FR2774802A1 - Dispositif ultramicroscopique pour la spectroscopie - Google Patents
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Abstract
Un dispositif ultramicroscopique pour la spectroscopie comprenant une lentille en forme de barreau (1) ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction et sur une première surface d'extrémité (2) de laquelle peut être monté un échantillon (3), des moyens (4a, 4b, 6, 8; 8) pour projeter un faisceau laser (9) sur la lentille par une autre surface d'extrémité de celle-ci et le faire converger en un point focal dans une région d'interface entre la première surface d'extrémité de la lentille et l'échantillon, et un dispositif de balayage (7; 11) pour faire varier l'angle d'incidence du faisceau laser afin de balayer de manière bidimensionnelle la première surface d'extrémité par le point focal.
Description
Dispositif ultramicroscopique pour la spectroscopie L'invention concerne
un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie permettant une spectroscopie d'émission, de diffusion et d'absorption en employant un laser de longueur d'onde variable et de haute résolution, et plus particulièrement, un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie permettant une spectroscopie avec une observation en temps réel sur des molécules de colorants fonctionnelles, des foyers luminescents, des points quantiques, des fils quantiques et d'autres structures à quantum unique, et des molécules en solution, des réactions
chimiques, des gènes, des protéines, des cellules, etc..
Bien que la spectroscopie de molécules individuelles soit encore une science nouvelle dont les possibilités théoriques ont été vérifiées voici seulement quelques années, ses performances spectroscopiques extrêmement puissantes contribuent déjà à une élucidation stable des notions élémentaires en matière d'interactions à l'échelle micrométrique. Cependant, la sensibilité spectroscopique est encore insuffisante du fait de la faible intensité des signaux et des technologies des instruments de mesure. Les type de molécules qui peuvent être détectées restent donc
très limités.
La spectroscopie des molécules individuelles implique l'observation du spectre d'excitation de fluorescence de molécules individuelles contenues dans une substance solide lorsque les molécules sont excitées à des températures cryogéniques par un laser de longueur d'onde variable présentant une haute monochromaticité. Une exigence essentielle pour cette observation est la réduction à un minimum absolu du nombre de molécules excitées par le faisceau laser. Cela est obtenu en reliant la face d'extrémité d'une fibre optique monomode directement à l'échantillon, en focalisant la lumière d'excitation à l'aide d'une petite lentille, ou en plaçant l'échantillon derrière
une microperforation.
De plus, la densité de l'échantillon doit être diluée à
au moins une valeur d'environ 10-7 à 10-8 mole/litre environ.
Le système optique collectant la lumière émise par une molécule individuelle utilise généralement un miroir parabolique, un miroir elliptique, ou une lentille d'objectif de microscope. Ces composants sont de grande taille et ont tendance à ne pas être très efficace dans une application réelle. La mise en place de l'échantillon demande une grande habileté, tandis que la manipulation requiert un soin
méticuleux et est très pénible.
Afin de résoudre ces problèmes de la technique antérieure, les inventeurs ont développé précédemment un système de collecte de lumière ultra-miniature destiné à la spectroscopie qui, dans son principe, utilise une microlentille en forme de barreau à gradient d'indice pour réduire le nombre de miroirs réfléchissants et de composants optiques au niveau de l'interface, supprime les pertes causées par la présence des surfaces de lentille multiples d'une lentille d'objectif ou analogues et accroit davantage le rendement de collecte de la lumière de signal en utilisant directement la face d'extrémité de la lentille en forme de barreau en tant que substrat d'échantillon, de façon à permettre ainsi à la base une intégration de l'ensemble des fonctions requises dans un seul élément optique (cf. la
publication de brevet japonais Hei N 10-62347).
Les performances de ce système de collecte de lumière ont été comparées à celles des technologies existantes. Des molécules de térylène, un composé polycyclique conjugué ayant un excellent rendement d'émission de lumière, ont été sélectionnées en tant qu'espèces moléculaires pour la spectroscopie. L'échantillon a été préparé par dopage par dispersion des molécules de térylène dans un milieu cristallin constitué de molécules d'alcane à chaîne linaire (c'est-à-dire, un milieu de Shpolskii). Un mince film de tungstène a été déposé en phase vapeur sur une surface d'extrémité d'une lentille en forme de barreau avec d'un diamètre 1,8 mm et un pas "pitch" de 0, 25, et un orifice de
4 um de diamètre environ a été formé au centre du film.
