FR2929708A1 - Procede de determination de la configuration spatiale de molecules dans des particules ou macromolecules, notamment de la forme de particules metalliques nanometriques et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de la configuration spatiale de molécules dans des particules ou macromolécules ou de la forme de particules métalliques nanométriques. Ce procédé prévoit l'excitation de dites particules ou macromolécules placées en solution par l'intermédiaire de deux faisceaux lasers (E1, E2) pulsés identiques mais d'incidence I1, I2 différente par rapport aux particules testés puis la détection des photons de lumière de seconde harmonique (SHG) et l'établissement de diagrammes d'intensité de diffusion Hyper-Rayleigh (HRS) résolu en polarisation pour chacun des faisceaux d'excitation. A partir de chaque diagramme HRS ainsi déterminé on calcul pour chaque faisceau un paramètre etaE1, etaE2 caractéristique de la configuration spatiale des molécules au sein des particules testé, que l'on détermine par report des paramètres calculés dans un diagramme etaE2=f(etaE1) préalablement construit.

Description

2929708 La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de la configuration spatiale de molécules dans des particules ou macromolécules. Ce procédé et ce dispositif sont notamment adaptés à la détermination de la forme de particules métalliques nanométriques.

Plus particulièrement, la présente invention propose un procédé et un dispositif permettant la caractérisation de la configuration spatiale de molécules ou macromolécules et notamment de la forme de particules métalliques nanométriques à partir de leur réponse optique non-linéaire à une excitation lumineuse de forte puissance crête établie par un laser par exemple.

Le procédé de l'invention est notamment basé sur l'exploitation de mesures de l'intensité de diffusion Hyper-Rayleigh, ou intensité HRS (pour Hyper-Rayleigh Scattering en anglais) afin d'extraire de ces intensités des informations sur la configuration spatiale de différents assemblages de molécules et en particulier de la forme de particules métalliques nanométriques.

On connaît depuis quelques années déjà différentes méthodes de caractérisation des particules, dont les principales sont : - la granulométrie, peu coûteuse mais qui ne donne que des indications rudimentaires sur la taille des particules ; - la spectrométrie d'absorption, mais qui ne donne que des informations sur la composition des particules en l'absence de calibration et de contraintes strictes; - la microscopie électronique, qui reste un examen long et coûteux et pose un gros problème de représentativité de l'échantillon en terme statistique. Ces méthodes ne permettent pas de caractériser simplement l'organisation d'arrangements moléculaires ou de macromolécules à l'échelle micrométrique ou nanométrique ou la forme de particules métalliques nanométriques, à l'exception peut-être de la microscopie électronique. Depuis quelques années, un certain nombre de scientifiques et d'industriels ont commencé à explorer la voie des phénomènes optiques non-linéaires comme un moyen de caractérisation de la forme de particules et macromolécules, ainsi que de leurs changements. Plus particulièrement, la demande de brevet européen EP 1576394 A2 décrit une méthode de détection de changements conformationnels au sein de molécules 2 2929708 en temps réel qui est basée sur la génération et la mesure d'intensité de faisceaux lumineux de seconde ou de tierce harmonique (SHG ou THG pour Second Harmonic Generation ou Third Harmonic Generation en anglais). Toutefois, cette methode ne permet pas de renseigner sur l'organisation 5 moléculaire exacte, à un instant donné t, d'un arrangement de molécules ou la forme d'une particule métallique nanométrique. Le but de la présente invention est de procurer un procédé qui permette de déterminer et de caractériser à un instant donné la géométrie et la conformation spatiale des molécules au sein d'un arrangement de molécules, en particulier pour 10 caractériser la forme d'une particule métallique nanométrique. Un autre but de l'invention est de procurer un procédé tel que visé ci-dessus qui soit simple à mettre en oeuvre et à exploiter et qui donnent des résultats fidèles et reproductibles. Un autre but de l'invention est de procurer un dispositif pour la mise en 15 oeuvre du procédé susvisé et dont la réalisation et le coût d'exploitation soient viables sur le plan industriel. Ces différents buts sont atteints selon un premier objet de l'invention grâce à un procédé de détermination de la configuration spatiale de molécules dans des particules ou macro-molécules ou de la forme d'une particule métallique 20 nanométrique, selon lequel : - on met en solution au moins une particule ou macro-molécule dont on veut connaître la forme ou l'organisation moléculaire, - on excite la ou les particules ou macro-molécules placées en solution par l'intermédiaire d'au moins deux faisceaux lumineux d'excitation polarisés se 25 propageant et pénétrant la solution selon deux directions d'incidences distinctes, - on détecte en optique non linéaire les photons de lumière diffusée par au moins une particule ou macro-molécule excitée présente dans la solution ; - on détermine l'intensité de diffusion Hyper Rayleigh (HRS) résolue en polarisation des photons de lumière diffusée détectés pour chaque faisceau 30 d'excitation, - on établit un diagramme 11E1=f(11E2) OÙ 11E1 et 11E2 sont respectivement deux paramètres caractéristiques de l'organisation moléculaire au sein d'un assemblage 3 2929708 de molécules ou de la forme d'une particule métallique nanométrique ayant une réponse non linéaire définis respectivement par les relations suivantes :

