Brevet FR2964469A1 — publié le 20120309

SUBSTRAT REVETU DE NANOPARTICULES, ET SON UTILISATION POUR LA DETECTION DE MOLECULES ISOLEES. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte au domaine des substrats ou autres supports dont une face présente des nanoparticules ayant notamment une forme et une fonction spécifique, ainsi que les utilisations qui en découlent. [0002]En particulier l'invention vise le domaine de la détection et/ou de la mesure de molécules à l'état de traces, dans des milieux liquides ou non. Plus précisément pour la détection de faibles quantités de molécules dont on cherche à exalter la réponse optique. L'invention s'applique en outre au domaine du transport d'information optique encore appelé « plasmonique ». [0003]L'invention concerne notamment la détection de polluants en milieu aqueux, de contaminants ou de biomarqueurs dans le domaine médical, de systèmes biologiques dans le domaine alimentaire ou agro alimentaire ; et bien d'autres applications où il s'agit notamment de détecter de façon rapide, simple et fiable des traces d'un type de molécules dans un milieu donné. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0004] Dans le document WO 2008/117087 on divulgue des biocapteurs permettant de détecter des molécules sensibles à la résonance plasmon et à la polarisation, les biocapteurs comprenant un substrat transparent ayant une surface portant un ensemble de « zones » métallisées, nano ou micro structurées, pour la détection par résonance plasmon. Chaque « zone » est en fait constituée d'une pluralité de nanoparticules métalliques dont les formes et dimensions sont adaptées à des molécules fonctionnelles c'est-à-dire correspondant à des cibles biologiques, chimiques ou biochimiques. Les nanoparticules métalliques peuvent présenter la forme de nanoantennes elliptiques telles que des nanorods ou des nanofils dont l'une des dimensions est comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques dizaines de micromètres. Ce type de nanoparticules présente une grande sensibilité à la polarisation du faisceau incident ce qui pose problème. Cependant on peut adapter la géométrie et les dimensions de ce type de nanoparticules à une longueur d'onde de résonance souhaitée. [0005] Il est par ailleurs connu que les nanoparticules en forme de cylindres présentent une réponse optique linéaire qui ne dépend pas de la polarisation du champ incident ; cependant on ne peut pas accorder facilement leur longueur d'onde de résonance. On ne peut obtenir de résonance efficace avec des cylindres ayant un diamètre supérieur à environ 200 nanomètres. Pour ces dimensions de nanoparticules, le champ électromagnétique local perd de son efficacité. [0006] De façon connue la Diffusion Raman Exaltée de surface ( DRES ou SERS en anglais ) permet une exaltation importante du signal Raman de molécules déposées sur des surfaces métalliques nanostructurées. Cette propriété permet ainsi de détecter la présence et d'identifier de très faibles quantités de molécules, voire une seule molécule. L'effet d'exaltation est lié aux propriétés optiques des nanostructures métalliques et plus particulièrement aux plasmons de surface. Le document WO2005/043109 décrit un ensemble fonctionnel comprenant notamment un substrat pour des échantillons, et une méthode basés sur l'effet SERS. Ce système permet d'identifier de telles molécules qui font partie dudit échantillon, d'une façon simple et peu couteuse. [0007]Comme déjà dit les exaltations permettant de telles observations nécessitent des particules de formes allongées telles que des cylindres, fils, ellipses.. ou encore des structures couplées ( dimères ou autres ). Le principal inconvénient de ces géométries de nanostructures réside en ce que l'intensité et la position de la résonance de plasmon de surface sont fortement dépendantes de la polarisation de la lumière incidente. Ainsi de façon connue l'exaltation SERS est fortement dépendante de la polarisation. [0008]Pour des applications de l'effet SERS en tant que capteurs, cette polarisation de la lumière incidente implique de positionner le substrat dans la direction de la polarisation du faisceau excitateur, avec une grande précision, d'où la double contrainte de substrats adaptés et d'un opérateur expérimenté. En outre le système en lui-même doit maintenir la polarisation. De façon connue, les fibres optiques ne maintiennent pas la polarisation sur leur longueur ; ainsi il apparaît difficile d'utiliser l'effet SERS pour la détection de molécules, en utilisant des fibres optiques, la stabilité du signal étant quasi impossible à