FR2936064A1 - Surface-enhanced Raman spectroscopy imaging device for acquisition of in-vivo images of biological sample, has bundle of optical fibers with nanostructured distal face that is in form of network of conical points formed by cores of fibers - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF D'IMAGERIE PAR SPECTROSCOPIE RAMAN ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention porte sur un dispositif d'imagerie par spectroscopie Raman à exaltation de surface, ainsi que sur des procédés d'utilisation et de fabrication d'un tel dispositif. Le dispositif de l'invention convient particulièrement à des applications biologiques et médicales, et notamment pour la réalisation d'images in vivo avec une faible invasivité. The invention relates to a Raman spectroscopy imaging device with surface enhancement, as well as to methods for using and manufacturing such a device. BACKGROUND OF THE INVENTION The device of the invention is particularly suitable for biological and medical applications, and in particular for producing images in vivo with low invasiveness.
La spectroscopie Raman est une technique puissante pour étudier une grande variété de systèmes chimiques et biologiques. Elle permet d'obtenir des informations aussi bien qualitatives que quantitatives et avec une haute résolution spatiale à partir d'échantillons tels que des biomolécules, des virus, des cellules, des tissues, en fournissant ainsi des informations moléculaires sur les composants de ces systèmes complexes. La principale limitation de cette technique est sa faible sensibilité, due à la petitesse de la section efficace Raman (typiquement de l'ordre de 1030û 10-25 cm2/molécule), qui est bien au-dessous de la section efficace d'absorption par fluorescence intrinsèque ou extrinsèque (de l'ordre de 10-15 cm2/molécule). Raman spectroscopy is a powerful technique for studying a wide variety of chemical and biological systems. It provides both qualitative and quantitative information and with high spatial resolution from samples such as biomolecules, viruses, cells, tissues, thus providing molecular information on the components of these complex systems . The main limitation of this technique is its low sensitivity, due to the smallness of the Raman cross section (typically of the order of 1030 ± 10-25 cm 2 / molecule), which is well below the absorption cross-sectional area. intrinsic or extrinsic fluorescence (of the order of 10-15 cm 2 / molecule).
Le signal Raman peut cependant être très fortement exalté û d'un facteur pouvant atteindre 1014 û en exploitant une interaction entre les molécules analysées et une surface métallique nanostructurée. Ce phénomène est connu sous le nom de spectroscopie Raman à exaltation de surface ou SERS (de l'anglais Surface-enhanced Raman Spectroscopy ). L'article de K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, et M. S. Feld Ultrasensitive Chemical Analysis by Raman Spectroscopy Chem. Rev. 1999, 99, pages 2957-2976 fournit une introduction à la technique SERS et à ses applications. Une description théorique plus approfondie de l'effet d'exaltation du signal Raman induit par une surface métallique nanostructurée peut être trouvée dans l'article de Yuan Vo-Dinh "Surface- The Raman signal can, however, be very strongly exalted by a factor of up to 1014 by exploiting an interaction between the analyzed molecules and a nanostructured metal surface. This phenomenon is known as surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS) spectroscopy. The article by K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, and S. Feld Ultrasensitive Chemical Analysis by Raman Spectroscopy Chem. Rev. 1999, 99, pages 2957-2976 provides an introduction to the SERS technique and its applications. A more in-depth theoretical description of the exaltation effect of the Raman signal induced by a nanostructured metal surface can be found in the article by Yuan Vo-Dinh "Surface-
enhanced Raman spectroscopy using metallic nanostructures", TrAC Trends in Analytical Chemistry 1998, 17, pages 557 - 582. Trente ans après la découverte de cet effet, des substrats SERS commencent à être disponibles dans le commerce. Voir par exemple le substrat Klarite (marque déposée) de la société britannique D3 Technologies . Ce substrat est constitué d'une plaquette de silicium pourvue d'un revêtement en or, présentant un réseau régulier de trous à l'échelle nanométrique. Une voie prometteuse pour réduire le coût des substrats SERS, en améliorer l'homogénéité spatiale et en augmenter la reproductibilité consiste à les fabriquer à partir de faisceaux de fibres optiques. On peut citer à ce propos les articles suivants : - D. J. White, P. R. Stoddart, Nanostructured optical fiber with surface-enhanced Raman scattering functionalii:y Opt. Lett. 2005, 30, 598-600. - D. J. White, A. P. Mazzolini, P. R. Stoddart Fabrication of a range of SERS substrate on nanostructures multicore optical fibres , Journal of Raman Spectroscopy 2007, 38, 377-382 - M. E. Hankus, H. Li, G. J. Gibson, B. M. Cullum, Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Nanoprobe for High-Resolution, Non-Scanning Chemical Imaging Anal. Chem. 2006, 78, 7535-7546. - V. Guieu, F. Magugné-Labarthet, L. Servant, D. Talaga, N. Sojic Ultrasharp Optical-Fiber Nanoprobe Array for Raman Local- Enhancement Imaging Small 2008, 4, No. 1, 96 û 98. Dans tous les cas cités ci-dessus, un substrat SERS est fabriqué à partir d'un faisceau de fibres optiques ou, ce qui est équivalent, d'une fibre optique à coeurs multiples. Un tel dispositif, également connu sous le nom de fibre pour imagerie, consiste en une plu'alité de fibres optiques identiques s'étendant dans une même direction, non torsadées et dont les gaines sont fondues ensemble ou, plus généralement, reliées entre elles de Enhanced Raman Spectroscopy Using Metallic Nanostructures ", TrAC Trends in Analytical Chemistry 1998, 17, pp. 557-582. Thirty years after the discovery of this effect, SERS substrates are beginning to be commercially available. The substrate consists of a silicon wafer with a gold coating and a regular network of nanoscale holes, a promising way to reduce the cost of SERS substrates. to improve their spatial homogeneity and to increase their reproducibility is to manufacture them from bundles of optical fibers.The following articles may be mentioned in this connection: - DJ White, PR Stoddart, Nanostructured optical fiber with surface-enhanced Raman scattering functionalii : y Opt.Lat 2005, 30, 598-600 - DJ White, AP Mazzolini, PR Stoddart Manufacturing of a range of SERS subst Spectroscopy on nanostructures multicore optical fibers, Journal of Raman Spectroscopy 2007, 38, 377-382 - Hankus ME, Li H., GJ Gibson, BM Cullum, Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Nanoprobe for High-Resolution, Non-Scanning Chemical Imaging Anal. Chem. 2006, 78, 7535-7546. V. Guieu, F. Magugné-Labarthet, L. Servant, D. Talaga, N. Sojic Ultrasharp Optical-Fiber Nanoprobe Array for Local Raman-Enhancement Imaging Small 2008, 4, No. 1, 96 - 98. In all As mentioned above, a SERS substrate is made from an optical fiber bundle or, what is equivalent, a multi-core optical fiber. Such a device, also known as fiber for imaging, consists of a plu'alité of identical optical fibers extending in the same direction, not twisted and whose sheaths are melted together or, more generally, connected together.
manière à former un faisceau compact. Un faisceau de quelques centaines de micromètres de diamètre peut contenir plusieurs milliers de fibres optiques individuelles. Dans les articles de White et al. (2005 et 2007) et de Hankus et al. il est suggéré d'étirer les faisceaux de fibres pour réduire leur diamètre et augmenter ainsi la résolution spatiale du substrat SERS. Un faisceau de fibres optiques comporte deux faces d'extrémité opposées ; une de ces faces û dite face distale , la face opposée étant dite proximale û est immergée dans un bain chimique de gravure en phase humide. Lorsqu'on utilise des faisceaux effilés, obtenus par étirement, la face distale correspond à l'extrémité la plus fine du faisceau. Le coeur et la gaine des fibres optiques sont réalisées en verre de silice et contiennent des dopants différents afin de modifier leur indice de réfraction. Typiquement, les coeurs peuvent êtres dopés à l'oxyde de germanium et les gaines contenir des fluorures. Incidemment, le dopage modifie les propriétés chimiques du verre, et permet une gravure différentielle du coeur et des gaines. Cet effet permet la nanostructuration de la face distale du faisceau de fibres. Dans toutes les réalisations connues de l'art antérieur, les conditions de gravure (composition chimique du bain, temps d'immersion) sont choisies de manière à provoquer une érosion préférentielle des coeurs des fibres optiques, qui forment ainsi des cavités. Les gaines entourant les coeurs forment des crêtes qui culminent en des nano-pointes ultra-aigues, agencées selon un motif régulier. La surface distale est ensuite couverte d'une couche mince d'or ou argent ayant une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. La surface nanostructurée et conductrice ainsi obtenue constitue un excellent substrat SERS. Dans les expériences réalisées par White et al. et par Guieu et al. (voir les articles précités), le substrat SERS est éclairé de l'extérieur et la lumière diffusée vers l'arrière par effet Raman est récoltée à l'aide d'un objectif de microscope. Autrement dit, les surfaces nanostructurées to form a compact beam. A beam of a few hundred micrometers in diameter may contain several thousand individual optical fibers. In the articles by White et al. (2005 and 2007) and Hankus et al. it is suggested to stretch the bundles of fibers to reduce their diameter and thus increase the spatial resolution of the SERS substrate. An optical fiber bundle has two opposite end faces; one of these faces-said distal face, the opposite face being called proximal-is immersed in a chemical bath wet etching. When tapered beams obtained by stretching are used, the distal