aEl+CE1 ÏIE1 = bEl (aEL ù aE2) + (CE1 ù CE2) (bEl ù bE2) où a, b, c sont les valeurs absolues de l'intensité de diffusion HRS selon trois angles distincts de polarisation de chaque faisceau d'excitation et avec : aEl=ad+aq et aE2=ad ; 10 bEl=bd+bq et bE2=bd ; cEl=cd+cq et cE2=cd ; les indices d et q indiquant respectivement une composante dipolaire et quadripolaire des valeur d'intensité HRS a, b , c pour chaque faisceau d'excitation, ces différentes composantes étant définies par les relations mathématiques 15 suivantes : • ad= G(13 3 * • bd=G(413xv43 *xxy+23 3 *xYY) • cd = G(R R * xyy) • aq=G(Ak)2a2([FL,z +FL,Yxxx][F*L,zxxx+F*L, [T L , zxxx + FL, Yx Y IF * L , zxxx + F * L, Y YY 20 • bq=G(Ak)2a2 +[FL,zxYY +FL,YxYYJ[I'*L,zxxx +F*L,Y 1 + [FL,zxxY + FL,YxY ][I * L, m'y + F * L,YxTY • cq=G(Ak)2a2([FL,zxYY+FL,YxYY][h*L,zxYY+F*L,YxYY] ; avec : • G qui est une constante, • 13 , F deux tenseurs et I3 *, F * leurs tenseurs complexes conjugués, 25 • (ok)) le différentiel carré des vecteurs d'ondes 2k du vecteur d'onde 2k du fondamental et de K le vecteur d'onde de l'harmonique, et • a la taille de la particule ou macroparticule ; 5 et 4 2929708 - on calcule pour chaque intensité de diffusion HRS préalablement déterminée les deux paramètres 11E1 et 11E2 pour la particule ou macro-molécule étudiée et - on en déduit la configuration géométrique des molécules dans la particule 5 ou macro-molécule en reportant ces deux paramètres sur le graphique préalablement établi 11E2=f(11E1). Le procédé de la présente invention présente l'avantage de permettre la détermination directe de la forme des particules et de la configuration spatiale de molécules au sein d'agrégats ou de macromolécules à partir de la mesure de 10 l'intensité HRS transmise par ces particules ou macromolécules placées en solution, sans autre traitement ou transformation des échantillons testés. Le procédé fonctionne quelque soit la nature de la solution dans laquelle sont placés les échantillons, pour autant qu'elle soit transparente aux longueurs d'ondes des faisceaux lumineux utilisés.

15 Par ailleurs, le procédé de la présente invention procure une bonne représentativité statistique, ainsi qu'une très grande sensibilité aux défauts (étant considérés comme défauts les écarts aux organisations ou formes présentant un centre d'inversion) des échantillons testés, notamment en comparaison d'une lecture par microscopie électronique en particulier.

20 La mise en oeuvre du procédé de l'invention est enfin très simple, et elle peut être facilement automatisée et rendue compacte afin de le rendre exploitable sur un plan industriel. Conformément à une première caractéristique préférée du procédé de l'invention, la détection des photons de lumière diffusée par au moins une 25 particule ou macro-molécule excitée en solution est réalisée selon une direction formant un angle a avec la direction d'incidence d'un premier faisceau lumineux d'excitation et formant un angle R avec la direction d'incidence du second faisceau lumineux d'excitation dans la solution contenant les particules ou macro-molécules étudiées, a étant différent de R et supérieur à zéro.