obtenir. [0009]Pour certaines applications telles que les mesures en milieu marin profond, le contrôle de la polarisation est très difficile voire impossible ; ainsi l'utilisation d'échantillons ayant un comportement fortement dépendant de la polarisation perturbe fortement les mesures dans ces cas d'application. [0010] Il doit être souligné que le problème de la dépendance à la polarisation des matériaux pour l'optique est connu depuis de nombreuses années, et seuls des études et développements relatifs aux propriétés de polarisation en optique non linéaire, pour des matériaux massifs, ont été menés avec succès jusqu'à présent. [0011]Par ailleurs la diffusion de type SERS dans un capteur nécessite une 15 grande accordabilité de la résonance plasmon et donc une souplesse de la géométrie et de la taille des nanostructures utilisées. [0012]Ainsi il est apparu intéressant et innovant de définir des substrats dits SERS donnant de fortes exaltations tout en restant apolaires c'est-à-dire dont la réponse optique linéaire ne dépend pas de la polarisation du champ incident. 20 EXPOSE DE L'INVENTION [0013] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à proposer des formes de nanoparticules dont la réponse optique linéaire ne dépend pas de la polarisation du champ incident. [0014]Pour ce faire est proposé selon un premier aspect de l'invention un 25 substrat présentant une face comportant des nanoparticules ou groupes de nanoparticules dont la réponse optique linéaire ne dépend pas de la polarisation du champ incident d'un faisceau de type Gaussien dont l'axe de propagation est dirigé perpendiculairement à ladite face du substrat. [0015] Par faisceau de type Gaussien on entend tous types de faisceaux ayant une forme dite Gaussienne, telle que cylindrique, conique ou autre ; par perpendiculaire on entend strictement perpendiculaire mais également sensiblement perpendiculaire c'est-à-dire écarté de quelques degrés autour de la perpendiculaire à la face en question. [0016]De façon caractéristique lesdites nanoparticules ou groupes de nanoparticules présentent une forme (pour les nano particules) ou une disposition (pour les groupes de particules) ayant un axe de symétrie perpendiculaire à ladite face de type Cn où n est supérieur ou égal à trois, de façon à permettre une forte exaltation dudit faisceau à proximité de ladite face. Si la particule ( ou nanoparticule vues ses dimensions) est invariante par rotation autour d'un axe perpendiculaire à la surface du substrat ( donc colinéaire à l'axe du faisceau incident ) d'un angle 2Pi/n, où n est supérieur ou égal à trois, alors la réponse optique linéaire ne dépend pas de la polarisation du faisceau. On appelle Cn cette symétrie d'ordre n vis-à-vis de l'axe de rotation. [0017]Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdites nanoparticules présentent dans leur majorité une forme en étoile ayant au moins trois branches. [0018] En outre selon l'invention, les nanoparticules peuvent être métalliques et/ou semi conductrices. Elles présentent préférentiellement une dimension 20 comprise entre le nanomètre et quelques dizaines de micromètres. [0019]En outre en fonction du réseau dans lequel lesdites nanoparticules sont incluses, une distance minimale de l'ordre de 200 nm, est prévue entre chacune desdites nanoparticules. Cette particularité sera explicitée ci-après. [0020]Par ailleurs le substrat est préférentiellement constitué d'un matériau 25 transparent aux longueurs d'onde des Ultra Violets, du visible et/ou de l'infrarouge. [0021]De façon intéressante la dimension desdites nanoparticules ou groupes de nanoparticules est choisie de façon à ce qu'elles soient accordées sur une longueur d'onde Lo du faisceau incident. [0022] Conformément à un mode spécifique de réalisation de l'invention, lesdites nanoparticules sont disposées sur au moins une partie dudit substrat, selon un pavage régulier ou quasi cristallin ou aléatoire. Dans ce contexte différentes variantes sont possibles sans sortir du cadre de l'invention [0023]Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit substrat est disposé â une extrémité d'une fibre optique de façon à permettre la réponse du système sur toute la longueur de la fibre optique. [0024]Dans le cas où le substrat est disposé dans un microscope, on cherche à obtenir la polarisation au niveau de tout l'objectif du microscope, indépendamment 10 de l'éclairage. [0025]L invention vise en outre l'utilisation de tels substrats pour la détection et/ou la mesure de molécules et/ou de cibles de type chimiques, biochimiques ou biologiques [0026]Avantageusement l'invention vise l'utilisation de tels substrats pour la 15 détection et/ou la mesure de molécules et/ou de supramolécules et/ou de particules dans un milieu aqueux et/ou biologique et/ou encore dans des fluides corporels tels que le sang. Selon ce dernier type d'application, des virus ou bactéries pourront être identifiés individuellement et/ou mesurés. Ainsi selon l'invention, on pourra mesurer des concentrations de molécules, particules ou 20 autres dans un milieu donné. