Un nouveau capteur peut détecter des nanoparticules de plus en plus petites

Pratique et révolutionnaire : une nouvelle sorte de résonateur, permettant de rendre visibles des nanoparticules de plus en plus petites, a été développé par la physicienne Larissa Kohler au KIT. (Photo : Markus Breig, KIT) / Petit et révolutionnaire : la physicienne Larissa Kohler, KIT, a développé un nouveau type de résonateur qui rend visibles des nanoparticules de plus en plus petites. (Photo : Markus Breig, KIT)

La physicienne Larissa Kohler a développé le nouveau résonateur optique au KIT. (Photo : Markus Breig, KIT) / La physicienne Larissa Kohler a développé le nouveau résonateur optique au KIT. (Photo : Markus Breig, KIT)

Les nanoparticules sont omniprésentes dans notre environnement : virus dans l'air ambiant, protéines dans le corps, en tant que composants de nouveaux matériaux, par exemple pour l'électronique ou dans les revêtements de surface. Ceux qui veulent rendre visibles ces minuscules particules rencontrent un problème : elles sont si petites qu'on ne peut généralement pas les voir au microscope optique. Des chercheurs de l'Institut de Technologie de Karlsruhe (KIT) ont développé un capteur avec lequel ils peuvent non seulement détecter les nanoparticules, mais aussi déterminer leur nature et suivre leur mouvement dans l'espace. Ils présentent leur nouveau résonateur Fabry-Pérot dans la revue Nature Communications (DOI : 10.1038/s41467-021-26719-5).

Les microscopes classiques produisent des images fortement agrandies de petites structures ou objets à l'aide de la lumière. Cependant, comme les nanoparticules absorbent ou diffusent peu de lumière en raison de leur taille, elles restent invisibles. En revanche, les résonateurs optiques amplifient l'interaction entre la lumière et les nanoparticules : ils piègent la lumière dans un espace réduit en la réfléchissant des milliers de fois entre deux miroirs. Si une nanoparticule se trouve dans le champ lumineux piégé, elle interagit des milliers de fois avec la lumière, ce qui permet de mesurer la modification de l'intensité lumineuse. « Parce que le champ lumineux a des intensités différentes à différents endroits dans l'espace, nous pouvons déduire la position de la nanoparticule en trois dimensions », explique le Dr Larissa Kohler de l'Institut de Physique du KIT.

Le résonateur rend visibles les mouvements des nanoparticules

Et ce n'est pas tout : « Lorsqu'une nanoparticule se trouve dans l'eau, elle entre en collision avec les molécules d'eau qui, en raison de l'énergie thermique, se déplacent dans des directions aléatoires. Grâce à ces collisions, la nanoparticule effectue une sorte de mouvement de tremblement. Nous pouvons également suivre ce mouvement brownien », précise l'experte. « Jusqu'à présent, un résonateur optique ne permettait pas de suivre le mouvement dans l'espace d'une nanoparticule, on pouvait seulement dire si la particule était dans le champ lumineux ou non », explique Kohler. De plus, le nouveau résonateur Fabry-Pérot basé sur la fibre, où les miroirs à haute réflexion sont situés sur les extrémités de fibres de verre, offre la possibilité de déduire, à partir du mouvement tridimensionnel, le rayon hydrodynamique de la particule, c'est-à-dire l'épaisseur de la coque d'eau qui l'entoure. Cela est crucial car cette coque modifie les propriétés de la nanoparticule. « Par exemple, grâce à cette coque d'hydratation, il est possible de détecter des nanoparticules qui seraient trop petites sans cette couche », indique Kohler. La coque d'hydratation pourrait également influencer les processus biologiques, comme autour des protéines ou d'autres nanoparticules biologiques.

Le capteur permet d'observer les processus biologiques

Les chercheurs envisagent d'utiliser leur résonateur pour la détection future du mouvement tridimensionnel avec une haute résolution temporelle, ainsi que pour la caractérisation des propriétés optiques de nanoparticules biologiques, telles que des protéines, de l'ADN en origami ou des virus. Le capteur pourrait ainsi offrir des aperçus sur des processus biologiques encore mal compris.

Publication originale
Larissa Kohler, Matthias Mader, Christian Kern, Martin Wegener, David Hunger : Suivi du mouvement brownien en trois dimensions et caractérisation de nanoparticules individuelles à l'aide d'un microcavité à haute finesse basée sur une fibre. Nature Communications, 2021. DOI : 10.1038/s41467-021-26719-5