face corresponds to the thinnest end of the bundle. The core and the cladding of the optical fibers are made of silica glass and contain different dopants in order to modify their refractive index. Typically, the hearts may be doped with germanium oxide and the sheaths contain fluorides. Incidentally, doping modifies the chemical properties of glass, and allows differential etching of the core and sheaths. This effect allows the nanostructuration of the distal face of the fiber bundle. In all the known embodiments of the prior art, the etching conditions (chemical composition of the bath, immersion time) are chosen so as to cause preferential erosion of the cores of the optical fibers, which thus form cavities. The sheaths surrounding the hearts form ridges that culminate in ultra-sharp nano-points, arranged in a regular pattern. The distal surface is then covered with a thin layer of gold or silver having a thickness of a few tens of nanometers. The nanostructured and conductive surface thus obtained constitutes an excellent SERS substrate. In the experiments conducted by White et al. and by Guieu et al. (see above), the SERS substrate is illuminated from the outside and the Raman-scattered back light is harvested using a microscope objective. In other words, the nanostructured surfaces
fabriquées à partir de faisceaux de fibres optiques sont utilisés comme de substrats SERS de type classique. Hankus et al., au contraire, collectent la lumière Raman qui a été guidée par les coeurs des fibres optiques individuelles jusqu'à l'extrémité proximale du faisceau. En revanche, l'éclairage est fait depuis l'extérieur des fibres, comme dans les autres cas. Les conditions d'éclairage des substrats SERS connus de l'art antérieur ne permettent pas d'acquérir des images Raman in vivo, notamment à des finalités diagnostiques, d'une manière aussi peu invasive qu'un examen par fibroscopie ou endoscopie classique. Un but de l'invention est précisément de fournir un tel dispositif. Contrairement à l'art antérieur, dans un dispositif de l'invention la lumière d'excitation est injectée dans le coeur des fibres optiques au niveau de la face proximale du faisceau pour se propager de manière guidée jusqu'à la face distale nanostructurée ; et la lumière Raman générée au niveau de ladite face distale se propage le long desdites fibres pour être collectée depuis la face proximale. Conformément à l'invention, ce but peut être atteint grâce à un dispositif d'imagerie par spectroscopie Raman à exaltation de surface comprenant un faisceau de fibres optiques ayant une première extrémité, dite proximale, et une deuxième extrémité, dite distale, ladite extrémité distale présentant une surface structurée à une échelle sub-micrométrique (c'est à dire nanométrique) et revêtue d'une couche mince métallique, caractérisé en ce que ladite surface structurée à une échelle sub-micrométrique se présente sous la forme d'un réseau de pointes formées chacune par un coeur d'une fibre optique du faisceau. Selon des modes de réalisation préférés de l'invention : - Les coeurs des fibres optiques peuvent présenter un gradient radial de concentration d'une espèce chimique de dopage, à cause de quoi l'indice de réfraction desdits coeurs décroit du centre vers la périphérie. manufactured from optical fiber bundles are used as SERS substrates of conventional type. Hankus et al., On the other hand, collect Raman light that has been guided by the hearts of individual optical fibers to the proximal end of the beam. On the other hand, the lighting is made from the outside of the fibers, as in the other cases. The lighting conditions of the SERS substrates known from the prior art do not make it possible to acquire Raman images in vivo, in particular for diagnostic purposes, in a manner as minimally invasive as a conventional fibroscopy or endoscopy examination. An object of the invention is precisely to provide such a device. Unlike the prior art, in a device of the invention the excitation light is injected into the heart of the optical fibers at the proximal face of the beam to propagate in a guided manner to the nanostructured distal face; and the Raman light generated at said distal surface propagates along said fibers to be collected from the proximal surface. According to the invention, this object can be achieved by means of a Raman surface-elevation spectroscopy imaging device comprising a bundle of optical fibers having a first end, said proximal, and a second end, said distal, said distal end having a structured surface on a sub-micrometric (ie nanometric) scale and coated with a thin metallic layer, characterized in that said surface structured on a sub-micrometric scale is in the form of a network of tips each formed by a core of an optical fiber beam. According to preferred embodiments of the invention: the cores of the optical fibers may have a radial concentration gradient of a doping chemical species, because of which the refractive index of said cores decreases from the center to the periphery.
