Brevet FR2827959A1 — publié le 20030131

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation. La spectroscopie par corrélation de fluorescence ("Fluorescence correlation spectroscopy"-FCS) consiste en l'observation de la fluorescence émise par un très petit volume d'un échantillon comprenant un milieu liquide dans lequel est placé un ensemble de particules à analyser. Ce volume est défini par l'interaction entre un faisceau lumineux d'excitation et l'échantillon et est connu sous le terme de"volume de collection". En moyenne, seulement un nombre très faible de particules fluorescentes se trouvent comprises dans ce volume de collection. Le nombre de particules varie d'ailleurs statistiquement autour de cette valeur moyenne soit par diffusion thermique dans le cas d'un liquide statique soit par déplacement collectif dans le cas d'un liquide en mouvement. Le nombre variable de particules fluorescentes dans le volume de collection se traduit par des variations de l'intensité de fluorescence avec le temps. Dans la spectroscopie FCS, un microscope confocal comprenant un système optique de focalisation reçoit un faisceau lumineux émis par un laser et le focalise sur un échantillon. Ce microscope comprend un sténopé placé dans un plan intermédiaire image de sorte que le microscope conjugue le plan de focalisation du faisceau d'excitation avec l'ouverture variable du sténopé. Ainsi le volume de collection est-il restreint à un très petit volume de l'échantillon. L'obtention de grandeurs physiques liées aux particules à analyser (coefficient de diffusion D de l'espèce d'intérêt relié au temps de diffusion 'Cd observé, concentration liée au nombre M de particules dans le volume de collection) nécessite un calibrage précis de ce volume de collection. Or, ce calibrage est réalisé par l'emploi de solutions de référence et fluctue dans le temps et d'une machine sur l'autre. D'autre part, la collection de la luminescence est limitée par l'ouverture numérique du système optique de focalisation du microscope utilisé. Cette collection définie le signal mesuré par molécule et fixe le temps d'intégration (durée de la mesure) pour obtenir un signal exploitable. Le nombre de particules dans le volume de collection étant très faible, les temps d'acquisition des données sont très longs. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un dispositif optique et un procédé de mesure, simples dans leur conception et dans leur mode opératoire permettant la mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation en un temps court par augmentation significative du signal collecté par molécule d'une part et permettant, d'autre part, de résoudre le problème de la définition du volume de collection. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation comprenant un microscope confocal comportant un système optique de focalisation dont le champ définit un volume de collection, des moyens aptes à produire un faisceau d'excitation et à le diriger sur l'échantillon au travers du microscope, des moyens de détection de l'intensité du flux lumineux produit par l'interaction du faisceau d'excitation sur l'échantillon et collecté par le microscope, des moyens de traitement du signal produit par les moyens de détection. Selon l'invention, le dispositif comporte une structure photonique augmentant le flux lumineux collecté, placée au foyer du système optique de focalisation du microscope et formant des franges d'interférence dans le volume de collection. Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - la structure photonique est un miroir diélectrique résistant à l'eau, - le miroir diélectrique comprend un empilement de couches en Ta20s et en Si02, - la structure photonique est un miroir métallique résistant à l'eau, - le miroir métallique est en aluminium, - le miroir métallique est en argent, - la structure photonique a un coefficient de réflexion r d'au moins 99% pour le faisceau d'excitation et le flux lumineux produit par l'interaction, - les moyens pour diriger ledit faisceau lumineux d'excitation comprennent un dispositif optique pour réfléchir le faisceau lumineux issu de la source de lumière vers le système optique de focalisation du microscope, ledit dispositif optique ayant un facteur de transmission 1 : maximal pour le flux lumineux produit par l'interaction du faisceau d'excitation sur l'échantillon, - le dispositif optique pour réfléchir le faisceau lumineux issu de la source de lumière est un miroir dichroïque placé à 45 du faisceau incident, - la source de lumière est un laser. L'invention concerne également un procédé de mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation dans lequel un volume de collection est délimité par le champ d'un microscope confocale comportant un système optique de focalisation Selon l'invention : - une structure photonique augmentant le flux lumineux collecté, est placée au foyer du système optique de focalisation du microscope pour former des franges d'interférence dans le volume de collection, - on mesure l'intensité du flux lumineux produite par l'échantillon au travers du microscope en fonction du temps, - on réalise une autocorrélation temporelle de cette intensité pour produire un signal de corrélation, - on extrait un premier et un deuxième temps caractéristique du signal de corrélation * le premier temps dépendant du volume de mesure défini par le champ du microscope, 'le deuxième temps dépendant de l'interfrange des franges d'interférence, - on produit la mesure à partir du deuxième temps caractéristique. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure d'un échantillon, selon l'invention ; - la figure 2 est une étude théorique démontrant l'existence d'un temps de diffusion associé à la présence de franges créées par une structure photonique : Fig. 2a) représente la courbe de diffusion théorique attendue de la Cyanine 5 en l'absence de franges d'interférence et Fig. 2b) représente la fonction de corrélation g2 en fonction du temps, en présence de franges d'interférence ; - la figure 3 est un exemple de mise en oeuvre de l'invention à la diffusion en solution aqueuse de microsphères Crimson. Elle représente la fonction de corrélation g2 en fonction du temps obtenue expérimentalement dans deux cas distincts : en l'absence d'une structure photonique (absence de franges d'interférence) (Fig. 3a) et en présence d'une telle structure (présence de franges d'interférence) (Fig. 3b) ; Le dispositif de mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation, selon l'invention, comprend un microscope confocal 1. On entend par-échantillon 2-un milieu liquide, gazeux ou objet biologique contenant des particules 3 à analyser. Le microscope confocal 1 est un arrangement comprenant un microscope comportant un système optique de focalisation 4 et un sténopé 5 ayant une ouverture variable 6 placé dans un plan intermédiaire image de sorte que le microscope conjugue le plan de focalisation 7 d'un faisceau d'excitation 8 avec l'ouverture variable 6 du sténopé 5. Ainsi le volume de collection 9 crée par l'interaction entre le faisceau d'excitation 8 et l'échantillon 2 est-il restreint à un très petit volume de l'échantillon 2. Ce volume de collection 9 est placé dans le plan de focalisation 7 du système optique de focalisation 4. Dans un mode de réalisation, le système optique de focalisation 4 est un objectif. Dans un autre mode de réalisation, le système optique de focalisation 4 est une lentille. Le faisceau d'excitation 8 est émis par une source de lumière 10. Cette source 10 est avantageusement un laser. Dans un mode de réalisation préféré, cette source 10 est un laser HeNe opérant à une longueur d'onde À = 633nm. Le dispositif comprend également des moyens 11 aptes à diriger le faisceau d'excitation 8 sur l'échantillon 2 au travers du microscope. Ces moyens 11 pour diriger ledit faisceau lumineux d'excitation 8 comprennent des lentilles et un dispositif optique 12 pour réfléchir le faisceau lumineux 8 issu de la source de lumière 10 vers le système optique de focalisation 4 du microscope. Dans le plan focal 7 du système optique de focalisation 4 du microscope, l'interaction du faisceau d'excitation 8 avec l'échantillon 2 crée un volume de collection 9. Chaque particule 3 d'intérêt qui diffuse dans le volume de collection 9 émet par fluorescence un flux lumineux 13. Le système optique de focalisation 4 du microscope permet également de collecter le flux lumineux 13 résultant de l'interaction du faisceau d'excitation 8 avec l'échantillon 2. Ce flux lumineux 13 est envoyé vers des moyens de détection 14 au travers du microscope. Le dispositif optique 12 a, dans un mode de réalisation préféré, un facteur de transmission T maximal pour le flux lumineux 13 produit par l'interaction du faisceau d'excitation 8 sur l'échantillon 2. Le dispositif optique 12 est avantageusement un miroir dichroïque et passe-bande placé à 45 du faisceau incident. Dans un mode de réalisation, la largeur de bande est centrée sur une longueur d'onde Ài de façon à transmettre le flux lumineux 13 produit par l'interaction du faisceau d'excitation 8 sur l'échantillon 2 mais à bloquer le flux lumineux d'excitation 8. Les moyens de détection 14 de l'intensité du flux lumineux 13 produit par l'interaction du faisceau d'excitation 8 sur l'échantillon 2 et collecté par le microscope comprennent dans un mode de réalisation des photodétecteurs. Ces photodétecteurs sont avantageusement des photodiodes fonctionnant en régime d'avalanche. Le signal issu des moyens de détection 14 est envoyé vers des moyens de traitement 15 du signal. Ces moyens 15 comportent avantageusement un compteur et un correlateur 16 qui permet de traiter numériquement les données reçues. Le dispositif comprend également des moyens de