30 De préférence, l'excitation des particules ou macro-molécules en solution est réalisée par au moins deux faisceaux lumineux polarisés de lumière cohérente, comme par exemple deux faisceaux lasers polarisés, et de préférence encore deux 5 2929708 faisceaux d'excitation dont les directions d'incidences par rapport à la solution contenant les échantillons sont perpendiculaires l'une de l'autre. Conformément à une autre caractéristique préférée du procédé de l'invention, les deux faisceaux lumineux d'excitation sont émis par au moins une 5 source de lumière cohérente de type laser, notamment un laser de type nanoseconde ou femtoseconde. Par ailleurs, conformément à une autre caractéristique du procédé de l'invention, on fait tourner la polarisation de chaque faisceau lumineux d'excitation selon au moins trois angles de polarisation distincts pendant chaque phase 10 d'illumination et d'excitation des particules ou macro-molécules en solution. Enfin, toujours selon le procédé de l'invention, la direction de détection des photons de lumière diffusée par les particules ou macro-molécules étudiées est choisie confondue à la direction d'incidence d'au moins un des deux faisceaux lumineux d'excitation dans la solution contenant les particules ou macro- 15 molécules. Conformément à ce qui a été précédemment exposé, un autre objet de l'invention réside également dans la fourniture d'un dispositif particulier adapté pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce dispositif comporte : - des moyens de production d'au moins deux faisceaux de lumière cohérente, 20 - des moyens de polarisation d'au moins deux faisceaux de lumière cohérente, - au moins une cuve ou cellule apte à contenir au moins une particule ou macro-molécule placée en solution, la cuve ou cellule étant constituée d'une matière transparente aux deux faisceaux de lumière cohérente pour permettre 25 l'excitation, par ces deux faisceaux, d'au moins une particule ou macro-molécule en solution placée dans la cuve ou cellule, - des moyens d'orientation des deux faisceaux de lumière cohérente selon deux directions d'incidence distinctes par rapport à la cuve ou cellule, - des moyens de détection de photons de lumière diffusés par au moins une 30 particule ou macro-molécule en solution présente dans la cuve ou cellule et excités par les deux faisceaux de lumière cohérente polarisés par les moyens de polarisation, 6 2929708 - des moyens de calcul de l'intensité de diffusion Hyper-Rayleigh (intensité HRS) détectée par les moyens de détection et de calcul et d'établissement du diagramme 11E1=f(11E2) défini par le procédé de l'invention. Différentes caractéristiques préférées du dispositif de l'invention prévoient 5 également que : - les moyens de production des deux faisceaux de lumière cohérente comportent au moins une source de lumière cohérente et des moyens de division d'un faisceau unique émis par cette source en deux faisceaux lumineux distincts ; - les moyens d'orientation des faisceaux lumineux selon deux directions 10 d'incidences distinctes par rapport à la cuve ou cellule comportent des miroirs réfléchissants et/ou semi-réflechissants ; - la cuve ou cellule est constituée d'un matériau transparent aux longueurs d'onde À et À/2 des au moins deux faisceaux d'excitation ; - la source de lumière cohérente est une source de type laser nanoseconde 15 ou femtoseconde. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, effectuée en référence aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente un diagramme d'intensité de diffusion Hyper- 20 Rayleigh (HRS) en coordonnées polaires sur lequel on a représenté schématiquement la décomposition en coordonnées cartésiennes des valeurs d'intensités HRS selon 3 angles de polarisation distincts pour obtenir les valeurs de paramètres a, b, c utiles au calcul des paramètres ni et T12 selon le procédé de l'invention ; 25 - la figure 2 représente un exemple de diagramme riz=f(ri1) calculé théoriquement et utilisé pour déterminer la configuration spatiale d'un arrangement de molécules non-centrosymétrique ou la forme de particules nanométriques selon le procédé de l'invention ; - la figure 3 représente un exemple de dispositif pour la mise en oeuvre du 30 procédé de l'invention. La présente invention propose un procédé de détermination et de caractérisation de la configuration spatiale de molécules au sein d'un arrangement 7 2929708 moléculaire ou de la forme de particules métalliques nanométriques. Ce procédé est basé sur une méthode optique comprenant de façon simplifiée : - d'une part une excitation de particules ou macro-molécules que l'on 5 souhaite tester placées en solution à l'aide de deux faisceaux de lumière cohérente de très forte puissance et polarisée, et - d'autre part une détection de la réponse optique non-linéaire émises par les particules ou macro-molécules excitées et un traitement de cette réponse afin d'en extraire une information sur la conformation de l'arrangement moléculaire au sein 10 de ces macro-molécules ou sur la forme de particules métalliques nanométriques. Plus précisément, le procédé de l'invention consiste à exciter lesdites particules ou macro-molécules placées en solution à l'aide de deux faisceaux El, E2 lasers pulsés et polarisés d'incidence différente et à collecter et détecter les photons de lumière de seconde harmonique générés par l'interaction de chaque 15 faisceau d'excitation El, E2 avec les particules en solution. A partir de la détection de ces photons de lumière de seconde harmonique, le procédé de l'invention