L'échantillon a été logé dans l'orifice et une spectroscopie a été réalisée à une température de 1,7 K. Des signaux de spectre d'émission de bonne qualité ont été obtenus à partir
des molécules individuelles.
Le comportement d'élargissement de spectre dû à la saturation avec une intensité de lumière d'excitation croissante a été mesuré quantitativement et comparé aux résultats obtenus avec d'autres essais. Les résultats concordants obtenus ont confortés la conclusion que les signaux spectraux étaient des signaux provenant de molécules individuelles. Le niveau du bruit de fond était approximativement le même que celui présent dans les procédés existants, mais l'intensité de lumière d'excitation qui fournit approximativement le même niveau de signal était en fait sensiblement inférieure à celle des systèmes de collecte de lumière existants, avec éventuellement une amélioration importante du rapport signal/bruit (S/N). Cela a démontré le potentiel du système de collecte de lumière pour fournir une
nette amélioration de rendement.
Dans ce système de collecte de lumière développé antérieurement, le microespace ou la microzone pour loger l'échantillon était, comme décrit ci-dessus, réalisé par la mise en place du revêtement en film métallique mince et la formation au centre de celui-ci d'un micro- orifice de plusieurs microns de diamètre. Il est possible en variante d'amener une fibre optique monomode à proximité du centre de la surface de la lentille en forme de barreau, d'utiliser l'intervalle existant et d'utiliser le microespace formé par le coeur de la fibre optique monomode en tant que microespace pour supporter l'échantillon. Cependant, ces procédés de réalisation du microespace sont désavantageux en ce qu'ils font obstacle à une utilisation efficace du système de collecte de lumière. Ils rendent aussi impossible l'obtention
d'images 2D, 3D et d'images en temps réel.
Un objectif de cette invention est donc de résoudre les inconvénients précédents en fournissant un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie, qui puisse être mis en oeuvre avec un rendement élevé, et puisse fournir
des images 2D, 3D et en temps réel.
Le dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie, fourni par l'invention pour atteindre cet objectif, est mis en oeuvre dans un appareil optique pour l'observation d'une spectroscopie d'émission, de diffusion et d'absorption de microstructures d'échantillon, y compris des molécules individuelles et des molécules de polymère individuelles, des points quantiques simples, des fils quantiques, des puits quantiques, des agglomérats, des agrégats, etc.. Selon un premier aspect de l'invention, le dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon l'invention comprend une lentille en forme de barreau ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction et sur une première surface d'extrémité de laquelle peut être monté un échantillon, un élément pour projeter un faisceau laser dans la lentille en forme de barreau par une autre surface de celle-ci et le faire converger en un point focal dans une zone d'interface entre la première surface d'extrémité de la lentille en forme de barreau et l'échantillon, et un dispositif de balayage pour faire varier un angle d'incidence du faisceau laser afin de balayer de manière bidimensionnelle sur la première surface d'extrémité
par le point focal.
Un second aspect de l'invention fournit également un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie comprenant une lentille en forme de barreau ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction et sur une première surface d'extrémité de laquelle peut être monté un échantillon, un élément pour projeter un faisceau laser dans la lentille en forme de barreau par une autre surface d'extrémité de celle-ci et le faire converger en un point focal dans une zone d'interface entre la première surface d'extrémité de la lentille en forme de barreau et l'échantillon, et un détecteur bidimensionnel pour détecter
une lumière de signal provenant de l'échantillon.
