant l'onde de sonde émergente, réfléchie dans les conditions d'expérimentation ; fk(Ω ) et gι<(Ω ) sont deux fonctions sans dimension qui dépendent de la pulsation de modulation et de la diffusivité thermique du milieu réfringent. Pour des pulsations de modulation basses, la longueur ou rayon caractéristique de diffusion de la chaleur Rth est plus grande que Ie diamètre de focalisation du faisceau ou onde de sonde et Ia composante fk(Ω )/Ω en phase avec Ia modulation appliquée au faisceau de chauffage est prépondérante. Toutefois, pour une fréquence de modulation suffisamment élevée, telle que Rth « Φ où Φ désigne Ie diamètre du spot de focalisation de l'onde de sonde, la composante en quadrature gι<(Ω )/Ω devient prépondérante et décroît comme 1/Ω .
L'amplitude du signal démodulé délivré par le dispositif de détection synchrone 32 de la figure 2a, vérifie la relation :
Dans la relation précédente, le signe ≈ désigne la proportionnalité du signal démodulé Sdem et ls(ïf) désigne le carré de l'amplitude du signal de
battement donnée par la relation 3 précédente. Les variations de fk(Ω)/Ω et gk(Ω)/Ω sont représentées en figure 3a pour K/C=2 1CT8 m2/s.
La relation 4 précédente précitée a permis d'évaluer l'énergie de la composante de battement au niveau du détecteur.
Un nano-objet constitué par une particule d'or de 1 ,4 nm de diamètre présente une section d'absorption de 5 x 10"15 cm2 à 532 nm et absorbe une puissance thermique Pheat = 10 mW, lorsque celle-ci est illuminée par un faisceau laser d'intensité 2 MW/cm2.
Pour un faisceau de sonde incident d'une puissance Pjnc = 70 mW, pour une fréquence de modulation Ω/2π = 800 kHz et pour une puissance de référence Pref = 100 μW, la relation (4) précédente indique une puissance de battement Sdem équivalant à 5 mW. Après calibration de la chaîne de détection, la valeur effective mesurée a été sensiblement égale à 2 mW, soit en accord avec la valeur théorique prédite.
La figure 4a représente l'évolution du signal détecté en fonction de la fréquence Ω/2π de la modulation de l'onde de chauffage. La courbe en trait pointillé représente l'évolution de la composante du signal détecté en phase avec la modulation de l'onde de chauffage. La courbe en trait mixte représente l'évolution de la composante du signal détecté en quadrature de phase avec la modulation de l'onde de chauffage. La courbe en trait continu représente l'amplitude totale du signal détecté.
La figure 4b représente la dépendance linéaire du signal en fonction de la puissance thermique Pheat exprimée en milliwatts. L'amplitude du signal est donnée en amplitude relative a.u. pour « absolute unit ». Une augmentation supplémentaire de la puissance thermique n'est pas suivie d'une saturation mais conduit à des fluctuations de l'amplitude du signal détecté, et, le cas échéant, à des dommages irréversibles sur la particule. En référence à la figure 2b, on indique que le procédé et le dispositif objets de la présente invention permettent de détecter des nano-objets formés par des particules métalliques de dimension aussi petites que 1 ,4 nm en diamètre avec un rapport signal à bruit SNR > 10.
En pratique, une onde de sonde à 720 nm laser Ti :Sa et un faisceau de chauffage à 532 nm laser Nd :Yag doublé, dont l'intensité était modulée à une pulsation correspondant à une fréquence comprise entre 100 kHz et 15 MHz par le modulateur acousto-optique, ont été mis en œuvre.
L'objectif utilisé était un objectif 100 x, Zeiss, nA = 1.4. La puissance du faisceau de chauffage était comprise dans une plage de 1 mW à 3,5 mW fonction de la taille du nano-objet à détecter.
Une image de l'échantillon SA a été formée en déplaçant l'échantillon précité par rapport au premier et au deuxième faisceaux focalisés maintenus fixes, par l'intermédiaire de la table 2D.
Les échantillons SA étaient préparés, ainsi que mentionné précédemment, à partir d'une solution de particules d'or de diamètre 1 ,4 nm, 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 33 nm, 20 nm, 33 nm ou 75 nm.
La figure 2b donne une représentation tridimensionnelle d'une image photothermique hétérodynée, obtenue conformément à la mise en œuvre du procédé et du dispositif objets de l'invention, pour des agrégats d'atomes d'or de 1 ,4 nm.