propose de tracer un diagramme d'intensité de diffusion Hyper Rayleigh (HRS) résolue en polarisation tel que représenté par exemple sur la figure 1 pour la réponse optique non-linéaire émise par des particules ou macro-molécules placées 20 en solution sous l'excitation de chaque faisceau El, E2. Ainsi, deux diagrammes d'intensité HRS résolue en polarisation sont tracés, un pour chaque faisceau d'excitation laser. Ensuite, à partir de chaque diagramme HRS, on calcule un paramètre 11 caractéristique de la configuration spatiale d'un arrangement moléculaire ou d'une forme de particule métallique que l'on place sur 25 un diagramme nE2=f(rIE1) tel que représenté à la figure 2, préalablement établi de manière théorique comme il sera exposé par la suite. Ce diagramme 11E2=f(11E1) établi un nuage de points qui chacun correspondent à un arrangement moléculaire ou une forme donnés tel que par exemple tétraèdre, antéprisme, cube etc... Les paramètres 11E1 et 1E2 correspondent 30 aux valeurs théoriques du paramètre 11 en fonction de : - l'incidence du faisceau d'excitation laser considéré par rapport à la solution contenant les particules testées, 8 2929708 - d'un arrangement moléculaire ou d'une forme donnés, - de la polarisation du faisceau d'excitation laser considéré. Ainsi, en reportant le paramètre i1 calculé à partir des diagrammes HRS tracés à partir des mesures effectuées sur les échantillons testés on peut 5 déterminer l'arrangement moléculaire ou la forme des particules testées. Le procédé de l'invention va par la suite être décrit en détail dans un exemple préféré de mise en oeuvre et à l'aide d'un dispositif spécialement conçu pour celle-ci tel que représenté à la figure 3. Le dispositif de l'invention comporte tout d'abord des moyens de production 10 d'au moins deux faisceaux de lumière cohérente El, E2 constitués dans l'exemple de réalisation présenté par une source laser 1 et une lame séparatrice 5. La source laser 1 est en particulier de préférence une source de type laser nanoseconde ou femtoseconde. Cette source 1 émet un faisceau laser 2 dont la longueur d'onde À est située dans le proche infra-rouge, et de préférence 15 comprise entre 800 et 1100 nm. Le faisceau laser 2 rencontre la lame séparatrice 5 placée sur l'axe optique d'émission de la source 1 de manière à diviser le faisceau laser 2 en deux faisceaux d'excitation identiques El et E2. Il est également possible de générer les deux faisceaux lasers d'excitation El, E2 à partir de deux sources lasers indépendantes ; cependant cette solution 20 présente l'inconvénient de son coût très important et d'un manque potentiel d'homogénéité et de cohérence entre les deux faisceaux ainsi générés. Entre la source 1 et la lame séparatrice 5 sont disposés un filtre 3 pour rendre parfaitement monochromatique les faisceaux incidents et des moyens de polarisation formés par exemple par une lame demi-onde 4. Ces moyens de 25 polarisation procurent une polarisation déterminée du faisceau laser 2 avant sa division au niveau de la lame séparatrice 5, cette polarisation pouvant être modifiée en continue afin de faire tourner selon au moins trois angles distincts la polarisation des faisceaux El et E2 pendant les phases d'illumination des échantillons testés dont on veut déterminer la configuration spatiale ou la forme 30 selon le procédé de l'invention. Au sortir de la lame séparatrice 5, les deux faisceaux d'excitation El, E2 sont respectivement guidés par des miroirs réfléchissants ou semi-réfléchissants 7 9 2929708 vers une cuve ou cellule 8 apte à contenir au moins une particule ou macromolécule placée en solution. Cette cuve ou cellule 8 est avantageusement constituée d'une matière transparente aux deux faisceaux laser d'excitation El, E2 à leur longueur d'onde À 5 ainsi qu'à leur demi-longueur d'onde À/2 pour permettre l'excitation, par ces deux faisceaux, d'au moins une particule ou macro-molécule en solution placée dans la cuve 8. Cette solution aqueuse ou organique ne doit pas influencer la réponse optique non-linéaire des particules ou macro-molécules placées dans celle-ci à l'excitation des faisceaux El, E2. Le cas échéant, sa contribution peut être 10 soustraite par une mesure réalisée en l'absence des particules ou macromolécules. Les miroirs 7 sont de préférence positionnés de façon adaptée pour orienter les deux faisceaux d'excitation El, E2 vers la cuve 8 selon deux directions d'incidence I1, I2 non colinéaires, et de préférence perpendiculaires l'une de 15 l'autre. Ainsi guidés, les deux faisceaux El, E2 pénètrent la cuve 8 et la solution contenue à l'intérieur et rencontre au moins une particule ou macro-molécule baignant dans ladite solution et dont on veut connaître la configuration géométrique. Cette particule ou macro-molécule est alors soumise à la très forte puissance 20 lumineuse des faisceaux El, E2 et émet alors des photons, ou en toute rigueur au moins un photon dit de génération de seconde harmonique, dont la longueur d'onde est égale à la moitié de la longueur d'onde fondamentale À des faisceaux El, E2. Ce ou ces photon(s) de génération de seconde harmonique renseigne(nt), 25 une fois détectés et leur réponse convenablement traitée en optique non-linéaire, sur l'écart de géométrie de la particule par rapport à une sphère parfaite comme cela a été décrit par exemple dans le document intitulé electric dipole origin of the second harmonic generation of small metallic particles , paru dans la revue Physical Review B 71, 165407 (2005), J. Nappa, G. Revillod, I. Russier-Antoine, E.