Par conséquent, dans la présente invention, la lentille en forme de barreau focalise le faisceau laser entrant par son autrc surface d'extrémité dans la zone d'interface entre sa première surface d'extrémité et l'échantillon monté sur celle-ci. Cela supprime le besoin de prévoir un microcspacc (ou une microzone) pour loger l'échantillon. Le microscope peut de ce fait être utilisé de manière efficace. Dans le premier aspcct de l'invention, des images 2D de l'échantillon peuvent être obtenues en faisant varier l'angle d'incidence du faisceau laser de façon à balayer la zone d'interface avec l'échantillon par le point focal. Dans le second aspect de l'invention, des images 2D dc l'échantillon peuvent être obtenues en détectant la lumière de signal provenant de l'échantillon à l'aide du détecteur bidimensionnel, qui peut être un dispositif à couplage dc charge (CCD) ou analogues. De plus, des images 3D peuvent être obtenues en faisant varicr la divergence du faisceau laser dc façon à réaliser un balayage par le point focal dans la direction de la profondeur normale à la première
surface d'extrémité.
En outre, des images en temps réel dans la zone d'interface de l'échantillon peuvent être obtenues par le detecteur bidimensionnel en introduisant la première surface d'extremité de la lentille en forme dc barreau pour le montage de l'échantillon
directement dans une solution d'échantillon.
Par ailleurs, dans le dispositif ultramicroscopique selon les deux aspects ci-
dessus de l'invention, les moyens pour projeter un faisceau laser sur la lentille cn forme de barreau par une autre extrémité de celle-ci peuvent être remplacés ou complétés par des moyens pour projeter une lumière éclairante sur la première surface d'extrémité de
la lentille en forme dc barreau sur laquelle est monté l'échantillon.
On notera que la Fig.1 est un schéma montrant un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopic, qui est une forme de réalisation dc l'invention; la Fig.2 est un schéma montrant un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie, qui est une autre forme dc réalisation de l'invention; la Fig.3 est un schéma montrant un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopic, qui est une autre forme de réalisation dc l'invention; la Fig.4 cst une courbe montrant des spectres d'excitation de fluorescence obtenus par spectroscopic de molécules de térylène dans un milieu cristallin de dodécane utilisant le microscope de l'invention, la partie en incrustation montrant un spectre de molécule individuelle typique obtenu en agrandissant une région de longueur d'onde relativement étroite. La Fig.5 est une courbe montrant une partie d'une image 2D balayée spatialement obtenue par spectroscopie d'une molécule de térylène dans un milieu cristallin de dodécane en
utilisant le microscope de l'invention.
La Fig.1 montre un dispositif ultramicroscopique pour la spectroscopie, qui est une forme de réalisation de l'invention, pour une application dans un appareil optique destiné à l'observation d'une spectroscopie d'émission, de diffusion et autre, de microstructures d'échantillon y compris de molécules individuelles, de molécules de polymère individuelles, de points quantiques individuels, de fils et puits quantiques, d'agglomerats, d'agrégats, etc.. Le microscope inclut un système optique de type à rétroéclairage et un système de balayage 2D / 3D. Le repère 1 dans la figure désigne une lentille en forme de barreau ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction. Un échantillon 3 devant être observé par spectroscopie est monté sur une première surface d'extrémité 2 de la lentille 1. Sur l'axe optique à l'autre extrémité de la lentille 1 sont disposés dans l'ordre une lentille 4a, une lentille 4b et un miroir plan 6 orienté avec un angle par exemple d'environ 45 par rapport à l'axe optique. Un séparateur de faisceau 8 est prévu au-dessus du
miroir plan 6.
Les lentilles 4a, 4b sont supportées sur une pièce coulissante 5 et le miroir plan 6 est supporté avec un angle prédéterminé sur un dispositif de réglage d'angle fin 7. Avec cette disposition, un faisceau laser peut être projeté dans la lentille 1 et être convergé sur la zone d'interface entre la première face d'extrémité 2 de la lentille et
l'échantillon 3.
