INTRODUCTION AU RAMAN
INTRODUCTION À LA DIFFUSION RAMAN
La diffusion Raman a été découverte en 1928 par Sir Chandrasekhara Venkata Raman qui a reçu le prix Nobel de physique en 1930 pour son travail dans le domaine de la diffusion de la lumière. La lumière peut être diffusée par un échantillon, sans modification de sa longueur d'onde (diffusion élastique ou de Rayleigh). D'autre part, la diffusion de Raman se produit quand un photon interagit avec une molécule et la lumière diffusée a une longueur d'onde différente de celle de la lumière incidente. Si alors le photon diffusé a moins d'énergie que le photon incident, et donc une longueur d'onde plus grande, on parle de diffusion Stokes. Si le photon diffusé a plus d'énergie, et donc une longueur d'onde plus courte, on parle alors de diffusion anti-Stokes. Les phénomènes Raman et Rayleigh sont représentés dans le diagramme d'énergie ci-dessous.
Le Raman et l'infrarouge sont deux techniques de spectroscopie de vibration. Ce sont des outils non destructifs et non invasifs qui fournissent des informations sur les vibrations moléculaires. La spectroscopie de vibration est très utile pour l'analyse des matériaux et des produits chimiques. Chaque molécule ou solide possède un riche éventail de transitions vibratoires et leurs spectres Raman et infrarouge donnent précisément cette information. Le spectre de vibration étant un peu comme l'«empreinte» de la molécule. Pour que la vibration soit active dans l'infrarouge elle doit induire un changement de moment dipolaire, alors qu'en Raman, la vibration doit provoquer un changement dans la polarisabilité. En raison de cette règle de sélection, les vibrations actives dans l'infrarouge seront non-actives en Raman et vice-versa. La figure ci-dessous représente les vibrations typiques dans une molécule qui sont sondées par spectroscopie infrarouge et Raman.
La spectroscopie Raman et l'absorption infrarouge sont donc des techniques très puissantes pour l'analyse chimique, mais la faiblesse de chacune est la force de l'autre. L'absorption infrarouge offre une bonne sensibilité (σR ~ 10-21 cm2) par rapport au Raman (σR ~ 10-29 cm2), mais cette efficacité est atténuée par la faible sensibilité des détecteurs optiques dans la région infrarouge. Le Raman permet donc d'exploiter le domaine visible (400-800 nm) où les détecteurs de type Si MCCD sont très efficaces et sensibles (seulement quelques photons sont nécessaires pour la détection du signal). En outre, la résolution spatiale est faible en infrarouge et excellente en Raman parce que la limite de résolution dépend de la longueur d'onde (la limite de résolution est d'environ λ / 2 en fonction du critère de Rayleigh), qui est relativement longue en infrarouge (λ ~ 30 um) et courte en Raman (λ = 400-600 nm). Les applications Raman sont idéales, mais posent le problème des sections efficaces de la diffusion Raman, généralement trop faibles pour être utiles dans l'imagerie optique ou le marquage moléculaire.
IMAGERIE RAMAN
Depuis la découverte de la diffusion Raman dans les années 1920, la technologie a progressé de telle sorte que la spectroscopie Raman est maintenant une technique extrêmement puissante avec de nombreuses applications. L'magerie Raman peut être obtenu en utilisant le Raman intrinsèque d'un échantillon, une méthode qui gagne en popularité parce qu'elle ne nécessite pas de marquage et elle est non destructive. Elle est d'un grand intérêt puisqu'une cartographie chimique complète peut être générée. L'imagerie Raman offre de nombreux avantages par rapport aux autres techniques d'imagerie, notamment elle offre des bandes très étroites, elle facilite le multiplexage, elle est sans clignotement, elle offre peu de photoblanchiment et fournit un signal quantitatif. Par contre, son manque de sensibilité reste un défi particulier pour de l'imagerie de molécules chimiques ou biologiques en faible quantité. Pour résoudre ce problème, des marqueurs avec des signaux Raman amplifiés peuvent être utilisés pour détecter et imager des molécules cibles. Les marqueurs Raman sont une classe émergente des nanomatériaux qui ont des propriétés exceptionnelles adaptées aux applications d'imagerie Raman.