- Les pointes du réseau formé sur ladite surface structurées peuvent présenter des apex ayant un rayon de courbure compris entre 20 nm et 100 nm. - La couche mince métallique peut être réalisée en un métal choisi parmi : Cu, Ag, Au, Li, Na, K, ln, Pt et Rh. - La couche mince métallique peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm. - La distance moyenne entre deux pointes dudit réseau peut être comprise entre 200 nm et 500 pm, et de préférence entre 1 et 50 Pm- - De même, les diamètres des coeurs desdites fibres optiques peuvent être compris entre 200 nm et 500 pm et de préférence entre 1 et 50 pm. - Le dispositif peut comporter également des moyens pour injecter dans les coeurs desdites fibres optiques, au niveau de ladite extrémité proximale, une lumière d'excitation se propageant de vers ladite extrémité distale ; et des moyens pour recueillir, au niveau de ladite extrémité proximale, une lumière générée au niveau de ladite surface structurée et se propageant de manière guidée à l'intérieur des coeurs desdites fibres optiques. - Le dispositif peut comporter également des moyens d'analyse spectrale de la lumière générée au niveau de ladite surface structurée et recueillie au niveau de ladite extrémité proximale. - Ladite lumière d'excitation peut être sensiblement 25 monochromatique. Un autre objet de l'invention est un procédé d'utilisation d'un tel dispositif pour l'acquisition d'images par spectroscopie Raman à acquisition de surface. Encore un autre objet de l'invention est un procédé de 30 fabrication d'un tel dispositif comportant : The tips of the grating formed on said structured surface may have apexes having a radius of curvature of between 20 nm and 100 nm. The thin metal layer may be made of a metal chosen from: Cu, Ag, Au, Li, Na, K, In, Pt and Rh. The metal thin film may have a thickness of between 10 and 200 nm. The average distance between two points of said network may be between 200 nm and 500 μm, and preferably between 1 and 50 μm. Similarly, the diameters of the cores of said optical fibers may be between 200 nm and 500 μm and preferably between 1 and 50 μm. - The device may also comprise means for injecting into the hearts of said optical fibers, at said proximal end, an excitation light propagating from said distal end; and means for collecting, at said proximal end, a light generated at said structured surface and propagating in a guided manner within the cores of said optical fibers. The device may also comprise spectral analysis means of the light generated at said structured surface and collected at said proximal end. Said excitation light may be substantially monochromatic. Another object of the invention is a method of using such a device for image acquisition by Raman spectroscopy with surface acquisition. Yet another object of the invention is a method of manufacturing such a device comprising:
- une étape de structuration d'une face d'extrémité d'un faisceau de fibres optiques par gravure en phase humide ; et - une étape de dépôt d'une couche mince métallique sur la face structurée. a step of structuring an end face of an optical fiber bundle by wet etching; and a step of depositing a thin metallic layer on the structured face.