positionnement 17 précis dudit échantillon 2. Dans un mode de réalisation, ces moyens de positionnement 17 comportent un ensemble de platines de translation (x, y, z) permettant de déplacer l'échantillon 2 par rapport au plan focal 7 du système optique de focalisation 4 du microscope. L'échantillon 2 est enfermé dans une boîte étanche 18 dont les parois latérales 19-22 sont formées par des cales autocollantes d'épaisseur d résistantes à l'eau. L'épaisseur d de ces cales est comprise entre 50 et 100 ; j. m. Le sommet de ladite boite 18 comporte avantageusement une lamelle de microscope 23 d'épaisseur d et d'indice optique no. L'épaisseur d de la lamelle 23 est comprise entre 100 et 200 Il m. Le fond de la boîte 18 est réalisé par une structure photonique 24. Dans un mode de réalisation préféré, cette structure photonique 24 a un coefficient de réflexion r d'au moins 99% pour le faisceau d'excitation 8 et le flux lumineux 13 produit par l'interaction. Elle est placée avantageusement au plan focal 7 du système optique de focalisation 4 du microscope par déplacement de la boite étanche 18 grâce aux moyens de positionnement de précision 17. Des franges d'interférence 25 sont alors créées dans le volume de collection 9. Les particules d'intérêt 3 voyageant dans ces franges d'interférences 25 vont donc émettre un flux lumineux 13 dont la durée dépend de l'interfrange. Le dispositif de mesure permet de définir très précisément ce volume de collection qui est directement relié à l'interfrange de la figure d'interférence créée et vaut (,/2n) où A est la longueur d'onde du faisceau lumineux d'excitation 8 et n indice du milieu. Ceci conduit à l'apparition d'un temps de diffusion dans la correlation temporelle des particules d'intérêts 3 dans le volume de collection 9 ne dépendant que de la longueur d'onde A du faisceau d'excitation 8 utilisé et du coefficient de diffusion des particules 3. D'autre part, la structure photonique 24 permet d'exalter le flux lumineux 13 produit par l'interaction dans l'ouverture numérique du système optique de focalisation 4. On augmente ainsi d'un facteur supérieur à deux le flux lumineux 13 collecté par particule 3. L'exaltation du flux lumineux 13 correspond à une augmentation du flux collectée provenant de la source. Dans un premier mode de réalisation, la structure photonique 24 est un miroir diélectrique résistant à l'eau. Avantageusement, le miroir 24 est constitué d'un empilement de 16 couches de type (HB) B où H désigne une couche de Tas d'épaisseur optique Ao/4 et B une couche de Si02 d'épaisseur optique Ao/4. Le miroir 24 est constitué dans d'autres modes de réalisation et à titre d'exemples, à partir d'un empilement de couches prises parmi les couples suivants : TiOz/SiOz, Hf02/Si02. o est une longueur d'onde de contrôle utilisée lors de la fabrication du miroir diélectrique. AO est ajustée pour que la structure photonique 24 soit réfléchissante pour le faisceau d'excitation 8 et pour le flux lumineux 13 produit par l'interaction. Dans un deuxième mode de réalisation, la structure photonique 24 est un miroir métallique résistant à l'eau. Le miroir est réalisé, à titre d'exemples, dans un matériau pris parmi l'aluminium (Al), l'argent (Ag) et le tungstène (W). L'invention ne saurait être limitée à la description qui précède et est susceptible de modifications avec l'évolution des technologies. Des substitutions et/ou des modifications dans la structure générale et dans les détails du présent dispositif peuvent être réalisées par un homme du métier sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Ainsi les particules 3 à analyser ne sont pas forcement luminescentes mais présentent dans d'autres modes de réalisation un pouvoir réfléchissant pour le flux lumineux d'excitation 8 (cas de la granulométrie). L'invention concerne également un procédé de mesure d'un échantillon 2 par spectroscopie par corrélation dans lequel un volume de collection 9 est délimité par le champ d'un microscope confocal 1 comportant un système optique de focalisation 4. Dans un mode de réalisation, le système optique de focalisation 4 est une lentille. Dans un mode de réalisation, le système optique de focalisation 4 est un objectif. On place une structure photonique 24 augmentant le flux lumineux 13 collecté, au foyer du système optique de focalisation 4 d'un microscope pour former des franges d'interférence 25 dans le volume de collection 9. Chaque particule d'intérêt 3 qui diffuse dans le volume de collection 9 éclairé émet un flux lumineux 13 suite à son interaction avec le flux lumineux d'excitation 8. La durée de ce flux lumineux 13 indique le temps passé par la particule 3 dans le volume de collection 9. On mesure l'intensité du flux lumineux 13 produite par l'échantillon 2 au travers du microscope en fonction du temps au moyen de photodétecteurs 14. Ces photodétecteurs 14 sont avantageusement des