Nano-FTIR

La technique « Nano-FTIR » est une technique d’imagerie optique basée sur l’association de la microscopie optique en champ proche (s-NSOM acronyme de « scattering Near-field Scanning Optical Microscopy ») et de la spectroscopie par transformée de Fourier (FTIR « Fourier Transform Infrared spectroscopy).

1.4.1.1

Microscopie en champ proche

La technique de microscopie optique en champ proche fut développée dans le but de surpasser la limite de résolution de la microscopie en champ lointain, imposée par la diffraction de la lumière (Betzig and Trautman, 1992). En effet, un objet ponctuel « diffuse » la lumière sous forme d’une tache dont la dimension est proportionnelle à la longueur d’onde d’illumination (critère de Rayleigh). Pour contourner ce problème, le principe consiste à placer le détecteur très proche de la surface, afin de détecter et d’étudier l’onde évanescente confinée au voisinage de la surface et non l’onde diffusée. La microscopie optique en champ proche repose ainsi sur la détection du signal issu de l’interaction entre une sonde locale et la surface de l’échantillon. La sonde locale peut être soit une fibre optique (« aperture-based mode »), soit une pointe (« apertureless mode ») (Novotny and Stranick, 2006). Dans ces deux cas, la résolution n’est plus reliée à la longueur d’onde, mais à une longueur caractéristique de la sonde, le diamètre de l’ouverture pour une fibre ou le diamètre de la pointe. Les technologies actuelles permettant la construction de pointes métalliques plus fines (~taille atomique) que les fibres optiques (~50 nm), la résolution atteignable est en général meilleure avec l’utilisation d’une pointe.

De manière similaire qu’en microscopie à force atomique (AFM pour « Atomic Force Microscopy »), des mécanismes de rétroaction sont utilisés afin de contrôler la distance sonde-surface. Cela permet de récupérer la topographie de l’échantillon étudié en plus d’acquérir l’image optique (Stefanon et al., 2005; Vobornik et al., 2005). Usuellement, la pointe oscille à une certaine fréquence et l’amplitude des

oscillations, qui est étroitement liée à la distance pointe-surface, est utilisée comme mécanisme de rétroaction.

Figure 1-19 Comparaison entre la microscopie en champ lointain (limitée par la diffraction) et la microscopie

en champ proche. (a) Limite de diffraction en champ lointain représentant la distance minimale entre deux objets ponctuels discernables. (b) Schéma de la microscopie en champ proche avec une fibre optique d’ouverture d. La résolution est définie à partir du diamètre d et non à partir de la longueur d’onde du rayonnement. (c) Champ proche en utilisant une pointe. La résolution est déterminée par le diamètre de l’extrémité de la pointe.

1.4.1.2

Spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier

La spectroscopie FTIR, comme toute méthode de spectroscopie, consiste à mesurer les propriétés spectrales d’un échantillon. Cet outil est principalement utilisé pour l’analyse chimique d’échantillons, puisqu’il permet d’identifier les vibrations moléculaires d’une substance chimique à partir de son spectre d’absorption dans la région infrarouge (3-30 µm usuellement). Contrairement à la spectroscopie « classique » (spectroscopie dispersive), qui caractérise séquentiellement l’échantillon en répétant l’opération de mesure pour différentes longueurs d’onde d’illumination, la spectroscopie FTIR permet d’obtenir la mesure pour chaque longueur d’onde du spectre incident simultanément. Le principe repose sur l’utilisation d’une source large bande et d’un interféromètre de Michelson, qui va permettre de modifier la combinaison fréquentielle du faisceau à chaque déplacement du miroir mobile, comme illustré en figure 1-20. Le faisceau interagit ensuite avec l’échantillon, qui va modifier la composition fréquentielle du spectre incident en fonction de ses propriétés spectrales. Par un traitement numérique des données brutes recueillies par le capteur, il est possible de remonter aux caractéristiques spectrales de l’échantillon. La capacité de la FTIR pour faire de l’imagerie infrarouge et de la spectroscopie d’absorption de cellules biologiques avec une résolution spatiale micrométrique a déjà été démontrée (Hughes et al., 2015; Wolkers and Oldenhof, 2015).