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0027][001]D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures 25 annexées, qui illustrent ; la figure 1, une courbe donnant la position de la résonance plasmon LSPR) en fonction de l'angle de polarisation pour une nanoparticule de forme cylindrique ; - la figure 2, une courbe donnant la position de la résonance plasmon ( LSPR) en fonction de l'angle de polarisation pour une nanoparticule selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3, une courbe donnant l'intensité de la résonance plasmon en fonction de l'angle de polarisation pour une nanoparticule en forme d'ellipse ; - la figure 4, une courbe donnant l'intensité de la résonance plasmon en fonction de l'angle de polarisation pour une nanoparticule selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5, un exemple de nanoparticules utilisée selon l'invention ; et - la figure 6, un exemple de disposition de nanoparticules selon l'invention. [0028] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0029] De façon intéressante, on considère une nanoparticule fixée sur un substrat qui sera décrit plus loin. Dans le but d'exploiter les propriétés optiques de ladite nanoparticule, on utilise un faisceau plus ou moins convergent (de type Gaussien ) dont l'axe de propagation est normal à la surface du substrat portant ladite nanoparticule. [0030] Pour rappel un faisceau Gaussien est un faisceau issu d'une source ayant un profil qui obéit à une loi de Gauss. [0031] De façon spécifiquement innovante il a été démontré que si la particule ( ou nanoparticule vues ses dimensions) est invariante par rotation autour d'un axe perpendiculaire à la surface du substrat ( donc colinéaire à l'axe du faisceau incident ) d'un angle 2Pi/n, où n est supérieur ou égal à trois, alors la réponse optique linéaire ne dépend pas de la polarisation du faisceau. On appelle Cn cette symétrie d'ordre n vis-à-vis de l'axe de rotation, appellation couramment utilisée en théorie des groupes. [0032] Par ailleurs si les particules ou groupes de particules sont trop proches les unes des autres, elles ont tendance à se « coupler électromagnétiquement » ; ce phénomène apparaît dès lors qu'une distance dite de couplage entre les particules n'est pas respectée ; cette distance est couramment de l'ordre de 200 nm. Si les particules sont mutuellement disposées à une distance inférieure à la distance de couplage, elles ne sont plus apolaires et perdent leur symétrie d'ordre 3 ou plus. Par contre si, comme illustré sur la figure 6, les nanoparticules font partie d'un réseau hexagonal ( d'ordre égal à trois), alors la réponse reste bien indépendante de la polarisation. [0033]On est ici en présence de particules dont la polarisabilité est invariante par rotation de la polarisation, pour un faisceau incident dirigé perpendiculairement à la surface du substrat au point d'incidence. La démonstration mathématique pour un faisceau cylindrique (de type Gaussien donc ) est la suivante : [0034]La démonstration repose sur la possibilité d'exprimer un tenseur dans une base sphérique. On s'appuie essentiellement sur l'article de Jerphagnon, Chemla et Bonneville (Advances in physics, 1978). [0035] Dans le cadre des hypothèses données précédemment, la relation entre la polarisation de la nanoparticule et le champ électrique incident peut être donnée par: [0036] [0037]ou avec une notation plus générale ne faisant pas appel à une base cartésienne : = x - E [0038]a est un tenseur exprimant la polarisabilité de la nanoparticule. C'est la polarisabilité qui porte l'ensemble des propriétés optiques qui sont concernées par le cadre de l'invention. [0039]On a l'habitude d'exprimer a en coordonnées cartésiennes. Pour cette démonstration, nous choisissons une base sphérique avec Z pour axe de référence des coordonnées sphériques. [0040]En coordonnées cartésiennes, la base est constituée des 9 éléments En coordonnées sphériques, la décomposition se fait sur les éléments répondant à la même algèbre et ayant les mêmes propriétés que les harmoniques sphériques. [0041]On a alors [0042]a = [0043]Dans le cas de