Caractérisation par spectroscopie des photoélectrons X

La méthode de caractérisation par spectroscopie des photoélectrons X (XPS) permet d’identifier les espèces chimiques présentes à la surface d’un échantillon [Siegbahn 1970; Ratner and Castner 1997]. L’échantillon est exposé à un rayonnement X monochromatique d’énergie connue ce qui provoque une ionisation de l’échantillon (figure 2.15a). Les électrons éjectés suite à la photo-ionisation possèdent une certaine énergie cinétique laquelle est mesurée. À partir de cette information, il est possible d’extraire l’énergie de liaison de l’électron éjecté. L’énergie de liaison correspond à la différence de l’énergie

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cinétique mesurée soustraite de l’énergie du rayonnement d’excitation[Carlson 1975]. Les électrons de chaque orbitale pour chaque élément atomique possèdent une énergie de liaison qui leur est propre. En filtrant les électrons entrants et en balayant le spectre des énergies de liaisons disponibles, il devient donc possible d’obtenir la composition chimique de l’échantillon (figure 2.15b)[Turner 1986].

Figure 2.15 : a) éjection d’un photoélectron suite à une irradiation par une source de rayons X b) Schéma d’un spectromètre XPS (1) source de rayons X (2) échantillon (3) lentilles magnétiques (4) sélecteur d’énergie (5) détecteur (6) traitement du signal et extraction de la composition chimique.

L’appareil utilisé pour l’analyse des échantillons est un spectromètre AXIS HSi de la compagnie Kratos Analytical Ltd. (Manchester, UK) opéré par le personnel de l’Institut des matériaux et systèmes intelligents (IMSI) de l’Université de Sherbrooke. La source de rayon X est une anode d’aluminium soumise à une excitation de 120 Watts (raie : aluminium Kα monochromatique). Pour un maximum de capture des photoélectrons X, les échantillons analysés ont été placés perpendiculairement au détecteur. Pour chaque échantillon, un graphique du nombre de photoélectrons mesurés (CPS) en fonction de leur énergie de liaison est produit. À partir de ce graphique, la concentration atomique de chaque élément présent est extraite. Cette valeur, exprimée en termes de pourcentage de concentration atomique (%At Conc), sera utilisée afin de comparer les échantillons.

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2.6 Résumé.

La caractérisation de la modification de surface par des biomolécules est essentielle dans le cadre de la fabrication de biocapteur. La préparation de constructions moléculaires complexes nécessite un suivi rigoureux afin de s’assurer du bon fonctionnement du biocapteur. Une telle caractérisation lance d’importants défis : d’abord, la taille des molécules employées varie de quelques nanomètres à quelques microns, mais de façon plus importante, on trouve que la densité surfacique de molécules présentes qui est très faible, variant de quelques picomoles à quelques micromoles par centimètre carré. L’usage de techniques très sensibles est requis. Diverses techniques seront utilisées afin de caractériser les étapes de fabrications du biocapteur. Chacune d’elles offrant des informations différentes, l’usage complémentaire de plusieurs techniques permet de s’assurer de l’exactitude de la modification chimique visée.

La principale technique de caractérisation utilisée lors de cette étude est la résonance des plasmons de surface. Cette technique permettant de mesurer des variations d’indices de réfraction provoquée par l’ajout ou le retrait de molécule sur la surface. Cette technique permettra donc de caractériser les différentes étapes de construction du mécanisme moléculaire. De plus, elle sera utilisée afin de suivre la réponse du biocapteur vis à vis une modulation du pH.

Ensuite, des méthodes de microscopie ont été présentées. Avec l’AFM en mode d’imagerie, des informations topographiques seront obtenues. Ce mode permettra donc d’observer l’évolution en termes de rugosité de substrats SPR selon les traitements appliqués. Ceci permettra de voir comment ses traitements affectent la rugosité. Parallèlement à ceci, le mode « forcescope » sera utilisé afin de valider la présence de laisses moléculaires liées de façon covalente sur le substrat. La microscopie de fluorescence permettra quant à elle de vérifier la présence de fluorophores immobilisés sur des substrats de verre. Cette technique permettra de valider les constructions moléculaires par l’attachement de streptavidine marquées d’un fluorophores.

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Ensuite, la méthode de mesure d’angle de contact a été présentée. La modification d’un substrat par une biomolécule altère l’angle de contact. Il sera donc possible de caractériser et de suivre les étapes de fonctionnalisation d’un substrat par l’évolution de l’angle de contact mesuré.

Finalement, la spectroscopie des photoélectrons X a été présentée. Cette technique permet de faire une caractérisation élémentaire d’un échantillon. Encore une fois, cette permettra de caractériser et de suivre les étapes de fonctionnalisation d’un substrat par l’identification d’éléments chimiques présents dans l’échantillon.

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