30 Benichou, C. Jonin, P.F. Brevet. Toutefois dans cet article, l'excitation des particules n'est réalisée que selon une direction d'incidence, avec un seul faisceau, ce qui ne permet pas de 10 2929708 caractériser exactement la forme exacte des particules ou la conformation spatiale de molécules au sein des macro-molécules. Le procédé de la présente invention propose lui de façon nouvelle et inventive de réaliser une excitation des particules testées selon deux directions 5 d'incidences I1, I2 de préférence mais non obligatoirement perpendiculaires, à l'aide de deux faisceaux lasers El, E2 d'excitation et polarisés de préférence linéairement et dont on fait en outre tourner la polarisation pendant chaque phase d'illumination et d'excitation des particules ou macro-molécules en solution. Cette illumination est réalisée de préférence selon seulement trois angles de polarisation 10 linéaire distincts. Il convient de noter ici toutefois qu'un nombre plus élevé d'angles de polarisation améliore les résultats. Cette série de mesures de l'intensité en fonction de l'angle de polarisation permet de tracer un diagramme tel que représenté à la figure 1 dont l'ajustement par une fonction mathématique simple permet d'obtenir des coefficients a, b, c qui seront présentés par la suite.

15 Afin de permettre une détection et une mesure précise des photons de lumière de seconde harmonique générés par les particules ou macro-molécules testées lors de la mise en en oeuvre du procédé de l'invention, le dispositif comporte également un hacheur optique 6 qui permet de laisser passer alternativement chacun des faisceaux d'excitation El, E2 en direction de la cuve 20 de test 8 contenant les particules testées en solution. Ce hacheur optique 6 permet ainsi de limiter toute perturbation dues à des interférences éventuelles entre les deux faisceaux El, E2 au niveau des particules dans la cuve 8 si les deux faisceaux El, E2 étaient projetés simultanément vers la cuve. Il est ainsi possible de ne détecter que les signaux de réponse non linéaire 25 des particules testées correspondant exactement à chacune des deux excitations lumineuses, pour ensuite une meilleure exploitation des résultats. Pour détecter précisement la réponse non-linéaire des particules testées placées en solution dans la cuve 8, le dispositif de l'invention comporte des moyens de détection de photons de lumière diffusés par génération de seconde 30 harmonique (SHG) par au moins une particule ou macro-molécule en solution présente dans la cuve 8 et excités par les faisceaux El, E2. Ces moyens de détections comportent en premier lieu un analyseur 9 11 2929708 composé d'une lentille de collection de la lumière diffusée sortant de la cuve 8, une lame demi-onde À/2 pour sélectionner la longueur d'onde correspondant à la lumière de seconde harmonique et un cube polariseur, ce dispositif en série permettant de tenir compte des biais du réseau du spectrométre vis-à-vis d'une 5 polarisation particulière sélectionnée. Les moyens de détection, et notamment l'analyseur 9, sont placés de telle sorte que la détection est réalisée selon une direction D formant un angle a avec la direction d'incidence I1 d'un premier faisceau lumineux d'excitation et formant un angle R avec la direction d'incidence I2 du second faisceau lumineux 10 d'excitation dans la solution contenant les particules ou macro-molécules étudiées, a étant différent de R et supérieur à zéro, comme représenté sur la figure 4. De préférence, afin de simplifier l'exploitation des mesures, la direction de détection D est confondue avec la direction d'incidence I1, I2 de l'un des faisceaux d'excitation El, E2, comme par exemple dans la direction I2 dans le 15 mode de réalisation représenté à la figure 3. Derrière l'analyseur 9, les moyens de détections comportent, placés en série, un spectromètre 10, un photomultiplicateur 11 et un compteur de photons 12. En variante, le photomultiplicateur 11 peut également être remplacé par une caméra CCD ou une photodiode à avalanche par exemple. Dans le cas de d'une 20 caméra CCD, le compteur de photons 12 devient superflu et peut être retiré du montage mais une routine informatique du traitement de données devra être ajoutée pour extraire l'intensité mesurée à À/2. Ces moyens de détection 9, 10, 11, 12 permettent avantageusement de sélectionner puis de détecter la lumière diffusée en optique non-linéaire pour 25 analyser la réponse non-linéaire des particules placées en solution dans la cuve 8 et établir à partir de cette réponse un signal électrique image de cette réponse vers une station informatique 13. Cette station informatique 13 constitue des moyens de calcul de l'intensité de diffusion Hyper-Rayleigh (intensité HRS) des photons détectés par les moyens de détection en fonction de chaque faisceau 30 d'excitation El, E2 et de leur polarisation et de calcul pour chaque faisceau des paramètres 11E1 et 11E2 représentatifs de l'organisation moléculaire au sein des macromolécules ou de la forme des particules placées dans la cuve 8.