nanoparticules métalliques, on n'a pas à considérer aï ni {J 'qui ne sont pas physiques (dans ce cas, un changement de phase du champ de Pi donnerait une polarisabilité différente, ce qui n'a pas de sens). Il reste donc les termes «; (polarisabilité isotrope) et .a2z (éléments rendant compte de l'anisotropie). [0044]Si le système est invariant par une rotation d'angle 2Pi/n, on doit retrouver cette invariance dans la polarisabilité. Pour une rotation d'angle e autour de l'axe vertical, un coefficient a est multiplié pare' (élément des matrices de Wigner pour la rotation qui se simplifie quand la rotation a lieu autour de l'axe z, ce qui est notre cas). Donc si le système est conçu invariant par rotation d'angle 2Pi/n, on doit avoir * [0045]On voit directement que dans ces conditions, kr:ï peut être non nul uniquement si e-'27r' =1. [0046] Pour n>_ 3, seuls les cas m=n ou m=0 permettent . Ce tenseur n'a pas d'éléments avec m>=3, on a donc #0 seulement si m=0. Le tenseur de polarisabilité se simplifie donc en [0047] - ez 2 [0048]Chacun de ces éléments est invariant par rotation autour de l'axe Z, car 25 pour m=0 toute rotation de la particule (ou de la polarisation du faisceau incident) se traduit par une multiplication de ces éléments par =1. [0049]On a ainsi une particule de polarisabilité invariante par rotation de la polarisation du faisceau incident (pour un faisceau incident dirigé suivant z). Elle a donc les mêmes propriétés de polarisabilité qu'une particule à symétrie cylindrique (d'axe Oz). [0050]Enfin, remarquons que dans le cas d'un faisceau à ouverture numérique non nulle, mais dont l'axe optique est confondu avec l'axe de symétrie de la particule (Oz), la symétrie cylindrique est suffisante pour garantir une indépendance de la polarisabilité à la polarisation. [0051]La figure 1 illustre la position de la résonance plasmon en fonction de l'angle de polarisation pour une nanoparticule en forme de cylindre. Ce type de structure est, de façon connue, apolaire car elle est de symétrie cylindrique par rapport à l'axe de mesure perpendiculaire au substrat et donc confondu avec l'axe de symétrie de ladite nanoparticule. Théoriquement dans ce cas de figure on ne doit pas constater d'effet de polarisation, et la position de la résonance plasmon ( LSPR) doit être constante si l'on a affaire à une structure cylindrique parfaite. Les seules modifications possibles de cette position peuvent être dues à des imperfections dans la forme des cylindres, induites par des problèmes technologiques de fabrication. On constate malheureusement sur la figure 1 que la position de la résonance plasmon ( LSPR) n'est pas constante mais varie de 620 à 650 nm pour une polarisation entre 0° et 360°. Cette amplitude de variation de l'ordre de 30 nm, autour d'une position moyenne de 635 nm, correspond donc à une erreur de + ou - 2.4%, ce qui n'est pas tout à fait satisfaisant. [0052]De façon intéressante, la figure 2, qui montre la LSPR relative à une particule selon l'invention, ici en forme d'étoile à trois branches, permet de constater une très faible variation de cette résonance. Plus précisément la résonance est ici située à 794 nm + ou - 10 nm, soit une erreur de + ou - 1.5%. Cette imprécision observée est inférieure à l'incertitude sur la tolérance de fabrication, ce qui est à la fois nouveau et inventif en soi. [0053]Concernant l'intensité de la résonance plasmon, les figures 3 et 4 mettent en évidence les effets inhérents de l'invention. En effet selon la courbe de la figure 3, qui concerne une nanoparticule en forme d'ellipse, c'est-à-dire ayant une géométrie de symétrie d'ordre 2, l'intensité varie entre 0 et 1. L'intensité devient notamment nulle pour certaines valeurs de polarisation ( 90° et 270° ), ce qui correspond à une polarisation perpendiculaire au grand axe de l'ellipse. Dans ces cas il y a disparition des propriétés optiques exploitables de la particule, donc variabilité de celles-ci. Il apparaît ainsi clairement que ce type de formes de nanoparticules est fortement polaire et induit une diminution importante du signal SERS. [0054] De façon différente et avantageuse, selon l'invention et comme il apparaît sur la figure 4, l'intensité de la résonance plasmon pour une particule ayant une forme d'étoile à trois branches, varie très faiblement quel que soit l'angle de polarisation. Cette faible variation est d'ailleurs essentiellement due aux imperfections de fabrication. La longueur de chacune des branches de la particule testée est de l'ordre de 100 nm. Plus précisément une intensité moyenne de 0.96 (u.a.) a été mesurée, avec une variation