La technique de microscopie photothermique ultrasensible détecte des nanoparticules individuelles aussi petites que 5 nm

La détection de particules et de molécules individuelles a ouvert de nouveaux horizons dans les domaines de la chimie analytique, de l’imagerie cellulaire, des nanomatériaux et du diagnostic biomédical. Les méthodes traditionnelles de détection de molécules individuelles s’appuient largement sur des techniques de fluorescence, qui nécessitent le marquage des molécules cibles.

En revanche, la microscopie photothermique est apparue comme une technique d’imagerie prometteuse, non invasive et sans marquage. Cette méthode mesure les variations localisées de l’indice de réfraction de l’environnement d’un échantillon, résultant de l’absorption de la lumière par les composants de l’échantillon, ce qui induit des changements de température dans la région environnante. Les résonateurs WGM (Whispering Gallery Mode) sont des capteurs de température ultra-sensibles en raison de leurs facteurs de qualité (Q) ultra-élevés.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationsun groupe de recherche dirigé par le professeur Judith Su du Wyant College of Optical Sciences et du Département de génie biomédical de l’Université de l’Arizona a démontré une microscopie photothermique ultra-sensible sans marquage à l’aide de résonateurs optiques microtoroïdes WGM.

Cette technique permet de détecter des nanoparticules individuelles aussi petites que des points quantiques de 5 nm avec un rapport signal/bruit (SNR) supérieur à 10 000. Cette méthode améliore considérablement la sensibilité photothermique, atteignant une limite de détection de 0,75 pW en termes de dissipation de chaleur. Cette avancée permet la détection précise de molécules individuelles, mettant en évidence les capacités de la microscopie photothermique.

Le groupe de Su a déjà développé un système appelé Frequency Locked Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER), qui utilise le verrouillage de fréquence pour suivre le décalage de résonance des microcavités optiques. Ce système de microscopie photothermique utilise FLOWER pour mesurer le signal photothermique. Le décalage de résonance, excité par un laser à pompe à espace libre, est mesuré par le système.

Le laser de pompage, avec une modulation d’amplitude (AM) de 203,7 Hz, illumine le microtoroïde à travers un système de balayage à miroir galvanométrique. L’oscillation de 203,7 Hz résultant du décalage de résonance est détectée par FLOWER. Un amplificateur de verrouillage est utilisé pour mesurer l’amplitude de l’oscillation du décalage de résonance. Un balayage spatial 2D du laser de pompage génère une image photothermique du microtoroïde, avec des points photothermiques élevés utilisés pour détecter les nanoparticules individuelles.

Les chercheurs envisagent le potentiel de la microscopie photothermique et affirment : « De plus, les avancées futures pourraient impliquer des mesures spectroscopiques en faisant varier la longueur d’onde du laser de pompage ou en l’excitant avec différentes longueurs d’onde pour permettre une imagerie multicolore. Dans les travaux futurs, bien que cela ne soit pas nécessaire pour de nombreuses applications, nous pouvons également combiner ce système avec des agents de capture spécifiques tels que des aptamères ou des polymères sorbants pour fournir une spécificité améliorée.

« L’intégration de la microscopie photothermique avec FLOWER ouvre des possibilités d’observation en temps réel des changements dynamiques et des interactions des molécules cibles. Nous pensons que dans l’ensemble, la microscopie photothermique basée sur FLOWER représente une plate-forme polyvalente pour l’imagerie sans marquage et la détection de molécules individuelles. Les capacités de sensibilité et de discrimination élevées démontrées ouvrent la voie à des avancées dans les techniques d’imagerie et de caractérisation à l’échelle nanométrique. »