Dans le dispositif ultramicroscopique de l'invention destiné à la spectroscopie, configuré de la manière précédente, un faisceau laser 9 de longueur d'onde variable et de haute résolution de longueur d'onde, indiqué par des traits interrompus à la Fig.l, pénètre dans le système optique par l'intermédiaire du séparateur de faisceau 8, est réfléchi par le miroir plan 6, traverse les lentilles 4a, 4b, pénètre dans la lentille 1 à travers une surface d'extrémité de celle-ci, et est focalisé sur l'interface entre la première surface d'extrémité 2 et l'échantillon 3. Comme montré par des traits pleins, l'émission de fluorescence des molécules spécifiques lors d'une exposition de l'échantillon 3 à la lumière laser est extraite en tant que lumière de signal 10 à travers le séparateur de faisceau 8 et est transmise à un détecteur (non représenté) qui détermine son
spectre d'excitation de fluorescence.
Le faisceau laser d'excitation 9 pénètre donc dans la lentille en forme de barreau 1 par sa surface d'extrémité située à l'extrémité opposée à celle sur laquelle est monté l'échantillon 3. De cette manière, la zone rétrécie du faisceau laser 9, o celui-ci est focalisé au niveau de la zone d'interface avec l'échantillon 3, peut être employée comme microespace(microzone). Cette caractéristique de l'invention permet en particulier la réalisation d'un appareil de spectroscopie ultra- miniature de molécules individuelles. Grâce à l'utilisation de ces moyens pour réaliser le microespace pour l'échantillon, l'invention, à la différence de l'appareil de la technique antérieure, ne requiert pas l'opération de réalisation préalable d'un revêtement par un film métallique et de formation d'un orifice de plusieurs microns de diamètre dans le revêtement par un procédé par voie humide ou par un procédé par voie sèche utilisant un faisceau d'ions focalisé. L'invention apporte donc une nette
amélioration dans la commodité d'utilisation.
L'angle d'incidence du faisceau laser d'excitation par rapport à la lentille en forme de barreau 1 peut être modifié au moyen du dispositif de réglage d'angle fin 7 afin de balayer de manière bidimensionnelle la zone d'interface par le point focal. Les valeurs mesurées représentées par la lumière de signal 10 peuvent ensuite être traitées par ordinateur conjointement avec des données de position relatives au point focal pour représenter les résultats de la mesure sous la forme d'une image balayée de manière bidimensionnelle. Cette utilisation du dispositif de réglage d'angle fin 7 pour balayer l'angle d'incidence est avantageuse en ce qu'elle procure une amplification supérieure à celle pouvant être obtenue par exemple par un système réalisant un balayage par commande directe d'une platine porte-échantillon ou analogues. De plus, cette capacité, en combinaison avec l'aptitude du système de lentilles d'orientation (4a, 4b) à faire varier librement la distance focale, permet l'obtention par l'invention d'une
haute résolution avec un seul mécanisme de balayage.
Conformément à cette invention, il est possible de présélectionner des points spécifiques dans l'image obtenue par une prise d'image avec l'appareil optique, et ensuite, de mesurer les spectres des microstructures individuelles ou simples au niveau de ces points. De plus, dans une application en tant qu'appareil de spectroscopie de molécules individuelles, après l'obtention d'un spectre spécifique, un balayage peut être effectué pour obtenir des données
concernant la structure spatiale entourant le point observé.
Etant donné que l'invention utilise la lentille en forme de barreau 1, qui est bien plus courte qu'une fibre optique ou analogues, le faisceau laser d'excitation 9 peut être remplacé par des impulsions de lumière ultra-courtes pour réaliser une spectroscopie avec une bonne résolution
temporelle.
L'invention peut aussi être utilisée avec une bonne compatibilité de base pour réaliser des mesures sur des échantillons liquides. Dans ce cas, la première surface d'extrémité 2 de la lentille en forme de barreau 1 est introduite directement dans la solution d'échantillon et un canal ou un flux approprié est appliqué pour conduire une opération de type "tri de cellules" accompagnée d'une observation in vivo simultanée, ou analogues, du comportement optique et/ou physique de macromolécules biologiques, de
cellules, etc., marquées par des sondes fluorescentes.
Conformément à l'invention, des données avec une résolution spatiale en trois dimensions peuvent être extraites en faisant fonctionner le système optique de manière à réguler la divergence du faisceau incident et en réalisant un balayage du point focal dans la direction de la
profondeur de l'échantillon.
