Techniques de mesure de la photoluminescence

I.3.3.1 Principe des exp´eriences de spectroscopie de photoluminescence

En spectroscopie on distingue trois types de mesures exp´erimentales : - Les spectres d’´emission,

Ils consistent `a regarder la r´eponse spectrale du mat´eriau

provoqu´ee par une excitation donn´ee. Si λemλexl’´emission

sera appel´eeStockes, si λ_em≺λ_exl’´emission sera dite

anti-Stokes et si λ_em = λ_ex ce sera une ´emission de

r´esonance.

Ils consistent `a rechercher toutes les ´energies absorb´ees permettant au mat´eriau d’´emettre `a une longueur d’onde donn´ee.

- Les d´eclins de luminescence ou dur´ee de vie, pour lesquels on mesure l’´evolution d’une population excit´ee en fonction du temps.

Les d´etails concernant les dispositifs que nous avons employ´es sont donn´es dans l’annexe B.

I.3.3.2 Les diff´erents moyens de mesurer la luminescence

Parmi tous les exemples que nous avons d´ecrits, diff´erentes techniques de d´etection ont ´et´e employ´ees. La mesure la plus simple est r´ealis´ee en cuve ou sur poudre s`eche `a l’aide d’un spectrofluorim`etre. Les mesures en cuve n´ecessitent de travailler avec des suspensions stables au cours du temps, afin de conserver des mesures reproductibles. Cette technique four- nit des spectres, qui permettent d’analyser les propri´et´es de luminescence des particules, sur une gamme de longueurs d’ondes ´etendue. On peut ainsi relever les spectres d’´emission et d’exci- tation de la photoluminescence. Si la source est puls´ee et la d´etection synchronis´ee on rel`eve les propri´et´es transitoires (d´eclins) et les spectres en temps r´esolu. Avec un spectrofluorim`etre on peut ´egalement relever les spectres de r´eflexion diffuse de poudre ou de solutions tr`es absor- bantes. Les mesures d’absorbance sont, quant `a elles r´ealis´ees avec un spectrophotom`etre.

La luminescence peut ´egalement ˆetre visualis´ee par microscopie optique de fluorescence. Cette technique est depuis de nombreuses ann´ees un outil incontournable pour les analyses morphologiques des cellules, que celles ci soient vivantes ou fix´ees. Les limitations majeures de la microscopie de fluorescence sont la fluorescence naturelle des cellules et tissus, et la tendance

des sondes organiques au photoblanchiement. Avec les sondes Ln3+ _{, le d´eplacement de Stokes}

important et la r´esistance au photoblanchiement pallient ces effets. Enfin, si un syst`eme de

mesure en temps d´ecal´e est adapt´e sur les dispositifs, le signal propre aux Ln3+ _{est exalt´e par}

rapport `a tous les autres signaux r´esiduels. Les ´equipements qui ont servi aux exp´erimentations report´ees dans la litt´erature diff`erent par :

- la source d’excitation : lampe X´enon, laser Argon, diodes laser...

- la r´esolution du microscope : champ large ou confocal Pour notre part nous avons r´ealis´e deux types d’observations :

- Des observations en champ large, sous excitation `a la lampe filtr´ee `a 365±5 nm, enre- gistr´ees par cam´era CCD `a l’IBPS de Toulouse.

- Des observations au microscope confocal, sous excitation laser (`a 488 et 514 nm) ´equip´e d’un monochromateur `a l’IPBS de Toulouse ainsi qu’`a la City U de Hong Kong.

Ce type d’analyse permet, dans le cas de particules seules, de visualiser la dispersion et l’homog´en´eit´e de ces derni`eres. Dans le cas de cellules marqu´ees, ce type d’analyse permet de localiser des particules, ainsi que de d´emontrer, ou non, une s´electivit´e du greffage ou du mar- quage.