Figure 1-20 Principe de la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR).

1.4.1.3

IR-SNOM (ou nano-FTIR)

En raison des excellentes résolutions spatiales obtenues en microscopie champ proche (allant de 100 nm avec une fibre optique jusqu’à l’ordre de 10-20 nm avec l’utilisation d’une pointe (Zhou et al., 1999)), de nouvelles techniques nommées IR-SNOM (ou nano-FTIR), combinant la microscopie champ proche à la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier, ont été développées (Akhremitchev et al., 2002; Amarie et al., 2012; Vobornik et al., 2005). La détermination des propriétés spectrales de l’échantillon à l’échelle nanométrique passe alors par la mesure de l’amplitude et de la phase du signal champ proche (Huth et al., 2012). Généralement, les montages s-SNOM (scattering-SNOM) (Novotny and Stranick, 2006; Stefanon et al., 2005; Vobornik et al., 2005), qui utilisent un éclairage en champ lointain et qui sont basées sur l’utilisation d’une pointe qui oscille à une fréquence donnée, sont les systèmes utilisés pour mesurer l’amplitude et la phase du signal en champ proche (onde évanescente). Cependant, l’analyse du signal et l’interprétation des données issues d’une mesure s-SNOM restent relativement difficiles et requièrent beaucoup de prudence. En effet, le signal obtenu au niveau du détecteur est une somme entre le signal champ proche utile et le signal de bruit de fond (« background signal »). Le signal de bruit de fond est principalement dû à la réflexion spéculaire de la lumière sur l’échantillon, tandis que le signal champ proche correspond à la portion de lumière qui est diffusée après avoir interagit avec la pointe (Moreno et al., 2017). Du fait que la composante spéculaire soit souvent prépondérante dans le signal final, il est nécessaire de supprimer sa contribution. Généralement l’extraction du signal d’intérêt s’effectue par détection interférométrique de la lumière diffusée au niveau de la pointe. Ainsi, diverses modifications du système de base s-SNOM ont été réalisées afin de pouvoir détecter le signal champ proche et d’en extraire les informations d’amplitude et de phase. On y retrouve la technique interférométrique de décalage de phase (Deutsch et al., 2008), les configurations de détection homodyne (Krenz et al., 2010), pseudo-hétérodyne (Ocelic et al., 2006) et hétérodyne (Stefanon et al., 2005). Dans ces modes d’opérations, les informations d’amplitude et de phase s’obtiennent après démodulation du signal reçu par le détecteur à une fréquence correspondante à un harmonique supérieur de la fréquence

d’oscillation de la pointe. Une fois ces paramètres acquis, le montage interférométrique est utilisé en mode « FTIR » afin d’appliquer une transformée de Fourier à l’interférogramme du signal démodulé. Le potentiel de la technique IR-SNOM a été démontré par sa capacité à obtenir des spectres infrarouges extraits d’une zone de 20 nm (Amarie et al., 2009), à identifier les empreintes moléculaires d’un échantillon organique à une échelle de résolution spatiale de 20 nm (Huth et al., 2012) ainsi qu’à réaliser de la cartographie spectroscopique de protéines complexes (Amenabar et al., 2013), de nanoparticules isolées et de virus (Brehm et al., 2006).

Figure 1-21 Spectroscopie nano-FTIR basée sur un montage s-SNOM et une source continuum émettant dans l’infra-rouge moyen. DFG, « Difference Frequency Generator » (Amenabar et al., 2013).

Malgré les excellentes résolutions spatiales, la microscopie en champ proche possède certaines limitations conséquentes. En raison des très faibles distances de travail de la microscopie en champ proche (distance sonde-surface de l’ordre d’une centaine de nanomètres), les mesures se limitent aux surfaces des échantillons : aucune étude en profondeur ne peut être réalisée. De plus, en raison du caractère local de la mesure, la caractérisation d’un échantillon sur une grande zone nécessite un très long temps de balayage. La durée est d’autant plus importante que l’on désire conserver la propriété d’imagerie à très haute résolution.