Avantageusement, ladite étape de structuration par gravure en phase humide peut comporter l'immersion d'une extrémité dudit faisceau de fibres optiques dans une solution aqueuse comportant un acide fort et un sel dudit acide, la composition chimique de l'acide et du sel, leurs concentrations et le temps d'immersion étant choisis de manière à obtenir une gravure préférentielle des gaines desdites fibres optiques par rapport aux coeurs. En particulier, ladite solution aqueuse peut contenir de l'acide fluorhydrique et du fluorure d'ammonium, la coricentration du fluorure d'ammonium étant supérieure à celle de l'acide fluorhydrique. Advantageously, said wet-phase etching structuring step may include immersing an end of said bundle of optical fibers in an aqueous solution comprising a strong acid and a salt of said acid, the chemical composition of the acid and of the salt, their concentrations and the immersion time being chosen so as to obtain a preferential etching of the sheaths of said optical fibers relative to the cores. In particular, said aqueous solution may contain hydrofluoric acid and ammonium fluoride, the coricentration of ammonium fluoride being greater than that of hydrofluoric acid.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1, d'une manière schématique, la structure d'un dispositif selon l'invention ; - Les figures 2A, 2B et 2C, des images de microscopie électronique de la surface distale nanostructurée d'un tel dispositif ; - La figure 3, pour comparaison, une image de microscopie électronique de la surface distale nanostructurée d'un dispositif selon l'art antérieur (Guieu et al.) ; et - La figure 4, un spectre de diffusion Raman obtenu à l'aide du dispositif de l'invention. Sur la figure 1, la référence 1 indique un faisceau constitué par une pluralité de fibres optiques individuelles 10. A titre d'exemple, le faisceau 1 peut être du type IGN-035/06 fabriqué par Sumitomo Electric, ayant un diamètre de 350 pm et constitué par 6000 fibres individuelles. Bien Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge on reading the description given with reference to the appended drawings given by way of example and which represent, respectively: FIG. 1, in a schematic way, the structure a device according to the invention; FIGS. 2A, 2B and 2C, electron microscopy images of the nanostructured distal surface of such a device; FIG. 3, for comparison, an electron microscopy image of the nanostructured distal surface of a device according to the prior art (Guieu et al.); and FIG. 4, a Raman scattering spectrum obtained using the device of the invention. In FIG. 1, the reference 1 indicates a bundle constituted by a plurality of individual optical fibers 10. By way of example, the bundle 1 may be of the IGN-035/06 type manufactured by Sumitomo Electric, having a diameter of 350 μm. and consisting of 6000 individual fibers. Good
que le faisceau 1 soit représenté dans une configuration rectiligne, il est flexible et peut être plié avec un rayon de courbure aussi faible que 15 mm. Chaque fibre individuelle 10 est constituée d'un coeur 11 en verre de silice (SiO2) dopé avec du GeO2, entourée d'une gaine 12 également en verre de silice mais dopée avec du fluore (F). D'une manière conventionnelle, les dopages sont choisis de telle manière que l'indice de réfraction du coeur soit plus élevé que celui de la gaine, de manière à assurer le guidage de la lumière. Le diamètre de chaque coeur est de l'ordre de 3 pm et les coeurs de différentes fibres individuelles sont espacés d'environ 4 pm. that the beam 1 is shown in a rectilinear configuration, it is flexible and can be folded with a radius of curvature as small as 15 mm. Each individual fiber 10 consists of a core 11 of silica glass (SiO 2) doped with GeO 2, surrounded by a sheath 12 also made of silica glass but doped with fluoride (F). In a conventional manner, the dopings are chosen such that the refractive index of the core is higher than that of the sheath, so as to ensure the guiding of the light. The diameter of each core is of the order of 3 μm and the cores of different individual fibers are spaced about 4 μm apart.
Pour des raisons qui deviendront claires par la suite, il est avantageux que le dopage des coeurs des fibres optiques 10 ne soit pas uniforme, mais diminue progressivement (par exemple linéairement) du centre vers la périphérie. Le faisceau de fibres optiques 1 comporte deux faces d'extrémité opposées, dite face proximale (référence 150) et distale (référence 100). La face distale 100 du faisceau 1 est structurée à l'échelle sub-nanométrique. Plus précisément, cette face se présente sous la forme d'un réseau de pointes coniques 13 formées chacune par un coeur 11 d'une fibre optique individuelle 10. La hauteur de chaque ponte 13 est d'environ 5-7 pm et le rayon de courbure à l'apex des pointes est compris entre 20 et 100 nm. De plus, la face distale 100 est recouverte d'une couche mince métallique 110, généralement en or ou en argent, d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres (par exemple, 10 -- 200 nm) pouvant être réalisée notamment par pulvérisation cathodique. Les figures 2A à 2C montrent des images de la face distale d'un dispositif selon l'invention, réalisées par