12 2929708 La station informatique 13 permet en outre, avant la réalisation de mesures sur les particules testées, l'établissement d'un diagramme 11E2=f(11E1) théorique représentatif de toutes les configurations géométriques et arrangements moléculaires possibles au sein de particules ou macro-molécules.

5 L'établissement de ce diagramme 11E2=f(11E1) théorique constitue une étape essentielle du procédé de l'invention. Ce diagramme est établi de manière empirique à partir des relations suivantes où 1E1 et 11E2 sont respectivement deux paramètres caractéristiques de l'organisation moléculaire au sein d'un assemblage de molécules ayant une 10 réponse non linéaire définis respectivement par les relations suivantes : aEl + CE1 11E1 = bEl (1) et 11E2 ù_ (aEL ù aE2) + (CE1 ù CE2) (2), (bEl ù bE2) où a, b, c sont les valeurs absolues de l'intensité de diffusion HRS selon trois 15 angles distincts de polarisation de chaque faisceau d'excitation El, E2 mis en oeuvre dans le procédé de l'invention. Les faisceaux El, E2 étant perpendiculaires l'un par rapport à l'autre et la détection se faisant dans la direction d'incidence de l'un des faisceaux (donc en transmission par rapport à la cuve 8), on peut calculer pour une configuration 20 théorique quelconque les fractions dipolaires et quadripolaires pour chaque composante a, b, c des paramètres suivants, 1E1 et 11E2, ces fractions étant définies par les tenseurs suivants (pour chaque configuration les valeurs des tenseurs sont différentes) : • ad= G(R * 25 • bd=G(413)cv4~3 213,00e *xYY) • cd= G(R R * xyy) • aq=G(Ak)2a2([FL,zxxx+FL,Yx][F*L,z +F*L, [FL, ZXYY + FL, Yx(Y 1[r * L, ZXYY + F * L, YX Y J • bq=G(Ak)2a2 +[FL,zxYY +FL,YxTY][F*L,zxY +F*L,YxYJ + [FL, zxxY + F L , Yx(Y ][F * L , ZXYY + F * L , YxTY J 13 2929708 • Cq=G(Ok)2a2([FL,zxyy +FL,)xyy][['*L,zxyy +F*L,yxyy] ; les indices d et q indiquant respectivement une composante dipolaire et quadripolaire des valeur d'intensité HRS a, b, c pour chaque faisceau d'excitation (E1, [2), et avec, dans ces relations : 5 • G qui est une constante, • R , F deux tenseurs et I3 *, F * leurs tenseurs complexes conjugués, • (Ak)2 le différentiel carré des vecteurs d'ondes 2k du fonfamental et de K le vecteur d'onde de l'harmonique, et • a la taille de la particule ou macroparticule.