photodiodes fonctionnant en régime d'avalanches. Comme la diffusion des particules 3 est un processus aléatoire, les événements de diffusion doivent être moyennes pour fournir une information statistiquement fiable. C'est le rôle du corrélateur 16 qui construit la fonction de corrélation à partir de l'intensité I (t). Cette dernière s'écrit : On a donc réalisé une autocorrélation temporelle de cette intensité I (t) pour produire un signal de corrélation. On extrait ensuite un premier et un deuxième temps caractéristique du signal de corrélation . le premier temps dépendant du volume de mesure défini par le champ du microscope, * le deuxième temps dépendant de l'interfrange des franges d'interférence, On produit enfin la mesure à partir du deuxième temps caractéristique. Dans le cas d'un volume de collection confocal 9 sans structure photonique 24, la fonction de corrélation permet de déterminer le temps de diffusion'Cd de l'espèce d'intérêt 3 et le nombre M de particules 3 dans le volume de collection 9. Si l'on connaît les caractéristiques géométriques du volume de collection 9, on peut alors déterminer le coefficient de diffusion translationnel D et le nombre de molécules M. Le coefficient de diffusion est un paramètre permettant de distinguer les différentes espèces 3 émettant un flux lumineux 13 en solution (ligands libres ou liés par exemple). Dans le cas d'un volume de collection 9 gaussien allongé dans la direction parallèle à l'axe optique, on peut montrer que T : d=w/4D où Wi désigne l'extension transverse (waist) du faisceau d'excitation 8 dans le plan focal 7 du système optique de focalisation 4. Une approche théorique a été développée pour démontrer l'existence d'un temps de diffusion Tf associée à la diffusion dans les franges 25, lesdites franges 25 étant produites par un microscope confocal 1 comportant une structure photonique 24. Considérons en premier lieu que le volume de collection 9 est gaussien d'extension spatiale du type où Wt (respectivement Wi) désigne le waist transverse (respectivement longitudinal). Dans le cas d'une diffusion brownienne sans structure photonique, la fonction de corrélation s'écrit où M désigne le nombre moyen de particules 3 dans le volume de collection 9 et te le temps de diffusion transverse (Td = Wt2/4D). La figure 2a) montre la courbe théorique attendue pour la diffusion de la Cyanine 5 (avec wt= 0,6 um, Wl = 6 m et M=1). L'axe des abscisses 26 représente l'axe des temps (s) et l'axe des ordonnées 27 représente la fonction de corrélation g2. Plaçons à présent dans le plan focal 7 du système optique de focalisation 4 du microscope une structure photonique 24. Ladite structure 24 réfléchit le faisceau lumineux d'excitation 8 et produit des franges d'interférences 25 d'interfrange À/ (2n) (À longueur d'onde du faisceau lumineux d'excitation 8 et n l'indice du milieu), qui modulent longitudinalement la répartition d'intensité du volume de collection 9 confocal Nous avons déterminé numériquement la fonction de corrélation résultant d'une telle modulation. La courbe numérique obtenue peut être ajustée à l'aide de la fonction : Cette expression fait clairement apparaître un temps de diffusion 11 associé à la diffusion dans les franges 25 (Figure 2b)). On montre que : Le procédé de mesure selon l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en oeuvre présentées dans les exemples suivants et faisant ressortir la qualité des résultats obtenus. EXEMPLE 1 Le procédé a été mis en oeuvre afin d'étudier par FCS la diffusion en solution aqueuse de microsphères fluorescentes de 100 nm de rayon (Crimson Molecular Probes FluoSpheres). Une source laser 10 He-Ne a été utilisée pour obtenir la fluorescence des microsphères Crimson (longueurs d'onde d'excitation/émission = 625/645 u, m). La figure 3 montre les fonctions de corrélation obtenues en l'absence (3a)) et en présence d'une structure photonique 24 (3b)). Les courbes ont été ajustées (traits noirs pleins 28) afin d'en déduire le temps de diffusion 11. Ces ajustements ont été réalisés à l'aide des fonctions (1) et (2). L'axe des abscisses 26 représente l'axe des temps (, us) et l'axe des ordonnées 27 représente la fonction de corrélation g2. En l'absence de la structure photonique 24 (ou en sa présence si le plan focal 7 du système optique de focalisation 4 est"loin"de ladite structure 24-quelques dizaines de p, m) le temps de diffusion 11 vaut 2,6 ms (à 0.1 ms près). En présence d'une structure photonique 24 et si le plan focal 7 du système optique de focalisation 4 est confondu avec la surface de ladite structure photonique 24, un second temps de diffusion 11 apparaît : 11 vaut 57 s (à 5 ilS près). Nous pouvons déduire de 11 le coefficient de diffusion des microsphères dans l'eau (n=1. 