Il existe une alternative à la fluorescence des atomes ou molécules présents dans le système à étudier : on ensemence. Rappelons quelques propriétés constitutives d’un bon ensemencement :
• Suivre l’écoulement (toutefois, pas dans notre cas). • Être représentatif de la situation modélisée.
• Ne pas influencer le système, ou très peu.
Afin de satisfaire à ces exigences, on a le choix : molécules ou nanoparticules. En effet il existe 3 types de traceurs fluorescents.
prometteurs.
4.2.1
Différents types de traceurs.
Les traceurs fluorescents, très nombreux, présentant des caractéristiques aussi va- riées que leurs champs d’applications, peuvent être répartis en trois classes :
• Les marqueurs organiques biologiques : ces molécules sont présentes dans divers organismes vivants, et l’une d’elle, la plus célèbre, est issue d’une méduse. C’est la GFP, Green Fluorescent Protein. La séquence ADN de cette protéine a été entièrement décodée, ce qui en fait une des plus populaires dans le domaine de l’imagerie biologique. Cette classe de marqueurs a pour avantage de ne pas être toxique. Mais c’est une classe de matériel sensible, qui risque de se dégrader très vite sous l’effet des ultrasons.
• Les marqueurs organiques synthétiques : fluorescéine, rhodamine et cya- nine sont les plus connus. Leur efficacité quantique est bonne, mais le principal problème lié à leur utilisation est leur faible résistance au photo-blanchiment, excepté les colorants laser.
• Les marqueurs inorganiques : c’est une nouvelle classe de marqueurs. Ils sont apparus il y a peu de temps avec l’avènement des nanotechnologies. Ce sont des nanocristaux de semi-conducteurs ou des nanoparticules métalliques. C’est cette classe de traceurs que nous avons choisi d’utiliser pour notre expérimentation.
4.2.2
Les nanocristaux de semi-conducteurs.
Synthétisés pour la première fois en 1993 [Murray et al.,1993], ces nanocristaux font l’objet de toutes les attentions. Ils sont actuellement en train de révolutionner l’imagerie biomédicale. Cet engouement est motivé par leur capacité à s’affranchir de certaines problématiques connues avec les autres types de traceurs. En effet, ils offrent une résistance accrue au photo-blanchiment, et simplifient la visualisation simultanée de traceurs de différentes couleurs.
4.2.2.1 Des propriétés optiques liées à la taille.
Les nanocristaux de semi-conducteurs sont typiquement constitués de quelques cen- taines à quelques milliers d’atomes arrangés selon un ordre cristallin. A cette échelle, les propriétés optiques sont différentes de l’état massif. Par exemple, le Séléniure de Cadmium CdSe, sous éclairage ultraviolet, fluoresce dans le proche infrarouge à l’état massif. Mais des nanocristaux de CdSe de 3 nm de diamètre fluorescent dans le vert. En augmentant leur taille, on retrouve la fluorescence de l’état massif.
C’est le « confinement quantique » des charges qui est à l’origine de ce comporte- ment exotique. Une caractéristique des matériaux semi-conducteurs est leur largeur de bande interdite (band gap), différenciant la bande conductrice de la bande de valence. Dans leur état « massif », les bandes de conduction et de valence sont constituées d’un continuum de niveaux d’énergies. Lors de l’absorption d’un photon, un électron de la bande de valence passera dans la bande de conduction, laissant un « trou » dans la bande de valence. Cet électron et le trou laissé vont s’apparier par interaction cou- lombienne pour former un état lié. Cette paire électron-trou, analogue à un atome d’hydrogène, est appelée exciton, et est caractérisé par un rayon de Bohr qui dépend
du semi-conducteur. Pour le CdSe, ce rayon est de l’ordre de 5,6 nm. Si le cristal est plus petit que ce rayon, on dit qu’il y a confinement fort des porteurs de charge. L’électron, retournant dans la bande de valence, émettra un photon correspondant à la largeur de bande interdite.
Si on diminue la taille du cristal de semi-conducteur, on va briser le continuum d’énergie qui forme les bandes de valence et de conduction. Les orbitales « réappa- raissent », bien séparées. Et ceci s’accompagne d’une augmentation de l’énergie de la bande interdite. Ainsi, plus le cristal sera petit, plus il faudra d’énergie pour faire passer un électron au delà de cette barrière. Ce qui induit que plus le cristal sera petit, plus sa fluorescence sera décalée vers les fortes énergies (bleu). Ceci est mis en avant par la figure 4.3.
Fig. 4.3: Illustration de la différence entre l’état macroscopique, où les bandes de valence et de conduction sont constituées d’un continuum de niveaux, et les nanocristaux où les niveaux sont discrétisés. Cette discrétisation induit une aug- mentation de la largeur de bande interdite, décalant ainsi la fluorescence vers les hautes énergies. Schéma extrait du site http://www.chemsoc.org/.
La gamme de taille où ces effets de confinement quantique se font ressentir se situe en dessous de 10 nm. Ces effets dépendent aussi fortement du matériau utilisé, comme le montre la figure 4.4.
4.2.2.2 Constitution des nanocristaux de semi-conducteurs.
On vient de voir que la taille de tels nanocristaux s’étale de 1 à 5 nm. Les « quan- tum dots » sont composés d’autres constituants, qui ne participent pas directement à l’émission de lumière, mais optimisent son efficacité quantique ou fonctionnalisent sa surface afin de leur conférer des propriétés hydrophiles ou hydrophobes, les conjuguer avec certaines protéines... Ainsi, leur taille finale sera supérieure à celle de la partie optiquement active, comme le montre la figure 4.5.
prometteurs.
Fig. 4.4: Variation de la largeur de bande interdite en fonction de la taille et pour différents matériaux semi-conducteurs. On voit que le CdSe se prête particulière- ment bien aux applications nécessitants des longueurs d’onde de fluorescence dans le visible. Schéma extrait du site http://pcml.univ-lyon1.fr.
Fig. 4.5: Ordre de grandeur des nanocristaux de semi-conducteurs. D’aprèshttp: //probes.invitrogen.com/.
4.2.2.3 Des spectres absorption / fluorescence avantageux.
Comme nous l’avons vu, en fonction de leur taille, la fluorescence sera décalée. Mais l’absorption est également influencée. En fait, un des avantages majeurs de ces traceurs est le chevauchement de leurs spectres d’absorption, permettant ainsi d’exciter toutes les gammes de taille à l’aide d’une seule et même source lumineuse : ceci s’avère difficile avec les autres classes de traceurs. La figure4.6présente le spectre d’absorption de différents quantum dots, et la figure4.7la fluorescence de ces mêmes quantum dots.
4.2.2.4 Autres propriétés intéressantes.
Outre celles déjà précitées, les quantum dots offrent une section efficace d’absorption très grande relativement aux autres traceurs, pour des efficacités quantiques semblables. Ainsi, les utiliser nous permettra d’obtenir une intensité de fluorescence accrue. Un autre aspect, cette fois lié à notre expérimentation, nous a poussé à les choisir : leur masse. En effet, contrairement à des molécules, trop petites et trop légères, ces quantum dots devraient être aisément ségrégés par la bulle de cavitation, du fait de leur fort β (paramètre de ségrégation développé dans 3.1.1).