10 Une fois les fractions dipolaires et quadripolaires ci-dessus calculées on détermine ensuite les valeurs des composantes a, b, c des paramètres 11E1 et 11E2 liées à chaque faisceau d'excitation El, E2 conformément aux relations suivantes : aEl=ad+aq et aE2=ad ; 15 bEl=bd+bq et bE2=bd ; CE1=cd+cq et cE2=cd . On peut ainsi déterminer pour une configuration géométrique théorique d'un arrangement moléculaire ou d'une forme de particules des valeurs correspondantes de paramètres 11E1 et 11E2, ce qui permet d'obtenir un point sur le 20 graphe 11E2=f(11E1) théorique. N'ayant pas d'a priori sur la configuration particulière d'un arrangement moléculaire donné, on calcul ainsi théoriquement les paramètres 11E1 et 11E2 pour un grand nombre de configurations possibles afin de pouvoir réaliser le graphe 11E2=f(11E1) théorique et ensuite pouvoir, lors des expériences et mesures sur des 25 particules inconnues, faire la comparaison avec les valeurs de paramètres 11E1 et 11E2 calculés à partir des mesures expérimentales d'intensités HRS obtenues pour chacun des faisceaux d'excitation El, E2. Pour ce faire, il suffit de déterminer les composantes a, b, c expérimentales de chaque paramètres 11E1 et 11E2 en repérant sur les diagrammes d'intensités HRS 30 établis pour chaque faisceau d'excitation El, E2 à partir de mesures sur des particules testées les valeurs d'intensités HRS selon trois angles de polarisation à 14 2929708 0°, 45° et 90°, comme représenté sur la figure 1, que l'on reporte ensuite dans les relations (1) et (2) ci-avant présentées pour obtenir la valeur de chaque paramètre 11E1 et 11E2 expérimental. Il suffit alors de reporter ces valeurs dans le graphe théorique 11E2=f(11E1) 5 préalablement établi pour déterminer la configuration spatiale ou la forme d'une particule testée. Si le point obtenu à partir des valeurs de paramètres 11E1 et 11E2 expérimental concorde avec un point sur le graphe théorique alors cela veut dire que le composé testé a la même configuration que la configuration calculé théoriquement.

10 Le procédé de l'invention peut tout particulièrement trouver une application dans des domaines comme la caractérisation de composants opto-électroniques et optiques, puis les biocapteurs et les biopuces. Il peut également intéresser fortement le domaine de la caractérisation de petites particules biologiques (protéines) ou inorganique comme des particules de 15 métal, par exemple de 3 à 150 nm de diamètre, où la caractérisation de la forme est importante. 15

