Détection d’une nanoparticule unique avec le montage NUV-visible-NIR

montage NUV-visible-NIR

Avant d’effectuer des cartographies avec oscillations, la zone de l’échantillon qui va être étudiée est choisie visuellement en utilisant partiellement le montage et en lui adjoignant temporairement quelques éléments, comme l’indique le schéma de la figure 4.7. On ajoute au montage une Diode Electro-Luminescente (DEL) blanche qui rétroéclaire l’échantillon via le second objectif de microscope. Le rétroéclairage se rapproche tant que possible d’un éclairage Kohler de manière à illuminer tout le champ du dispositif d’imagerie qui va suivre. L’éclairage est dit Kohler lorsque le faisceau d’éclairage est collimaté perpendiculairement à la surface de l’échantillon, ce qui est impossible à atteindre parfaitement dans le cas des objectifs réflectifs du fait de leur obturation centrale. Le dispositif de visualisation utilise l’objectif de microscope de focalisation et un cube séparateur rajouté pour dévier une partie de la lumière diffusée par l’échantillon en direction d’une lentille de longue focale. Cette lentille image la surface de l’échantillon sur le capteur d’une caméra numérique notée CCD. La zone de l’échantillon choisie ne doit visuellement pas présenter de points sombres et paraître vierge, car les nanoparticules uniques recherchées sont bien entendu invisibles en transmission avec le microscope optique conventionnel formé précédemment. Cette procédure de visualisation permet de travailler sur une zone a priori exempte de poussières. Ceci étant fait, la DEL et le cube séparateur sont retirés du montage pour procéder aux expériences de SMS.

Le montage, piloté par ordinateur avec le logiciel Labview, permet alors d’acquérir plusieurs types de données. Avant de faire osciller l’échantillon, on peut par exemple enregistrer des cartographies permettant de confirmer le choix de la zone à étudier, ce qui peut être réalisé rapidement. Le signal obtenu à une longueur d’onde choisie - souvent celle où l’extinction attendue est maximale pour les particules recherchées - correspond à la puissance transmise selon la position sans faire osciller l’échantillon. Ce type de cartographie est une image point par point de microscopie optique en transmission à une longueur d’onde choisie. En terme de résolution spatiale, elle n’a pas plus de précision qu’une image classique de microscopie optique. Elle permet cependant, grâce à la sensibilité de la mesure de transmission et au code couleur de l’image obtenue, de mieux repérer les zones de l’échantillon où sont susceptibles d’être des particules qu’avec la simple visualisation en transmission. Ainsi sur la figure 4.8, avec un code couleur adéquat, les zones vertes ou bleues sont extinctives et les zones rouges transparentes.

Figure 4.7 : Schéma du dispositif temporaire de visualisation de l’échantillon en préalable aux expériences de SMS.

Les points verts ou bleus sont trop extinctifs pour être intéressants : ce sont probablement de grosses poussières ou de trop gros amas de particules, sans intérêt pour notre étude. En revanche, les zones alentours de petites taches jaunes peuvent être intéressantes. Pour avoir une sensibilité supérieure de un à trois ordres de grandeurs, il faut alors effectuer une cartographie avec oscillation sur cette zone.

Des cartographies avec oscillation de l’échantillon peuvent donc être effectuées, à diverses longueurs d’onde, afin de ne pas confondre les particules avec des poussières. Les cartographies sont faites en balayant la position de l’échantillon dans le plan focal image (x,y) du premier objectif de microscope, à l’aide de la même platine piézoélectrique de translation que pour les oscillations de l’échantillon. Cette platine piézoélectrique de translation est en fait mobile selon les trois axes (x, y, z) et destinée au départ seulement aux déplacements. Il a donc été nécessaire de modifier ses paramètres de commande pour la faire en plus osciller. Ceci présente l’avantage d’une bonne stabilité mécanique du montage, mais alors la fréquence d’oscillation est limitée par la fréquence de résonance mécanique de l’ensemble formé par la platine plus l’échantillon. Dans notre cas, cette fréquence de résonance vaut environ 270 Hz et nous travaillons donc à une fréquence inférieure, de l’ordre de 140 Hz. Cette limitation n’est pas problématique en terme de bruit, car pour une lampe stable comme celle que nous utilisons le bruit est à peu près blanc, c'est-à-dire quasi-indépendant de la fréquence à laquelle on effectue les mesures.

Figure 4.8 : Cartographie en transmission, sans oscillation, d’une zone d’un échantillon pour déterminer à quel endroit (délimité ici par un carré) faire une cartographie avec oscillation pour détecter des particules uniques.

Sur les cartographies avec oscillation, lorsque la détection est faite à la fréquence f, une particule est comme nous l’avons vu située entre 2 pics de signal. Pour des particules uniques d’or quasi-sphériques, on s’attend à avoir un signal maximal aux alentours de la RPS (vers 540 nm), un signal environ moitié au niveau des transitions interbandes (en dessous de 450 nm) et quasiment rien dans le rouge (à partir de 700 nm). C’est effectivement ce que l’on observe sur la figure 4.9 pour un dépôt par spin-coating de nanoparticules d’or colloïdales, de 100 nm de diamètre moyen.

Ainsi, sur cette figure, on détecte aisément au centre des cartographies une particule unique d’or. Les particules d’or de 100 nm que nous avons détectées de cette manière nous ont permis dans un premier temps de finaliser le développement de l’expérience jusqu’à atteindre une stabilité maximale de deux jours, soit environ la demi durée de vie des filaments. Ceci permet d’accéder au RSB maximal de l’expérience comme nous allons le voir.