microscopie électronique à balayage en utilisant des grossissements différents. La figure 2B, en particulier, met en évidence l'agencement relativement régulier des pointes 13. La figure 3 montre, à titre de comparaison, la surface active d'un dispositif For reasons which will become clear later, it is advantageous that the doping of the cores of the optical fibers 10 is not uniform, but gradually decreases (for example linearly) from the center to the periphery. The optical fiber bundle 1 has two opposite end faces, called the proximal (reference 150) and distal (reference 100) faces. The distal face 100 of the beam 1 is structured on a sub-nanometric scale. More specifically, this face is in the form of a network of conical tips 13 each formed by a core 11 of an individual optical fiber 10. The height of each spawn 13 is about 5-7 pm and the radius of curvature at the apex of the tips is between 20 and 100 nm. In addition, the distal surface 100 is covered with a thin metal layer 110, generally made of gold or silver, of a thickness of a few tens of nanometers (for example, 10-200 nm) which can be produced in particular by sputtering. . FIGS. 2A to 2C show images of the distal face of a device according to the invention, made by scanning electron microscopy using different magnifications. FIG. 2B, in particular, shows the relatively regular arrangement of the tips 13. FIG. 3 shows, for comparison, the active surface of a device
SERS à faisceau de fibres optiques connu de l'art antérieur, et précisément de l'article précité de V. Guieu et al. Les valeurs qui ont été indiquées pour les dimensions des pointes, l'épaisseur du revêtement métallique 110 et sa composition chimique n'ont été données qu'à titre d'exemple. L'homme du métier est en mesure de déterminer les valeurs adaptées à produire un effet d'exaltation de la diffusion Raman. La surface distale 150 du faisceau 1 peut être pourvue de moyens de connexion permettant de la relier fonctionnellement à un spectromètre Raman tel qu'un spectromètre Labram HR de Horiba-Jobin-Yvon. Un tel spectromètre comporte une source 2 de lumière d'excitation, notamment un laser ; un dispositif 3 d'analyse spectrale de la lumière, tel qu'un réseau de diffraction ; et un détecteur de lumière 4. La source de lumière (par exemple, un laser Ar-Kr émettant à 647 nm) injecte un rayonnement lumineux à l'intérieur des coeurs 11 des fibres 10 du faisceau 1. Il est entendu que les fibres doivent être susceptibles de guider ce rayonnement, que ce soi en mode unique ou en régime multimodal. Après s'être propagé le long des fibres 10, le rayonnement lumineux émis par la source 2 (dit rayonnement d'excitation) interagit par diffusion Raman avec un analyte adsorbé par le revêtement métallique 110 des nanopointes 13. D'une manière connue en soi, l'analyte absorbe la lumière d'excitation et réémet, par diffusion Raman, un rayonnement présentant un décalage en fréquence caractéristique de ses niveaux vibrationnels et permettant son identification. La lumière Raman est à son tour guidée par les coeurs des fibres optiques jusqu'à la surface distale 150, où elle est décomposée en ses composantes spectrales et analysée en fréquence. La figure 4 montre un spectre Raman obtenu à l'aide du dispositif de la fibre 1, sur la face active 100 duquel a été adsorbé du cristal violet (méthyl-violet). Le pic P1 correspond à la silice dopée à l'oxyde SERS optical fiber beam known from the prior art, and precisely the aforementioned article by V. Guieu et al. The values which have been indicated for the dimensions of the tips, the thickness of the metal coating 110 and its chemical composition have been given only by way of example. Those skilled in the art are able to determine the appropriate values to produce an exaltation effect of Raman scattering. The distal surface 150 of the beam 1 may be provided with connection means making it possible to connect it functionally to a Raman spectrometer such as a Labram HR spectrometer from Horiba-Jobin-Yvon. Such a spectrometer comprises a source 2 of excitation light, in particular a laser; a device 3 for spectral analysis of light, such as a diffraction grating; and a light detector 4. The light source (for example, an Ar-Kr laser emitting at 647 nm) injects light radiation into the cores 11 of the fibers 10 of the beam 1. It is understood that the fibers must to be able to guide this radiation, whether it is in single mode or multimodal mode. After having spread along the fibers 10, the light radiation emitted by the source 2 (called excitation radiation) interacts by Raman diffusion with an analyte adsorbed by the metal coating 110 of the nanopoints 13. In a manner known per se the analyte absorbs the excitation light and re-emits, by Raman scattering, a radiation having a frequency shift characteristic of its vibrational levels and allowing its identification. Raman light is in turn guided by the hearts of the optical fibers to the distal surface 150, where it is decomposed into its spectral components and analyzed in frequency. FIG. 4 shows a Raman spectrum obtained using the device of the fiber 1, on the active face 100 from which crystal violet (methyl-violet) has been adsorbed. The peak P1 corresponds to the oxide doped with oxide