SENSIBILITÉ RAMAN
Les sensibilités des différentes techniques d’imagerie se comparent directement si on considère la section efficace pour un processus de diffusion de lumière. En Raman, l’intensité (en photon s-1 cm-2) de lumière diffusée, I, pour une molécule est proportionnelle à la section efficace de diffusion par molécule, sR, et à l’intensité de la lumière excitatrice, Io selon la relation : I = sR Io. Le sR du Raman hors résonance est entre 10-29 et 10-32 cm2, alors que les sections efficaces équivalentes en fluorescence et absorption optique sont de l’ordre de 10-19-10-18 et 10-21-10-18 cm2, respectivement. Il y a donc généralement plus de 12 ordres de grandeur entre l’efficacité relative des processus Raman et ceux de l’absorption optique ou de la fluorescence. Cependant, la diffusion Raman bénéficie d'une forte intensité de laser, qui compense la faible efficacité du processus de diffusion pour rendre cette technique d'analyse plus accessible. Néanmoins, la faible sensibilité reste un désavantage pour l'imagerie Raman. En outre, l'utilisation de lasers de haute intensité d'excitation peut modifier les échantillons en cours d'analyse en raison d'un chauffage localisé. Dans de tels cas, l'acquisition d'une image Raman est obtenue en balayant le laser point par point avec une intensité réduite pour éviter le chauffage, ce qui rend l'acquisition inefficace. Étant beaucoup plus sensible, la fluorescence et l'absorption/réflexion ont jusqu'à présent été les techniques de choix pour l'imagerie optique. Dans des conditions spécifiques, certaines molécules présentent une sensibilité accrue en Raman. Aujourd'hui, avec les progrès récents dans les lasers, détecteurs et les instrumentations Raman, une section efficace d'environ 10-21 cm2 est nécessaire pour détecter des objets uniques. Le graphique ci-dessous énumère les différents phénomènes et leur sensibilité Raman correspondante. Une molécule conjuguée-π tel que rodhamine 6G a une section efficace de 10-24 cm2, ce qui est encore trop faible pour la détection d'objet unique. Les nanotubes de carbone et des nanoparticules SERS (surface-enhanced Raman scattering) sont connus pour leurs propriétés efficaces de diffusion Raman et sont souvent utilisés en imagerie Raman. Les marqueurs Raman dyes@SWNT sont de nouveaux nanomatériaux hybrides qui présentent également un signal amplifié de diffusion Raman avec des sensibilités permettant la détection d'un objet unique.
MARQUEURS RAMAN AU SIGNAL AMPLIFIÉ
L’équipe de recherche du Professeur Richard Martel de l’Université de Montréal a mis au point de nouveaux nanotraceurs Raman possédants un signal Raman fortement amplifié. Un assemblage de nanotubes de carbone (CNT) et de colorants (chromophores) permet d'amplifier les signaux Raman. La section efficace du colorant sexithiophène à l'intérieur d'un nanotube de carbone nanotraceurs 6T@CNT a été mesuré à (3±2)×10-21 cm2/sr par traceur ce qui permet la détection d'un traceur individuel (Gaufrès et al, Nat. Photonics 2014, 8, 72). Ces marqueurs Raman ont des caractéristiques uniques sont caractérisés par une réponse optique intense sans photoblanchiment, une capacité exceptionnelle pour le multiplexage à haut débit, une taille nanométrique une grande stabilité chimique et la présence de groupement chimique ou de greffons biotines pour des fonctionlisations subséquentes. Avec ces complexes, le signal Raman est maintenant à un niveau quasi comparable à la fluorescence et leur détection optique est rapide et sans équivoque.