Enfin, des mesures en cytom´etrie de flux peuvent ˆetre r´ealis´ees sur les particules ou les cellules en suspension. La cytom´etrie de flux est une technologie d’usage tr`es r´epandue non seulement dans les laboratoires de recherche mais ´egalement dans les laboratoires cliniques et d’analyse. Son int´erˆet est de permettre l’analyse de solutions cellulaires h´et´erog`enes sur le plan ph´enotypique et/ou fonctionnel en mesurant, en parall`ele, des param`etres optiques multiples. L’acquisition de ces param`etres est obtenue par le passage d’une suspension unicellulaire face `a un laser. Il y a ensuite mesure des lumi`eres diffract´ees (structure cellulaire) et des fluorescences r´e´emises, grˆace `a des filtres optiques et des photo-multiplicateurs, et ce pour chacune des cel- lules qui passent individuellement devant le ou les lasers `a un rythme de plusieurs centaines par seconde.

C

II

ASPECTS FONDAMENTAUX DE LA

LUMINESCENCE DES LANTHANIDES

Contents

II.1 Les terres rares . . . 30 II.2 Propri´et´es optiques des lanthanides . . . 31 II.2.1 Introduction . . . 31 II.2.2 Niveaux ´electroniques dans 4fn . . . 32 II.2.3 Transitions entre niveaux : r`egles de s´election . . . 35 II.2.4 Transitions entre niveaux : probabilit´es de transition . . . 35 II.3 L’europium . . . 37 II.3.1 Niveaux ´electroniques dans 4f6 . . . 37 II.3.2 Nature et force des transitions dans Eu3+(4f6) . . . 40 II.3.3 Comment exciter la luminescence de Eu3+ . . . 45 II.3.4 D´esexcitations non radiatives . . . 46 II.3.5 Efficacit´es . . . 47

II.1

Les terres rares

Les terres rares englobent le groupe des lanthanides (not´es de fac¸on g´en´erique Ln), constitu´e des quinze ´el´ements situ´es sur une mˆeme ligne et allant du lanthane (Z=57) au lut´ecium (Z=71) (Figure II.1), auxquels il faut ajouter l’yttrium (Z=39) et le scandium (Z=21). Ces deux ´el´ements se trouvent imm´ediatement au dessus du lanthane dans le tableau p´eriodique. Les terres rares forment une s´erie pr´esentant une remarquable homog´en´eit´e de propri´et´es chimiques. Le seul param`etre significatif variant de fac¸on monotone le long de la s´erie est la taille de l’ion (quan- tifi´ee `a l’aide des rayons ioniques). Du d´ebut `a la fin de la s´erie des lanthanides, le rayon ionique d´ecroit r´eguli`erement. Ce ph´enom`ene est appel´e contraction lanthanidique et provient de l’aug- mentation de la charge nucl´eaire.

La configuration ´electronique des lanthanides est report´ee Table A.1. L’´etat de valence com-

mun `a tous ces lanthanides est Ln3+ , que l’on peut noter [Kr] 4d104fn5s2 5p6 o`u n varie de 0

pour le lanthane `a 14 pour le lut´ecium.

Pour tous les lanthanides, ainsi que pour le scandium et l’yttrium, on trouve l’oxyde sous la

forme M₂O₃. Toutefois, la c´erine CeO₂ est la forme courante de l’oxyde de c´erium, alors que

pour le terbium on trouve Tb₄O₇=2TbO₂+Tb₂O₃, la couche 4f vide (Ce4+ ) ou semi-remplie

(Tb4+

) stabilisant la configuration. Pour l’europium `a l’inverse, c’est la valence Eu2+

qui est

stabilis´ee par la couche 4f semi-remplie. Dans les ions Ln3+ , la couche 4f n’est pas la plus

externe et les ´electrons 4fn _{interviennent peu dans la liaison chimique. Cet effet d’´ecran (par}

5s25p6) explique que les modifications ´energ´etiques des ´electrons 4fnsoient tr`es faibles lorsque

FIGUREII.1 – Les lanthanides dans la classification de Mendeleiev