Conformément à l'invention, en plaçant simplement la lentille en forme de barreau 1 sur la surface d'un substrat en semiconducteur formé avec une structure quantique, il est
possible de conduire une évaluation structurelle non-
destructive de circuits intégrés à semiconducteur, de circuits intégrés optiques et analogues, à partir des aspects concernant les caractéristiques de réponse optique et/ou les propriétés des matériaux optiques. Une structure quantique à semiconducteur de jonction est appropriée du point de vue du rendement d'émission. Cependant, cela ne devra pas être considéré comme limitant l'invention, compte- tenu qu'il existe aussi un besoin pour l'analyse d'émission/diffusion de structures quantiques à semi-conducteur du Groupe VI, de structures monolithiques et de nombreux autres types de structures. Le système optique miniature et la configuration de rétroéclairage dans cette invention ne sont pas limités à la lentille en forme de barreau, mais peuvent aussi être réalisés sous la forme d'une lentille hémisphérique avec une surface d'extrémité plane, d'une lentille ultra- sphérique, et
analogues.
La Fig.2 montre un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie qui constitue une autre forme de réalisation de l'invention. Une lentille en forme de barreau 1 ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction comporte un échantillon 3 qui est monté sur sa première surface d'extrémité 2. Sur l'axe optique à l'autre extrémité de la lentille 1 sont disposés dans l'ordre un séparateur de faisceau 8, une lentille de formation d'image 4, et un
détecteur CCD ou autre tel qu'un détecteur bidimensionnel.
Un faisceau laser 9 pénètre dans le système optique à travers le séparateur de faisceau 8, pénètre dans la lentille en forme de barreau 1 par son autre surface d'extrémité, et est focalisé au niveau de l'interface entre la première
surface d'extrémité 2 et l'échantillon 3.
L'émission de fluorescence de l'échantillon est extraite en tant que lumière de signal 10 et est amenée en tant qu'image sur le détecteur bidimensionnel (CCD) 12. Le séparateur de faisceau 8 est supporté sur un dispositif de réglage d'angle fin 11. On réalise un balayage par le point focal du faisceau laser pour obtenir des images bidimensionnelles de la zone balayée simultanément ou en
temps réel.
La Fig.3 montre un dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie qui constitue une autre forme de réalisation de l'invention. Une lentille en forme de barreau 1 comporte un échantillon 3 monté sur sa première surface d'extrémité 2 et une lumière éclairante 13 est dirigée sur la surface de l'échantillon 3 la plus éloignée de la première surface d'extrémité 2. L'émission de fluorescence des espèces moléculaires de l'échantillon est amenée en tant qu' image sur un détecteur CCD bidimensionnel 12 sous la forme d'une lumière de signal par une lentille de formation d'image 4, afin de produire ainsi des images bidimensionnelles
simultanées ou en temps réel. Les microscopes ultra-
miniatures destinés à la spectroscopie selon les formes de réalisation des Figs.2 et 3 ont les mêmes caractéristiques et
procurent les mêmes avantages que celui de la Fig.1.
Bien que, comme décrit ci-dessus, dans la forme de réalisation de la Fig. 3, l'échantillon 3 soit éclairé par derrière par la lumière 13, un séparateur de faisceau comme celui des formes de réalisation des Figs.1 et 2 peut également être prévu et utilisé conjointement avec une structure appropriée pour éclairer simultanément l'échantillon 3 depuis l'arrière et l'intérieur de la lentille. Des exemples de l'invention et des exemples comparatifs seront maintenant décrits. L'invention n'est toutefois pas limitée aux exemples particuliers décrits ci-dessous.
Exemple 1
Pour la lentille en forme de barreau, il a été utilisé une lentille SELFOC fabriquée par la société Nihon Sheet Glass (W20-S25-063N: diamètre 2 mm, longueur 3,7 mm, pas
("pitch") 0,25, angle d'ouverture centrale 26,6 degrés).