33) : Ce résultat est en excellent accord avec la valeur donnée par la formule de Stokes, qui relie le coefficient de diffusion d'une sphère de rayon R à la viscosité du milieu et à l'énergie thermique : En outre les temps de diffusion Td et Tf sont dans le rapport attendu : EXEMPLE 2 Cette seconde expérience démontre qu'il est possible d'utiliser une structure photonique pour étudier finement la diffusion de protéines. Une série d'expériences a été conduite sur la streptavidine marquée par la cyanine 5. Les résultats marquants sont les suivants. Détection exaltée - Le taux de comptage est augmenté par un facteur 3 : pour une puissance au point focal de 1 Mwatt/cm2, le taux de comptage par molécule passe de 2,3 kHz en l'absence de la structure photonique à 6,8 kHz en sa présence. Cette augmentation de signal permet une construction plus rapide de la fonction de corrélation (gain de temps dans l'analyse). Analyse de la diffusion - En l'absence de la structure photonique 24 la fonction de corrélation présente deux temps caractéristiques : un est associé à la diffusion de la streptavidine dans le volume confocal (#d=5700 s), le second est lié aux propriétés photophysiques intrinsèques de la Cyanine 5 (état triplet et isomérisation 1d = 18 plus). - En présence de la structure photonique 24, la fonction de corrélation montre un troisième temps-cf (-cf = 135 iis) associé aux franges d'interférences 25, qui peut être déterminé avec précision dès lors que le temps triplet est caractérisé. A nouveau, ces résultats présentent un bon accord avec la théorie : REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'un échantillon (2) par spectroscopie par corrélation comprenant : - un microscope confocal (1) comportant un système optique de focalisation (4) dont le champ définit un volume de collection (9), - des moyens (10) aptes à produire un faisceau d'excitation (8) et à le diriger sur l'échantillon (2) au travers du microscope, - des moyens de détection (14) de l'intensité du flux lumineux (13) produit par l'interaction du faisceau d'excitation (8) sur l'échantillon (2) et collecté par le microscope, - des moyens de traitement (15) du signal produit par les moyens de détection (14), caractérisé en ce qu'il comporte une structure photonique (24) augmentant le flux lumineux (13) collecté, placée au foyer (7) du système optique de focalisation (4) du microscope et formant des franges d'interférence (25) dans le volume de collection (9). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure photonique (24) est un miroir diélectrique résistant à l'eau. 3. Dispositif de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir diélectrique comprend un empilement de couches en Ta205 et en Si02. 4. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure photonique (24) est un miroir métallique résistant à l'eau, 5. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir métallique est en aluminium, 6. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir métallique est en argent, 7. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la structure photonique (24) a un coefficient de réflexion r d'au moins 99% pour le faisceau d'excitation (8) et le flux lumineux (13) produit par l'interaction. 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens (11) pour diriger ledit faisceau lumineux d'excitation (8) comprennent un dispositif optique (12) pour réfléchir le faisceau lumineux (8) issu de la source de lumière (10) vers le système optique de focalisation (4) du microscope, ledit dispositif optique (12) ayant un facteur de transmission T maximal pour le flux lumineux (13) produit par l'interaction du faisceau d'excitation (8) sur l'échantillon (2), 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif optique (12) pour réfléchir le faisceau lumineux (8) issu de la source de lumière (10) est un miroir dichroïque placé à 45 du faisceau incident (8). 10. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé la source de lumière (10) est un laser. 11. Procédé de mesure d'un échantillon par spectroscopie par corrélation dans lequel un volume de collection (9) est délimité par le champ d'un microscope confocal (1) comportant un système optique de focalisation (4), caractérisé en ce que - une structure photonique (24) augmentant le flux lumineux (13) collecté, est placée au foyer (7) du système optique de focalisation (4) du microscope pour former des franges d'interférence (25) dans le volume de collection (9), - on mesure l'intensité du flux lumineux (13) produite par l'échantillon (2) au travers du microscope en fonction du temps, - on réalise une autocorrélation temporelle de cette intensité pour produire un signal de corrélation, - on extrait un premier et un deuxième temps caractéristique du signal de corrélation * le premier temps dépendant du volume de mesure (9) défini par le champ du microscope, . le deuxième temps dépendant de l'interfrange des franges d'interférence (25), - on produit la mesure à partir du deuxième temps caractéristique.