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la configuration spatiale de molécules dans des particules ou macro-molécules ou la forme de particuels métalliques, selon lequel : - on met en solution au moins une particule ou macro-molécule dont on veut connaître l'organisation moléculaire, - on excite la ou les particules ou macro-molécules placées en solution par l'intermédiaire d'au moins deux faisceaux lumineux d'excitation (El, E2) polarisés 10 se propageant et pénétrant la solution selon deux directions d'incidences distinctes I1, I2, - on détecte en optique non linéaire les photons de lumière diffusée par au moins une particule ou macro-molécule excitée présente dans la solution ; - on détermine l'intensité de diffusion Hyper Rayleigh (HRS) résolue en 15 polarisation des photons de lumière diffusée détectés pour chaque faisceau d'excitation (El, E2), - on établit un diagramme 11E2=f(11E1) où 11E1 et 11E2 sont respectivement deux paramètres caractéristiques de l'organisation moléculaire au sein d'un assemblage de molécules ayant une réponse non linéaire définis respectivement par les 20 relations suivantes : CIEL+CE1 et 1E1 = bEl 1E2 ù (CIEL ù aE2) + (CE1 ù CE2) ù (bEl ùbE2) , où a, b, c sont les valeurs absolues de l'intensité de diffusion HRS selon trois 25 angles distincts de polarisation de chaque faisceau d'excitation (El, E2) et avec : aEl=ad+aq et aE2=ad ; bE1=bd+bq et bE2=bd ; cE1=Cd+cq et cE2=cd ; 30 les indices d et q indiquant respectivement une composante dipolaire et 16 2929708 quadripolaire des valeur d'intensité HRS a, b , c pour chaque faisceau d'excitation (El, E2), ces différentes composantes étant définies par les relations mathématiques suivantes : • ad= G(13)0013 * 5 • bd= G(413xv43 * xxy + 213=13 * YYY> • cd = G( RER * xyy) • aq=G(Ak)2a2([FL,zxxx+FL,Yxxx][F*L,zxxx+F*L, [hL,zxxx + FL,Yx Y ][F * L,zxxx + F * L,Y YY • bq=G(Ak)2a2 +[FL,zxYY +FL,YxYY1[F*L,zxY +F*L,Y 1 +[FL,zxxY +FL,YYY1FF*L,zxYY +F*L,YxTY1 • cq=G(Ak)2a2([FL,zxYY+FL,YxYY][r'*L,ZXYY+F*L,YxYY] ; avec : • G qui est une constante, • 13 , F deux tenseurs et I3 *, F * leurs tenseurs complexes conjugués, • (Ak)2 le différentiel carré des vecteurs d'ondes 2k du vecteur d'onde 2k du fondamental et de K le vecteur d'onde de l'harmonique, et • a la taille de la particule ou macroparticule ; - on calcule pour chaque intensité de diffusion HRS préalablement déterminée les deux paramètres 11E1 et 11E2 pour la particule ou macro-molécule étudiée et - on en déduit la configuration géométrique des molécules dans la particule 20 ou macro-molécule en reportant ces deux paramètres sur le graphique préalablement établi 11E2=f(11E1).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection des photons de lumière diffusée par au moins une particule ou macro-molécule excitée en solution est réalisée selon une direction (D) formant un angle a avec la direction 25 d'incidence (I1) d'un premier faisceau lumineux d'excitation et formant un angle R avec la direction d'incidence (I2) du second faisceau lumineux d'excitation dans la solution contenant les particules ou macro-molécules étudiées, a étant différent de R et supérieur à zéro.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les directions d'incidence 17 2929708 (I1) et (I2) des deux faisceaux lumineux d'excitation sont perpendiculaires l'une de l'autre.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les deux faisceaux lumineux d'excitation (El, E2) sont émis par au moins une source de 5 lumière cohérente de type laser, notamment un laser de type nanoseconde ou femtoseconde.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on fait tourner la polarisation linéaire de chaque faisceau lumineux d'excitation selon au moins trois angles de polarisation distincts pendant chaque phase d'illumination et d'excitation 10 des particules ou macro-molécules en solution.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la direction (D) de détection des photons de lumière diffusée par les particules ou macromolécules étudiées est confondue à la direction d'incidence (I1, I2) d'au moins un des deux faisceaux lumineux d'excitation dans la solution contenant les 15 particules ou macro-molécules.
7. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant : - des moyens de production (1, 5) d'au moins deux faisceaux de lumière cohérente (El, E2), - des moyens de polarisation (3, 4) des au moins deux faisceaux de lumière cohérente, - au moins une cuve ou cellule (8) apte à contenir au moins une particule ou macro-molécule placée en solution, la cuve ou cellule étant constituée d'une matière transparente aux deux faisceaux de lumière cohérente pour permettre l'excitation, par ces deux faisceaux, d'au moins une particule ou macro-molécule en solution placée dans la cuve ou cellule, - des moyens d'orientation (7) des deux faisceaux de lumière cohérente selon deux directions d'incidence (I1, I2) distinctes par rapport à la cuve (8) ou cellule, - des moyens de détection (9, 10, 11, 12) de photons de lumière diffusés par au moins une particule ou macro-molécule en solution présente dans la cuve ou cellule et excités par les deux faisceaux de lumière cohérente polarisés par les 18 2929708 moyens de polarisation, - des moyens de calcul (13) de l'intensité de diffusion Hyper-Rayleigh (intensité HRS) des photons détectés par les moyens de détection et de calcul et d'établissement d'un dit diagramme 11E2=f(11E1) tel que défini à la revendication 1. 5
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les moyens de polarisation comportent au moins un polariseur et une lame demi-onde.
9. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les moyens de détection comportent au moins l'un des composants suivant : photomultiplicateur ; caméra CCD ; photodiode avalanche. 10
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les moyens de production des deux faisceaux de lumière cohérente comportent au moins une source de lumière cohérente (1) et des moyens de division (5) d'un faisceau unique (2) émis par cette source en deux faisceaux lumineux distincts (El, E2).
11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel les moyens 15 d'orientation des faisceaux lumineux selon deux directions d'incidences distinctes par rapport à la cuve ou cellule (8) comportent des miroirs réfléchissants et/ou semi-réflechisssants (7).
12. 12. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel la cuve ou cellule (8) est constituée d'un matériau transparent aux longueurs d'onde À et À/2 20 des au moins deux faisceaux d'excitation (El, E2).
13. 13. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel les moyens de production des deux faisceaux de lumière cohérente comportent au moins une source de lumière (1) de type laser nanoseconde ou femtoseconde.