L'échantillon a été préparé en dissolvant des molécules de térylène dans du dodécane à raison d'environ 10-8 mole/litre, et en plaçant une petite goutte sur la surface d'une lamelle couvre-objet de 0,15 mm d'épaisseur. La lamelle a ensuite été pressée légèrement sur une première surface d'extrémité de la lentille en forme de barreau pour former une zone en forme de film mince ayant de plusieurs microns à plusieurs dizaines de microns d'épaisseur au niveau de la première surface d'extrémité. Cette zone a été utilisé en tant que zone pour l'échantillon. La solution prise en sandwich et adhérant à la surface d'extrémité de la lentille a été solidifiée par un refroidissement à 1,7 K et a été utilisée comme échantillon de test. Le système optique montré à la Fig.1 a été utilisé pour réaliser une spectroscopie en utilisant un laser à colorant monomode avec une longueur d'onde dans la région des 570 nm (instabilité < 2,3 MHz) en tant que source de lumière d'excitation. Le spectre d'excitation de fluorescence pendant le balayage des longueurs d'onde de la source de lumière a été détecté. Il a été observé des spectres d'émission de transition 0-0 de bonne qualité émis par des molécules individuelles, avec des largeurs à mi- hauteur (FWHM) distribuées diversement entre un minimum d'environ 40 MHz et
un maximum de 100 MHz.
La Fig.4 est une courbe montrant des spectres d'excitation de fluorescence de molécules de térylène individuelles dans le milieu cristallin de dodécane. Les composantes de signal inférieures à 200 sur l'axe vertical sont principalement du bruit. Les autres composantes supérieures à 200 sont toutes des signaux valides. La partie en incrustation est un agrandissement de la partie située au voisinage de 3 GHz. On a obtenu un spectre de Lorentzian (trait plein) avec une largeur spectrale de 42 MHz. Des résultats similaires ont été obtenus que des spectres de fluorescence ont été détectés avec le même procédé, excepté
que le milieu a été changé en tétradécane et hexadécane.
Exemple 2
La lentille SELFOC de l'exemple 1 a été utilisée de nouveau pour la lentille en forme de barreau. Un film mince de poly(sulfonate de vinyle) dopé avec de la pseudoisocyanine (PIC), un colorant organique, a été préparé directement avec le procédé de revêtement par centrifugation excentrée. Un laser et un système de détection comme ceux de l'exemple 1 ont été utilisés pour détecter une modification de l'intensité d'émission avec un balayage spatial à 77 K et 1,6 K. Un signal représentant les formes d'agrégats de fibrilles de PIC a été obtenu. Lorsqu'un balayage unidimensionnel a été effectué dans la direction perpendiculaire à la direction de l'orientation des fibrilles, les résultats indiquent que les diamètres des fibrilles mesuraient jusqu'à environ 1 micron
et que la résolution spatiale était inférieur.
Exemple 3
Pour la lentille en forme de barreau, il a été utilisé une lentille SELFOC fabriquée par la société Nihon Sheet Glass (H18-S25-063N: diamètre 1,8 mm, pas ("pitch") 0,25, angle d'ouverture centrale 36,7 degrés). L'échantillon a été préparé en dissolvant des molécules de térylène dans du dodécane à raison de 10-8 mole/litre, et en plaçant une petite goutte sur la surface d'une lamelle couvre-objet de 0, 15 mm d'épaisseur. La lamelle a ensuite été pressée légèrement sur une première surface d'extrémité de la lentille en forme de barreau pour former une zone en forme de film mince ayant de plusieurs dizaines à plusieurs microns de microns d'épaisseur au niveau de la première surface d'extrémité. Cette zone a été utilisée comme étant zone pour l'échantillon. La solution prise en sandwich et adhérant à la surface d'extrémité de la lentille a été solidifiée par un refroidissement à 1,6 K et a été utilisée comme échantillon de test. Un système optique comme ceux des exemples précédents a été utilisé pour détecter un signal d'émission en associant la spectroscopie de molécules individuelles et le balayage spatial bidimensionnel. Le résultat montre clairement que le microscope peut déterminer l'état de molécules individuelles isolées dans une région spatiale de l'ordre de plusieurs microns et celui d'ensembles en forme d'agglomérats représentant des structures statistiques fines. Il a été déterminé, en se basant sur le cas des molécules individuelles, qu'une performance de résolution spatiale inférieure à 500 nm environ pourrait être obtenue même sans
réglage notable (Fig.5).