L'image a révélé l'absence de bruit de fond introduit par le substrat, ce qui indique que le signal détecté provient uniquement des objets absorbants dans l'échantillon, c'est-à-dire des agrégats de particules d'or. Ces derniers ont été détectés avec une puissance thermique relativement faible, de l'ordre de 3,5 nW, et un rapport signal à bruit remarquable, supérieur à 10.
L'histogramme de l'amplitude du signal pour 272 pics d'intensité de l'image de la figure 2b et représenté en figure 2c montre que les pics d'amplitude d'intensité lumineuse émanent des nano-objets eux-mêmes.
La section de capture des agrégats précités est au plus de l'ordre de 10'15 cm2 section comparable à celle de bons fluorophores ou de nano-cristaux CbSe/ZnS. Leur temps de relaxation est très court.
Au contraire, des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents ou des molécules fluorescentes ont des temps de relaxation d'émission de l'ordre de la nanoseconde, ce qui rend ces derniers difficiles à détecter par absorption.
Toutefois, pour des intensités d'excitation relativement élevées, les nano-cristaux semi-conducteurs ne présentent plus de phénomène de luminescence. Le procédé et le dispositif, objets de la présente invention, permettent la détection de nano-objets dont le temps de relaxation d'émission est court.
La figure 5a représente l'image fluorescente de boîtes quantiques de
CdSe/Zns colloïdales luminescentes, dont le pic d'émission est à 640 nm, excitées par le faisceau de chauffage à une intensité très faible de l'ordre de 0,1 kW/cm2. Le comportement de clignotement caractéristique de l'émission par boîte quantique unique est visible sur l'image précitée.
Au contraire, sur la figure 5b, on a représenté une image de la même région obtenue grâce à la mise en œuvre du procédé et du dispositif objet de la présente invention, à une intensité d'excitation de 5 MW/cm2, pour laquelle les boîtes quantiques ne sont plus luminescentes.
Les deux images sont correctement corrélées, ce qui garantit que les amplitudes d'intensité dans l'image de la figure 5b, obtenues grâce à la mise en œuvre du procédé objet de la présente invention, sont dues réellement à des boîtes quantiques individuelles. Ces dernières ne présentent plus de phénomène de clignotement. De manière particulièrement remarquable, des boîtes quantiques initialement non fluorescentes, c'est-à-dire absentes de la figure 5a, sont maintenant détectées et représentées sur la figure 5b.
Enfin, on indique que pour la mise en œuvre du procédé et du dispositif objets de la présente invention à des applications en matière de biologie ou de sciences de la vie, l'augmentation de la température à la surface des nano-objets est un paramètre important.
Dans une configuration courante, un nano-objet formé par une particule d'or de 5 nm de diamètre peut être détecté avec un rapport signal à bruit > 100, pour une puissance de chauffage de 1 mW.
Dans ces conditions, l'augmentation locale de température peut être estimée à 4 K dans une solution aqueuse.
En raison du fait que la température décroît comme l'inverse de la distance et que la plupart des applications de détection d'éléments ou organelles en science de la vie ne nécessitent aucunement un rapport signal à bruit aussi élevé, il est ici indiqué que le procédé et le dispositif objets de la présente invention permettent de détecter et de représenter par image électronique de très petites particules d'or ou nano-objets, alors que réchauffement local induit peut être rendu sensiblement inférieur à 1 K, au-dessus de la température moyenne de l'échantillon.
Enfin, en ce qui concerne la simplification du dispositif objet de l'invention tel que représenté en figure 2a, vis-à-vis du dispositif représenté dans l'article mentionné dans la description, on peut observer que Ie dispositif télécentrique non nécessaire est supprimé. Ceci est dû au fait que dans le procédé et le dispositif objets de la présente invention, l'interaction entre l'onde de sonde diffusée de référence et l'onde sonde diffusée modulée engendrant la composant d'amplitude modulée par battement à la pulsation Ω se produit dans la zone au voisinage du nano-objet considéré.
