Microscopie optique photothermique - Photothermal optical microscopy

La microscopie optique photothermique / « microscopie photothermique à particules uniques » est une technique basée sur la détection de marqueurs non fluorescents . Il repose sur les propriétés d'absorption des marqueurs ( nanoparticules d'or , nanocristaux semi - conducteurs , etc.), et peut être réalisé sur un microscope conventionnel en utilisant un faisceau de chauffage modulé résonant, un faisceau de sonde non résonant et une détection verrouillée de signaux photothermiques à partir d'une seule nanoparticule. . C'est l'extension de la spectroscopie photothermique macroscopique au domaine nanoscopique. La haute sensibilité et sélectivité de la microscopie photothermique permet même la détection de molécules uniques par leur absorption. Semblable à la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), le signal photothermique peut être enregistré par rapport au temps pour étudier les caractéristiques de diffusion et d'advection des nanoparticules absorbantes dans une solution. Cette technique est appelée spectroscopie de corrélation photothermique (PhoCS).

Schéma de détection directe

Dans ce schéma de détection, un échantillon à balayage conventionnel ou un microscope à transmission à balayage laser est utilisé. Le faisceau laser chauffant et le faisceau laser de sondage sont tous deux alignés coaxialement et superposés à l'aide d'un miroir dichroïque . Les deux faisceaux sont focalisés sur un échantillon, généralement via un objectif de microscope à éclairage NA élevé, et récupérés à l'aide d'un objectif de microscope de détection. Le faisceau transmis ainsi collimaté est ensuite imagé sur une photodiode après filtrage du faisceau chauffant. Le signal photothermique est alors la variation de la puissance du faisceau sonde transmise due au chauffage laser. Pour augmenter le rapport signal sur bruit, une technique de verrouillage peut être utilisée. A cet effet, le faisceau laser chauffant est modulé à une fréquence élevée de l'ordre du MHz et la puissance détectée du faisceau sonde est alors démodulée sur la même fréquence. Pour les mesures quantitatives, le signal photothermique peut être normalisé à la puissance détectée de fond (qui est généralement beaucoup plus grande que le changement ), définissant ainsi le signal photothermique relatif${\style d'affichage \Delta }$${\style d'affichage P_{d}}$${\style d'affichage P_{d,0}}$${\displaystyle \Delta P_{d}}$${\style d'affichage \Phi }$

${\displaystyle \Phi ={\frac {\Delta P_{d}}{P_{d,0}}}={\frac {P_{d}\left({\text{faisceau chauffant allumé}}\right) -P_{d}\left({\text{faisceau de chauffage éteint}}\right)}{P_{d}\left({\text{background, no particule}}\right)}}}$

Mécanisme de détection

La base physique du signal photothermique dans le schéma de détection de transmission est l'action de lentille du profil d'indice de réfraction qui est créé lors de l'absorption de la puissance laser chauffante par la nanoparticule. Le signal est homodyne dans le sens où un signal de différence en régime permanent rend compte du mécanisme et l'auto-interférence du champ diffusé vers l'avant avec le faisceau transmis correspond à une redistribution d'énergie comme prévu pour une lentille simple. La lentille est une particule d'indice de réfraction Gadient (GRIN) déterminée par le profil d'indice de réfraction 1/r établi en raison du profil de température de la source ponctuelle autour de la nanoparticule. Pour une nanoparticule de rayon noyée dans un milieu homogène d'indice de réfraction avec un coefficient de thermoréfraction, le profil d'indice de réfraction s'écrit : ${\style d'affichage R}$${\style d'affichage n_{0}}$${\displaystyle \mathrm {d} n/\mathrm {d} T}$

${\displaystyle n\left(\mathbf {r} \right)=n_{0}+{\frac {\mathrm {d} n}{\mathrm {d} T}}\Delta T\left(\mathbf { r} \right)=n_{0}+\Delta n{\frac {R}{r}}}$

dans lequel le contraste de la lentille thermique est déterminé par la section efficace d' absorption des nanoparticules à la longueur d'onde du faisceau chauffant, l'intensité du faisceau chauffant au point de la particule et la conductivité thermique du milieu d'enrobage via . Bien que le signal puisse être bien expliqué dans un cadre de diffusion, la description la plus intuitive peut être trouvée par une analogie intuitive avec la diffusion coulombienne des paquets d'ondes en physique des particules. ${\displaystyle \sigma _{\rm {abs}}}$${\displaystyle I_{h}}$ ${\style d'affichage \kappa }$${\displaystyle \Delta n=\left(\mathrm {d} n/\mathrm {d} T\right)\sigma _{\rm {abs}}I_{h}/4\pi \kappa R}$

Schéma de détection en arrière

Dans ce schéma de détection, un échantillon à balayage conventionnel ou un microscope à transmission à balayage laser est utilisé. Le faisceau laser chauffant et le faisceau laser de sondage sont tous deux alignés coaxialement et superposés à l'aide d'un miroir dichroïque . Les deux faisceaux sont focalisés sur un échantillon, généralement via un objectif de microscope à éclairage NA élevé. Alternativement, le faisceau-sonde peut être déplacé latéralement par rapport au faisceau chauffant. La puissance du faisceau de sonde rétroréfléchie est ensuite imagée sur une photodiode et le changement induit par le faisceau chauffant fournit le signal photothermique

Mécanisme de détection

La détection est hétérodyne dans le sens où le champ diffusé du faisceau de sonde par la lentille thermique interfère dans le sens arrière avec une partie rétroréfléchie bien définie du faisceau de sonde d'incidence.

Les références