La Fig.5 montre la distribution d'intensité d'une partie d'une image 2D obtenue pour une molécule individuelle de térylène dans un milieu cristallin de dodécane. La courbe de distribution gaussienne égalisatrice (trait plein épais)
montre qu'une résolution spatiale de 490 nm a été obtenue.
L'exemple 3 a été répété, excepté que le milieu est changé en tétradécane et hexadécane. Dans la détection d'une molécule individuelle, une opération de lentille à immersion solide (SIL) a été confirmée par l'accord fin de la
divergence du faisceau laser d'excitation.
Exemple comparatif 1 Pour démontrer les capacités du microscope de l'invention, une lentille SELFOC (produit de la société Nihon Sheet Glass) a été utilisée pour la lentille en forme de barreau, un microfilm préenregistré avec du texte a été utilisé comme échantillon, la surface d'extrémité de la lentille a été amenée en contact étroit avec la surface d'image du film, et un système optique de formation d'image identique à celui d'un microscope optique ordinaire a été utilisé en commun pour comparer les performances de cette configuration avec celles de la lentille d'objectif d'un microscope optique ordinaire. Les performances de la lentille en forme de barreau susvisée, avec un angle d'ouverture centrale de 26,6 degrés et un diamètre de 2 mm étaient égales ou supérieures à celles d'une lentille d'objectif X100 (OLYMPUS, MOlan; X100). Les performances d'une lentille en forme de barreau avec un angled'ouverture centrale de 36,7 degrés et un diamètre de 1,8 mm étaient bien meilleures à celles de la lentille d'objectif X100. On a vérifié que le fonctionnement de la lentille d'objectif SIL a été obtenu sans réglage notable même lorsque l'échantillon était un microfilm non satisfaisant sur le plan de l'étroitesse du contact. Exemple comparatif 2 Afin de démontrer davantage les capacités du microscope de l'invention, une lentille SELFOC fabriquée par la société Nihon Sheet Glass (H18-S25-063N: diamètre 1,8 mm pas ("pitch"), 0,25, angle d'ouverture centrale de 36,7 degrés) a été utilisée et la capacité de formation d'image bidimensionnelle en temps réel a été démontrée en utilisant un système optique de formation d'image de 1:1, avec f = 200 mm, et un détecteur de lumière CCD. Avec ce système optique, un objet de 10 microns sur la surface d'extrémité a été transféré sur une surface du détecteur CCD sous la forme d'une image réelle de 1,36 mm approximativement, ce qui correspond simplement à un grossissement de 136 fois. Lorsque par exemple un détecteur CCD avec une taille de pixel de 6,8 microns est utilisé, cela correspond à 200 pixels, ce qui est
supérieur à la performance appropriée de 50 nm par pixel.
Le système pour la spectroscopie des molécules individuelles et le microscope, selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils permettent l'intégration d'un substrat pour échantillon, la formation d'une microzone pour l'échantillon, des fonctions de collimation et de collecte de lumière d'excitation et de lumière de signal dans un seul système optique de taille micrométrique avec une surface d'extrémité plane comme celle d'une lentille en forme de barreau à gradient d'indice, et en ce qu'ils permettent l'obtention d'un appareil spectroscopique sans réglage,
simple et polyvalent, et d'une grande utilité.