de + ou - 0.092 (u.a) soit une erreur inférieure à 10%. [0055]Cette faible variation d'intensité induit une indépendance suffisante et intéressante de l'ensemble des propriétés de la particule vis-à-vis de la polarisation. [0056]Ainsi il est démontré plusieurs avantages notoires liés à l'utilisation de particules ayant un ordre de symétrie supérieur ou égal à trois : d'abord une grande variété de formes répondent à cette définition ; d'où une très grande souplesse à la fois dans l'architecture et dans la géométrie des particules utilisées. Ceci permet d'obtenir des facteurs d'exaltation de champ bien supérieurs à ceux qui peuvent être obtenus avec des particules cylindriques ou sphériques. En outre le type de particules visées par l'invention permet de réduire de manière non négligeable l'amplitude de variation de la position et de l'intensité de la résonance plasmon, comme le montre la comparaison des figures 1 et 2 en ce qui concerne la position , et celle des figures 3 et 4 en ce qui concerne l'intensité de la résonance plasmon. [0057] Par ailleurs, si des particules ayant un axe de symétrie supérieur ou égal à trois sont trop proches les unes des autres, elles ont tendance à se « coupler électromagnétiquement « en deçà de 200 nm d'espacement réciproque. Dans ce cas des étoiles à trois branches dans un réseau carré par exemple, ne sont plus apolaires. On ne peut donc plus considérer l'étoile de façon isolée, elle perd sa symétrie d'ordre supérieur ou égal à trois. Par contre si de telles particules sont disposées selon un réseau hexagonal, elles gardent la même symétrie et leur réponse est de ce fait indépendante de la polarisation. [0058] Il est à la fois innovant et inventif de proposer des surfaces (ou substrats ) présentant une face comportant des nanoparticules qui exaltent la réponse optique d'un faisceau incident et qui permettent simultanément d'éliminer le problème de la polarisation de la lumière incidente. [0059]De plus l'utilisation de nanoparticules selon l'invention permet une plus grande insensibilité aux imperfections de fabrication. Tout processus d'industrialisation est donc optimisé en ce sens que les tolérances de fabrication deviennent moins sévères. A titre d'exemple des imperfections de l'ordre de 10 0/0 ne génèrent aucun problème sur les réponses obtenues. [0060] D'une façon générale les nanoparticules selon l'invention peuvent être métalliques et/ou semi-conductrices, et présentent une dimension maximale comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques dizaines de micromètres. Elles sont choisies de façon à être accordées à la longueur d'onde du faisceau. [0061] Il a par ailleurs été constaté que les particules 1 en forme de nanoétoile permettent d'accorder facilement la longueur d'onde de résonance. La figure 5 montre un exemple de telles particules où les nanoétoiles présentent trois branches. [0062]La figure 6 illustre un ensemble de nanoparticules organisées selon un pavage ayant une symétrie d'ordre 3 ou plus, qui entre dans le cadre de l'invention. Tout réseau régulier, cristallin ou aléatoire organisé de cette façon fait partie de l'invention. Le pavage montré sur la figure 6 est un réseau hexagonal qui présente en lui-même une symétrie d'ordre trois et est formé par exemple de nanoparticules 1' de forme oblongue. Le groupement 10 de nanoparticules encerclé présente une symétrie d'ordre 3, et entre donc dans le cadre de l'invention. [0063]Le substrat quant à lui, est préférentiellement réalisé en un matériau transparent aux longueurs d'onde considérées ; à titre illustratif il peut être constitué de verre dans le domaine du visible, du fluorure de Calcium (CaF2) dans le domaine de l'infra rouge. [0064]La lithographie par faisceaux d'électrons est une méthode de fabrication possible des nanoparticules sur un substrat selon l'invention. En effet L'utilisation d'un faisceau d'électrons pour tracer des motifs sur une surface est connue sous le nom de lithographie par faisceau d'électrons. On parle également de lithographie électronique. Cette technique est bien adaptée à la fabrication des nanoparticules selon l'invention. L'homme de métier choisira et déterminera une méthode précise, à partir d'appareils du commerce, en fonction de ses besoins. [0065]Les utilisations de l'invention sont multiples et variées : détection, identification, mesure de molécules (au sens large ), de cibles dans des fluides aqueux, biologiques, d'origine corporels .. Par exemple identification et/ou quantification de biomarqueurs, de virus et/ou de bactéries dans le sang ; de polluants dans un milieu aqueux ..