Spectroscopie Raman améliorée par la pointe : Transformer les sciences analytiques

"Voir, c'est croire" est une phrase souvent utilisée dans les couloirs scientifiques. La microscopie est donc une branche magnifique qui donne aux chercheurs le pouvoir de visualiser les choses d'une manière que l'on croyait auparavant impossible. Malgré les sophismes liés à l'interprétation de nombreuses images obtenues par microscopie, les scientifiques comme le grand public sont toujours séduits par les preuves visuelles qui détaillent les subtilités d'une cellule, d'une molécule ou d'une nanoparticule. L'avènement des techniques de microscopie électronique, comme la microscopie à effet tunnel, a permis aux chercheurs de se plonger dans le monde des atomes. En d'autres termes, ces techniques ont permis d'observer des molécules avec une résolution atomique.

The charm of an image detailing the components of a complicated system, say a DNA molecule, is enduring, however the flip side is that spectroscopic characterization of the sample is essential to understand the events happening at the microscopic or nanoscopic scale. Spectroscopy and microscopy should therefore go hand in hand, and scientists as early as in 1985 have suggested combining scanning probe techniques with methods like Raman or Infrared spectroscopy to get simultaneous information of the topography as well as the chemical nature. Spectroscopie Raman améliorée par la pointeLe TERS, plus communément appelé TERS, est une méthode qui combine la microscopie à force atomique (STM) et la spectroscopie Raman. Cette combinaison unique donne au scientifique analytique la possibilité d'observer la surface dans ses moindres détails optiques, topographiques et chimiques. Auparavant, on pensait qu'il était impossible de visualiser un objet dont les dimensions étaient inférieures à la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Cette limite est généralement connue sous le nom de limite d'Abbe. La TERS brise toutefois cette limite en rendant possible la résolution au niveau moléculaire, avec l'avantage supplémentaire de l'information chimique. Le mécanisme est présenté dans le schéma ci-dessous.

Schéma d'un montage TERS utilisé pour l'analyse des acides nucléiques. Reproduit de la référence (lien)

Dans la technologie TERS, un champ nanométrique localement renforcé à proximité immédiate du sommet de la pointe métallisée est généré sous l'illumination de la lumière laser incidente comme source d'excitation locale à l'échelle nanométrique. Il peut être utilisé pour exciter localement le signal optique de l'échantillon et produire une diffusion Raman à partir du nanovolume situé à proximité immédiate du sommet de la pointe. L'apex de la pointe est le dispositif clé du TERS en tant que diffuseur local, qui renforce et diffuse le champ évanescent localisé vers le champ lointain pour être collecté et détecté. Il assure une amélioration et une résolution élevées au-delà de la limite de diffraction. Par essence, la TERS est capable d'enregistrer des images de résolution submoléculaire qui contiennent la signature spectrale de chaque point sondé par la pointe.

Prof. Volker Deckert et ses collègues (de l'université Friedrich Schiller de Jena, en Allemagne) ont utilisé la TERS pour séquencer une molécule d'ARN. L'application du TERS aux acides nucléiques a été une révélation car elle permet la résolution de nucléobases individuelles très proches les unes des autres (voir schéma). Un autre groupe de l'ETH Zurich, dirigé par Prof. Renato Zenobi a caractérisé de manière approfondie les spectres Raman de l'ADN. Ces études peuvent maintenant potentiellement permettre de comprendre les interactions de l'ADN avec des molécules comme les protéines, les médicaments anticancéreux, etc. Dans un autre rapportUne étude du TERS de l'amyloïde β (un dérivé protéolytique sécrété de la protéine précurseur de l'amyloïde qui est un facteur critique dans la "défaillance synaptique" précoce observée dans la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer) a été réalisée, montrant ainsi l'immense applicabilité du TERS à des domaines inexplorés de la biologie.

Malgré les défis à relever pour faire du TERS une technique analytique de routine, son avenir pour les études biologiques semble plus prometteur que jamais. Pour conclure, la ligne proverbiale "Une image vaut mille mots"semble approprié pour une image TERS, avec la légère modification que "Une image TERS vaut 1000 spectres chargés d'informations chimiques inestimables"..

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