de germanium, et peut être observé même en l'absence des nanopointes 13. Les pics P2, P3 et P4, au contraire, caractérisent l'aralyte (c'est à dire, dans l'exemple, le cristal violet), et ne sont pas détectés lorsque la face distale 100 du dispositif n'est pas structurée. Sur le graphique cle la figure 4, l'axe des abscisses représente le décalage Raman (exprimé en cm) et l'axe des ordonnée l'intensité du signal (en unités arbitraires). Etant donné que la lumière diffusée par effet Raman se propage de manière guidée le long des coeurs des fibres optiques du faisceau, l'information spatiale est conservée. Il est donc possible de déterminer la distribution spatiale, sur la face active 100, des analytes identifiés par spectroscopie Raman. Comme le montre la figure 3, les dispositifs connus de l'art antérieur, les nanopointes rendant possible l'exaltation de l'effet Raman ne sont pas réalisées en correspondance des coeurs des fibres, mais au contraire entre lesdits coeurs. Par conséquent, il n'est pas possible d'éclairer les molécules d'analyte situées au niveau desdites pointes (et donc susceptibles de produire un signal Raman exalté) par un rayonnement lumineux guidé le long des coeurs. D'où la nécessité d'éclairer la surface nanostructurée depuis l'extérieur. of germanium, and can be observed even in the absence of the nanopoints 13. The peaks P2, P3 and P4, on the contrary, characterize the aralyte (that is, in the example, the crystal violet), and not are not detected when the distal face 100 of the device is not structured. In the graph of FIG. 4, the abscissa axis represents the Raman shift (expressed in cm) and the ordinate axis the signal intensity (in arbitrary units). Since the Raman scattered light propagates in a guided manner along the cores of the optical fibers of the beam, the spatial information is preserved. It is therefore possible to determine the spatial distribution, on the active face 100, of the analytes identified by Raman spectroscopy. As shown in FIG. 3, the devices known from the prior art, the nanopoints making it possible to exalt the Raman effect, are not produced in correspondence of the fiber cores, but on the contrary between said cores. Therefore, it is not possible to illuminate the analyte molecules located at said points (and therefore likely to produce an exalted Raman signal) by light radiation guided along the cores. Hence the need to illuminate the nanostructured surface from the outside.
Il en va de même pour l'acquisition du signal Raman : seule l'utilisation d'une structure selon l'invention permet un couplage efficace de ce signal avec les coeurs des fibres optiques (même si Hankus et collaborateur affirment avoir obtenu un tel couplage en utilisant une structure dans laquelle les nanopointes sont réalisées à partir des gaines). The same goes for the acquisition of the Raman signal: only the use of a structure according to the invention allows an efficient coupling of this signal with the optical fiber cores (although Hankus and collaborator claim to have obtained such a coupling using a structure in which the nanopoints are made from the sheaths).
De plus, dans le cas des faisceaux de fibres optiques étirés, les diamètres des coeurs sont trop petits pour assurer la propagation guidée du rayonnement d'excitation et du rayonnement Raman. Il s'ensuit que l'étirement des fibres peut effectivement améliorer la résolution spatiale des mesures, mais uniquement à condition d'éclairer l'échantillon depuis l'extérieur et d'acquérir le signal Raman également depuis l'extérieur, en renonçant à exploiter les propriétés de guidage des fibres optiques. 2936064 'o In addition, in the case of drawn optical fiber bundles, the core diameters are too small to provide guided propagation of excitation radiation and Raman radiation. It follows that the stretching of the fibers can actually improve the spatial resolution of the measurements, but only on the condition of illuminating the sample from the outside and to acquire the Raman signal also from the outside, by renouncing to exploit the guiding properties of the optical fibers. 2936064 'o
Par conséquent, seule la structure de l'invention permet de réaliser de l'imagerie SERS à distance en exploitant pleinement les propriétés de guidage des fibres optiques. En particulier, seule cette structure semble autoriser l'endomicroscopie Raman. 5 Par ailleurs, des essais ont montré que les nanopointes sont très résistantes mécaniquement, et ne risquent pas d'être endommagées par contact avec un échantillon biologique. L'utilisation de fibres à gradient d'index (c'est à dire présentant une concentration de dopant dans le coeur qui diminue du centre 10 vers la périphérie) est avantageuse, car la variation radiale de l'index de réfraction tend à concentrer la lumière au centre du coeur, et donc au niveau de l'apex de la pointe. Il en résulte une plus grande efficacité de la diffusion Raman. Comme dans le cas de l'art antérieur, la nanostructuration de 15 la face active 100 du faisceau de fibres optiques 1 peut être obtenue par gravure en phase humide. Cependant, contrairement à l'art antérieur, les conditions de la gravure doivent être choisies de manière à assurer une érosion préférentielle