Au contraire dans le dispositif décrit dans cet article, l'interaction par interférence, et non par battement, se produit dans le prisme de Wollaston et le détecteur, ce qui implique le maintien impératif des relations de phase entre faisceaux divisés et donc l'utilisation du système télécentrique, contrairement au procédé et au dispositif objets de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, caractérisé en ce qu'il consiste au moins à :
- illuminer au moins un desdits nano-objets et ledit milieu réfringent au moyen d'une première onde électromagnétique cohérente modulée périodiquement en amplitude, de façon à provoquer une absorption d'énergie électromagnétique et à induire une variation modulée d'indice de réfraction dudit milieu réfringent par élévation de température, selon un profil déterminé de température et d'indice de réfraction, dans une zone au voisinage dudit nano- objet ;
- illuminer conjointement ledit nano-objet au moyen d'une deuxième onde électromagnétique cohérente, constituant une onde de sonde, pour engendrer, par diffusion de cette onde de sonde dans ladite zone par ledit profil de température et d'indice de réfraction, une onde de sonde émergeante comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de ladite première onde électromagnétique ;
- détecter sur ladite onde de sonde émergeante ladite composante d'intensité modulée en amplitude par battement, ce qui permet de mettre en évidence et de représenter ledit nano-objet dans ledit milieu réfringent.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'opération consistant à détecter ladite composante d'intensité modulée en amplitude par battement est effectuée sur l'onde de sonde émergeante réfléchie par ledit nano- objet et ledit milieu réfringent.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'opération consistant à détecter ladite composante d'intensité modulée en amplitude par battement est effectuée sur l'onde de sonde émergeante transmise par ledit milieu réfringent.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'opération consistant à détecter ladite composante d'intensité modulée en amplitude par battement est effectuée par détection synchrone.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour un nano-objet métallique, la longueur d'onde de la première onde électromagnétique cohérente est voisine de la longueur d'onde de résonance plasmon de ce nano-objet.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite deuxième onde électromagnétique est focalisée dans ladite zone au voisinage dudit nano-objet.
7. Dispositif de détection optique de nano-objets dans un milieu réfringent, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
- des moyens d'illumination d'au moins un desdits nano-objets et du milieu réfringent au moyen d'une première onde électromagnétique cohérente modulée périodiquement en amplitude, de façon à provoquer une absorption d'énergie électromagnétique et à induire une variation modulée d'indice de réfraction dudit milieu réfringent par élévation de température, selon un profil déterminé de température et d'indice de réfraction, dans une zone au voisinage dudit nano-objet ; - des moyens d'illumination conjointe dudit nano-objet au moyen d'une deuxième onde électromagnétique cohérente, constituant une onde de sonde, pour engendrer, par diffusion de cette onde de sonde dans ladite zone par ledit profil de température et d'indice de réfraction, une onde de sonde émergeante comportant au moins une composante d'intensité modulée en amplitude par battement à la fréquence de modulation de ladite première onde électromagnétique ;
- des moyens de détection, sur ladite onde émergeante, de ladite composante d'intensité modulée en amplitude par battement, ce qui permet de mettre en évidence et de représenter ledit nano-objet dans ledit milieu réfringent.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'illumination au moyen d'une première onde électromagnétique cohérente comprennent au moins :
- des moyens générateurs d'un premier faisceau laser constituant ladite première onde électromagnétique cohérente constituant une onde de chauffage ;
- des moyens de focalisation dudit premier faisceau laser modulé sur lesdits nano-objets dans le milieu réfringent.
9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'illumination conjointe dudit nano-objet au moyen d'une deuxième onde électromagnétique comportent au moins :
- des moyens générateurs d'un deuxième faisceau laser, constituant ladite onde de sonde ;
- des moyens de focalisation dudit deuxième faisceau laser sur l'un au moins desdits nano-objets dans le milieu réfringent.
10. Dispositif selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite onde de chauffage et ladite onde de sonde sont superposées par l'intermédiaire d'un miroir dichroïque, sur un chemin optique commun formé entre ce miroir dichroïque et un objectif commun unique constituant lesdits moyens de focalisation.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que pour une détection sur l'onde de sonde émergeante de la composante d'intensité modulée en amplitude par battement, par réflexion, celui-ci comprend en outre :
- des moyens polariseurs rectiligne du premier faisceau laser dans une première direction ;
- des moyens polariseurs rectilignes du deuxième faisceau laser dans une deuxième direction, ladite onde de sonde étant polarisée rectilignement dans ladite deuxième direction ;
- des moyens polariseurs rectilignes de l'onde de sonde émergeante dans une troisième direction orthogonale à ladite deuxième direction ;
- des moyens séparateurs de polarisation placés sur le chemin optique commun à ladite onde de sonde émergeante polarisée rectilignement dans ladite troisième direction et à ladite onde de sonde polarisée dans ladite deuxième direction, lesdits moyens séparateurs permettant de délivrer la seule onde de sonde émergeante polarisée rectilignement dans ladite troisième direction.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comportent au moins une photodiode recevant ladite onde de sonde émergeante.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comportent en outre un module de synchronisation de détection recevant, d'une part, un signal de détection délivré par ladite photodiode, et, d'autre part, un signal de commande de détection synchrone de la modulation périodique d'amplitude du premier faisceau laser.
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