Des chercheurs ont mis au point un microscope capable d'identifier chimiquement des particules individuelles de la taille d'un micron. La nouvelle approche pourrait un jour être utilisée dans les aéroports ou d'autres lieux de haute sécurité comme un moyen très sensible et peu coûteux de dépister rapidement les personnes à la recherche de quantités microscopiques de matières potentiellement dangereuses.

Dans la revue Lettres d'optique , de la Société d'optique (OSA), chercheurs du laboratoire Lincoln du Massachusetts Institute of Technology, ETATS-UNIS, ont démontré leur nouveau microscope en mesurant les spectres infrarouges de sphères individuelles de 3 microns en silice ou en acrylique. La nouvelle technique utilise une configuration optique simple composée de composants compacts qui permettront à l'instrument d'être miniaturisé en un appareil portable de la taille d'une boîte à chaussures.

"L'avantage le plus important de notre nouvelle technique est sa haute sensibilité, conception pourtant remarquablement simple, " a déclaré Ryan Sullenberger, personnel associé au MIT Lincoln Labs et premier auteur de l'article. "Il offre de nouvelles opportunités pour l'analyse chimique non destructive tout en ouvrant la voie à une instrumentation ultra-sensible et plus compacte."

La capacité du microscope à identifier des particules individuelles pourrait le rendre utile pour la détection rapide de menaces chimiques ou de substances contrôlées. Sa haute sensibilité est également idéale pour l'analyse scientifique de très petits échantillons ou pour mesurer les propriétés optiques des matériaux.

Sonder les empreintes spectrales

La spectroscopie infrarouge est généralement utilisée pour identifier des matériaux inconnus car presque chaque matériau peut être identifié par son spectre d'absorption infrarouge unique, ou empreinte digitale. La nouvelle méthode détecte cette empreinte infrarouge sans utiliser de détecteurs infrarouges. Ces détecteurs ajoutent un volume important aux instruments traditionnels, ce qui est limitatif pour les appareils portables en raison de leur besoin de refroidissement.

La nouvelle technique fonctionne en illuminant les particules à la fois avec un laser infrarouge et un laser vert. Le laser infrarouge dépose de l'énergie dans les particules, les faisant chauffer et se dilater. La lumière laser verte est ensuite diffusée par ces particules chauffées. Une caméra à longueur d'onde visible est utilisée pour surveiller cette diffusion, suivi des changements physiques des particules individuelles à travers la lentille du microscope.

L'instrument peut être utilisé pour identifier la composition matérielle de particules individuelles en réglant le laser infrarouge sur différentes longueurs d'onde et en collectant la lumière diffusée visible à chaque longueur d'onde. Le léger échauffement des particules n'apporte aucune modification permanente au matériau, rendant la technique idéale pour l'analyse non destructive.

La capacité d'exciter des particules avec de la lumière infrarouge, puis d'observer leur diffusion avec des longueurs d'onde visibles - un processus appelé modulation photothermique de la diffusion de Mie - est utilisée depuis les années 1980. Ce nouveau travail utilise des composants optiques plus avancés pour créer et détecter la diffusion Mie et est le premier à utiliser une configuration d'imagerie pour détecter plusieurs espèces de particules.

"Nous imaginons en fait la zone que nous interrogeons, " a déclaré Alexandre Stolyarov, personnel technique et co-auteur de l'article. "Cela signifie que nous pouvons sonder simultanément plusieurs particules à la surface en même temps."

L'utilisation par le nouveau microscope des longueurs d'onde visibles pour l'imagerie lui confère une résolution spatiale d'environ 1 micron, par rapport à la résolution d'environ 10 microns des méthodes de spectroscopie infrarouge traditionnelles. Cette résolution accrue permet à la nouvelle technique de distinguer et d'identifier des particules individuelles extrêmement petites et proches les unes des autres.

"S'il y a deux particules très différentes dans le champ de vision, nous sommes en mesure d'identifier chacun d'eux, " a déclaré Stolyarov. " Cela ne serait jamais possible avec une technique infrarouge conventionnelle car l'image serait indiscernable. "

Compact, laser infrarouge accordable

Le développement de compacts, les lasers infrarouges à cascade quantique accordables étaient une technologie clé pour la nouvelle technique. Les chercheurs ont combiné un laser à cascade quantique avec une source laser visible très stable et une caméra de qualité scientifique disponible dans le commerce.

"Nous espérons voir une amélioration des lasers à cascade quantique accordables en longueur d'onde de haute puissance, " a déclaré Sullenberger. " Un laser infrarouge plus puissant nous permet d'interroger de plus grandes zones dans le même laps de temps, permettant à plus de particules d'être sondées simultanément."

Les chercheurs prévoient de tester leur microscope sur des matériaux supplémentaires, y compris les particules qui ne sont pas de forme sphérique. Ils souhaitent également tester leur configuration dans des environnements plus réalistes pouvant contenir des interférents sous la forme de particules qui ne proviennent pas du produit chimique d'intérêt.

"La présence d'interférents est peut-être le plus grand défi que je prévois que nous devrons surmonter, " a déclaré Stolyarov. " Bien que la contamination soit un problème pour toute technique mesurant l'absorption de petites quantités de matériaux, Je pense que notre technique peut résoudre ce problème en raison de sa capacité à sonder une particule à la fois."