Le système de l'invention utilisant la surface d'extrémité d'une lentille en forme de barreau ou analogues comme substrat pour échantillon permet la détection non seulement de molécules de colorants, d'agrégats, de macromolécules, de substances biologiques et de leurs solutions, mais aussi celle de films minces de polymère, de films LB et de particules fines de semiconducteur. Il permet
aussi d'évaluer des structures de points quantiques en semi-
conducteur, des structures de fils et de puits quantiques en semiconducteur et autres, simplement en plaçant la lentille en forme de barreau sur leurs surfaces de substrat cristallin. Grâce aux caractéristiques de l'invention, on peut réaliser un microscope de petite taille pour la spectroscopie de molécules individuelles ne demandant pratiquement aucun réglage ou aucune habileté particulière pour fonctionner. Le potentiel de l'invention pour fournir des technologies spécifiques pour l'évaluation de structures de points
quantiques, de structures de fils quantiques en semi-
conducteur et d'autres éléments est également élevé. De plus, le principe de l'invention peut, simplement avec une légère modification de la structure de lentille, être appliqué pour configurer des systèmes de mémoire de densité ultra-haute
utilisant l'effet de champ proche.
Claims (8)
1. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie utilisé dans un appareil optique pour l'observation d'une spectroscopie d'émission, de diffusion et d'absorption de microstructures d'échantillon, y compris des molécules individuelles, des molécules de polymère individuelles, des points quantiques individuels, des fils quantiques, des puits quantiques, des agglomérats et des agrégats, ledit dispositif ultramicroscopique comprenant: une lentille en forme de barreau (1) ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction et sur une première surface d'extrémité (2) de laquelle peut être monté un échantillon (3), des moyens (6, 8) pour projeter un faisceau laser (9) dans la lentille en forme de barreau (1) par une autre surface d'extrémité de celle-ci et le faire converger en un point focal dans une zone d'interface entre la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) et l'échantillon (3), et des moyens de balayage (7) pour faire varier l'angle d'incidence du faisceau laser (9) afin de balayer de manière bidimensionnelle la première surface d'extrémité (2) par le
point focal.
2. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie utilisé dans un appareil optique pour l'observation d'une spectroscopie d'émission, de diffusion et d'absorption de microstructures d'échantillon, y compris des molécules individuelles, des molécules de polymère individuelles, des points quantiques individuels, des fils quantiques, des puits quantiques, des agglomérats et des agrégats, ledit dispositif ultramicroscopique comprenant: une lentille en forme de barreau (1) ayant un gradient de distribution d'indice de réfraction et sur une première surface d'extrémité (2) de laquelle peut être monté un échantillon (3), des moyens (8) pour projeter un faisceau laser (9) dans la lentille en forme de barreau (1) par une autre surface d'extrémité de celle-ci et le faire converger en un point focal dans une zone d'interface entre la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) et l'échantillon (3), et un détecteur bidimensionnel (12) pour détecter une
lumière de signal provenant de l'échantillon (3).
3. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens (4a, 4b, 5) pour faire varier la divergence du faisceau laser incident afin de faire varier le point focal dans une direction de la profondeur normale à la première surface d'extrémité (2), afin de permettre l'obtention d'une image 3D par un balayage tridimensionnel de la zone o se trouve l'échantillon.
4. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 2, comprenant également des moyens (11) pour faire varier la divergence du faisceau laser incident afin de faire varier le point focal dans une direction de la profondeur normale à la première surface d'extrémité (2), afin de permettre ainsi l'obtention d'une image 3D par un balayage tridimensionnel de la zone o est
situé l'échantillon.
5. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 1, dans lequel les moyens (6, 8) pour projeter un faisceau laser (9) sur la lentille en forme de barreau (1) par une autre extrémité de celle-ci sont remplacés par des moyens pour projeter une lumière éclairante (13) sur la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) sur laquelle est monté l'échantillon (3).
6. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 2, dans lequel les moyens (8) pour projeter un faisceau laser (9) sur la lentille en forme de barreau (1) par une autre extrémité de celle-ci sont remplacés par des moyens pour projeter une lumière éclairante (13) sur la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) sur laquelle est monté l'échantillon (3).
7. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens pour projeter une lumière éclairante (13) sur la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) sur
laquelle est monté l'échantillon (3).
8. Dispositif ultramicroscopique destiné à la spectroscopie selon la revendication 2, comprenant en outre des moyens pour projeter une lumière éclairante (13) sur la première surface d'extrémité (2) de la lentille en forme de barreau (1) sur
laquelle est monté l'échantillon (3).
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