Des chercheurs rapportent le développement de la nanoimagerie infrarouge hyperspectrale basée sur la nanospectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (nano-FTIR), permettant une imagerie spectroscopique hautement sensible de compositions chimiques avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique.

Un objectif en science des matériaux, la biomédecine et la nanotechnologie sont la cartographie compositionnelle non invasive de matériaux avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Il existe une variété de techniques d'imagerie à haute résolution (par exemple, microscopies électroniques ou à sonde à balayage), mais ils ne peuvent pas répondre aux exigences croissantes de haute, sensibilité chimique non invasive.

L'analyse chimique à l'échelle nanométrique est récemment devenue possible avec la spectroscopie nano-FTIR, une technique optique qui combine la microscopie optique à balayage en champ proche de type diffusion (s-SNOM) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). En éclairant la pointe métallisée d'un microscope à force atomique (AFM) avec un laser infrarouge à large bande ou un synchrotron et en analysant la lumière rétrodiffusée avec un spectromètre à transformée de Fourier spécialement conçu, la spectroscopie infrarouge locale avec une résolution spatiale inférieure à 20 nm a été démontrée. Cependant, seuls des spectres ponctuels ou des balayages linéaires spectroscopiques ne comportant pas plus de quelques dizaines de spectres nano-FTIR ont pu être réalisés sur des échantillons organiques, en raison des longs délais d'acquisition.

Maintenant, chercheurs du CIC nanoGUNE (Saint-Sébastien, Espagne), Ikerbasque (Bilbao, Espagne), Cidetec (Saint-Sébastien, Espagne) et le Robert Koch-Institut (Berlin, Allemagne) ont développé la nano-imagerie infrarouge hyperspectrale. La technique permet d'enregistrer des matrices bidimensionnelles de plusieurs milliers de spectres nano-FTIR - généralement appelés cubes de données hyperspectrales - en quelques heures, et avec une résolution spatiale et une précision supérieures à 30 nm.

"L'excellente qualité des données permet d'extraire des informations chimiques et structurelles à l'échelle nanométrique à l'aide de techniques statistiques (analyse de données multivariées) qui utilisent l'intégralité des informations spectroscopiques disponibles à chaque pixel, " dit Iban Amenabar, premier auteur de l'ouvrage. Même sans aucune information préalable sur l'échantillon et ses composants, les pixels avec des spectres infrarouges similaires peuvent être regroupés automatiquement à l'aide d'une analyse de cluster hiérarchique. Par imagerie et analyse d'un mélange de polymères à trois composants (Figure 1) et, les chercheurs ont obtenu des cartes chimiques à l'échelle nanométrique qui révèlent non seulement la distribution spatiale des composants individuels, mais également des anomalies spectrales qui s'expliquent par une interaction chimique locale. Le chercheur a également démontré in situ la nano-imagerie infrarouge hyperspectrale de la mélanine native dans les cheveux humains.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé le système commercial nano-FTIR de Neaspec GmbH comprenant un continuum laser dans l'infrarouge moyen qui couvre la gamme spectrale de 1000 à 1900 cm-1. L'analyse multivariée des données hyperspectrales a été réalisée avec l'outil logiciel CytoSpec, qui a été développé par le co-auteur Peter Lasch.

« Avec le développement rapide de lasers infrarouges moyens hautes performances et en appliquant des stratégies avancées de réduction du bruit, nous envisageons une nano-imagerie infrarouge hyperspectrale de haute qualité en quelques minutes, " conclut Rainer Hillenbrand, qui a dirigé les travaux. "Nous voyons un grand potentiel d'application dans divers domaines de la science et de la technologie, dont la cartographie chimique des composites polymères, produits pharmaceutiques, les matériaux nanocomposites organiques et inorganiques ou l'imagerie biomédicale des tissus, " il ajoute.