des gaines par rapport aux coeurs. Dans ces conditions de gravure, l'oxyde de germanium agit comme agent de protection des coeurs 20 contre l'attaque chimique. On comprend que l'utilisation d'un dopage radialement variable, avec une concentration de dopant plus élevé au centre des coeurs qu'à leur périphérie, facilite l'obtention de pointes très aiguisées, plutôt que de protubérances en forme de tige. L'utilisation de fibres à gradient d'index est donc avantageuse également pour cette raison de nature 25 strictement technologique. La gravure en phase humide comporte l'immersion de l'extrémité distale d'un faisceau de fibres optiques dans un bain chimique corrosif. Le temps d'immersion et la composition du bain doivent être choisis de manière à assurer une érosion préférentielle de la gaine des fibres 30 individuelles par rapport au coeur. Les structures reproduites sur les figures 2A ù 2C ont été obtenues en immergeant pendant 90 minutes la face Therefore, only the structure of the invention makes it possible to perform remote SERS imaging by making full use of the optical fiber guiding properties. In particular, only this structure seems to allow Raman endomicroscopy. Moreover, tests have shown that the nanopoints are very mechanically resistant, and are not likely to be damaged by contact with a biological sample. The use of index gradient fibers (ie having a dopant concentration in the core which decreases from the center to the periphery) is advantageous because the radial variation of the refractive index tends to concentrate the light in the center of the heart, and therefore at the apex of the tip. This results in greater efficiency of Raman scattering. As in the case of the prior art, the nanostructuration of the active face 100 of the optical fiber bundle 1 can be obtained by wet etching. However, unlike the prior art, the etching conditions must be chosen so as to ensure preferential erosion of the sheaths with respect to the cores. Under these etching conditions, the germanium oxide acts as a protection agent for the hearts against etching. It is understood that the use of a radially variable doping, with a higher concentration of dopant in the center of the cores than at their periphery, facilitates the obtaining of very sharp points, rather than rod-shaped protuberances. The use of index gradient fibers is therefore also advantageous for this reason of a strictly technological nature. Wet-phase etching involves immersing the distal end of a bundle of optical fibers in a corrosive chemical bath. The immersion time and the composition of the bath should be chosen so as to ensure preferential erosion of the sheath of the individual fibers with respect to the core. The structures reproduced in FIGS. 2A and 2C were obtained by immersing the face for 90 minutes.
d'extrémité d'un faisceau Sumitomo IGN-035/06, préalablement polie, dans un mélange constitué par : 5 parts d'une solution aqueuse de NH4F à 40% ; 1 part d'une solution aqueuse de HF à 48% ; et 1 part d'eau déionisée. Les proportions exactes des composantes peuvent varier, pourvu que la concentration du fluorure d'ammonium reste supérieure à celle de l'acide fluorhydrique. D'autres couples acide fort/sel peuvent également être utilisés, en fonction de la composition chimique des fibres optiques (et notamment de la nature des dopants utilisés dans les coeurs et les gaines, respectivement). D'autres techniques de gravure peuvent également être l0 utilisées, comme par exemple une gravure par faisceau d'ions ; mais ces techniques sont sensiblement plus complexes et plus coûteuses à mettre en oeuvre que la gravure chimique qui constitue le mode de réalisation préféré de l'invention. end of a Sumitomo beam IGN-035/06, previously polished, in a mixture consisting of: 5 parts of a 40% aqueous solution of NH4F; 1 part of a 48% aqueous solution of HF; and 1 part of deionized water. The exact proportions of the components may vary, provided that the concentration of ammonium fluoride remains higher than that of hydrofluoric acid. Other strong acid / salt pairs can also be used, depending on the chemical composition of the optical fibers (and in particular the nature of the dopants used in the cores and sheaths, respectively). Other etching techniques may also be used, such as ion beam etching; but these techniques are substantially more complex and more expensive to implement than chemical etching which is the preferred embodiment of the invention.
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| WO1998011459A2 (en) * | 1996-09-12 | 1998-03-19 | Nanoptics, Incorporated | An enhanced resolution image guide |
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Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VIETS C ET AL: "Fibre-optic SERS sensors with conically etched tips", JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 563-564, 28 May 2001 (2001-05-28), pages 163 - 166, XP002396800, ISSN: 0022-2860 * |
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| EP3254145A4 (en) * | 2015-02-05 | 2018-11-07 | Coractive High-Tech Inc. | Method for making an optical element having a textured surface and an optical element having a textured surface |
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