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Le microscope optofluidique : miniature... et sans lentilles !

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Réduit à un cube d'à peine deux centimètres de côté, ce microscope ne comporte aucun élément optique. L'image se forme par contact direct de l'échantillon emporté dans un chenal large de quelques dizaines de microns. Cette conception étonnante, qui réinvente intégralement le microscope, mais qui utilise le principe connu dit du champ proche, a déjà donné ses premiers résultats. Applications possibles en médecine et en biologie.

Schéma du tunnel dans lequel l'échantillon (l'objet violet) est emporté, passant au-dessus des trous (points noirs) qui surmontent les éléments photosensibles. © Changhuei Yang

Après les laboratoires-sur-puce, capables d'analyser un gaz ou un liquide sur la surface d'un circuit électronique, voici le microscope-sur-puce. Une équipe regroupant des chercheurs de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et du CalTech (California Institute of Technology) y travaille depuis plusieurs années et vient de présenter une description complète de l'engin ainsi que deux séries d'observations obtenues avec deux modèles de microscopes dits optofluidiques...

Pour miniaturiser un microscope, commençons par supprimer les lentilles, trop encombrantes. La seule possibilité d'obtenir une image à haute résolution est alors de poser directement l'échantillon sur la surface sensible et d'éclairer par dessus. Si l'objet à observer est transparent et suffisamment fin, chaque élément sensible du capteur détectera la lumière ayant traversé l'échantillon verticalement et donnera un pixel.

Figure 1. L'instrument, constitué d'un circuit et surmonté d'un cube transparent transmettant la lumière. A gauche, la pièce de monnaie, un quarter mesurant 24,26 millimètres de diamètre, donne l'échelle. © National Academy of Sciences, Pnas (2008)

Ce principe est celui de la microscopie en champ proche (Near field scanning optical microscope, NSOM), qui n'a pas été imaginé pour réduire la taille de l'instrument mais pour dépasser la limite de résolution théorique d'un microscope optique, correspondant à la longueur d'onde de la lumière utilisée. En plaçant au-dessus de chaque élément photosensible du capteur un trou d'un diamètre plus petit que cette longueur d'onde, on peut en principe obtenir une meilleure résolution.

En 2006, l'équipe américano-suisse a réalisé le  prototype d'un NSOM ajoutant une idée originale : déplacer l'échantillon au-dessus pour effectuer un balayage, en faisant appel aux techniques des circuits microfluidiques, utilisés pour réaliser les laboratoires-sur-puce. Le principe est illustré dans le schéma de la figure 2. Il faut imaginer une dispositif miniature, gravé comme un circuit électronique. Le capteur (CMos) constitue la base de la structure et il est surmonté d'une surface conductrice percée de trous d'un diamètre très petit (un micron) et alignés. Par gravure toujours, un canal est creusé dans la couche se trouvant au-dessus, et constituée d'un polymère, le PDMS (polydiméthylsiloxane). Le tout est fermé par une couche du même matériau. Transparente, la structure est éclairée par dessus.

Figure 2. Schéma de principe. En A, l'objet à étudier (le rond jaune) est placé sur un capteur formé d'éléments sensibles (les carrés blancs). L'image obtenue en champ proche comprend autant de pixels que d'éléments sensibles. La résolution (distance minimale entre deux points distinguables l'un de l'autre) est donc égale à la taille des éléments sensibles. Si on dispose au-dessus du capteur un grille percée de trous (B), chacun d'eux se trouvant au-dessus d'un élément photosensible, la résolution n'est bien sûr pas améliorée. On peut faire mieux en bougeant la grille par saccades pour effectuer un balayage (raster scan), comme en C. Après chaque mouvement élémentaire, un cliché est pris, la série servant ensuite à reconstituer l'image. La résolution s'améliore. Tout se passe comme si les éléments sensibles avaient la taille des trous. En D, on obtient le même effet avec un mouvement de translation. La solution du microscope décrit dans l'article est figurée en E. Les trous (et les éléments sensibles sous-jacents) sont installés sur une ligne diagonale et c'est l'échantillon qui bouge, emporté par le liquide (flow). Dans le modèle réalisé par l'équipe, les trous ont un diamètre de 1 micron et sont espacés de 9,9 microns. © Xiquan Cui et al. (image extraite de la publication dans les Pnas)

La preuve par l'image

On obtient un tunnel dans lequel passe un fluide porteur coulant comme une rivière souterraine. Dans ce flot miniature, l'échantillon à observer est emporté et passe au-dessus des petits trous. L'astuce réside dans leur taille, plus petite que celle des éléments sensibles qui formeront chacun un pixel. En défilant devant le trou, l'objet réalise une sorte de scan à l'échelle de ce pixel. Les trous, faiblement espacés, sont alignés selon une diagonale qui traverse le chenal. Chaque élément envoie ses informations à un ordinateur dont le logiciel reconstitue l'image après le passage complet de l'échantillon.

Ce principe subtil (et un peu difficile à se représenter...) a été mis à l'épreuve et l'équipe vient de fournir toutes les explications dans la revue Pnas (Proceedings of the National Academy of Sciences). Les chercheurs y décrivent aussi un second modèle, dit électrocinétique, dans lequel le mouvement du fluide est imposé par un champ électrique.

Le premier type de microscope convient bien aux objets longs et fins. Pour présenter les possibilités de l'instrument, les chercheurs ont observé un ver bien connu des laboratoires, Caenorhabditis elegans (un nématode vivant dans le sol et long d'environ un millimètre), qui sert de modèle en génétique depuis une trentaine d'années. Le second modèle est plus adapté aux formes rondes, le champ électrique produisant un mouvement de rotation. Les chercheur lui ont soumis des cellules de microalgues planctoniques (Chlamydomonas), du pollen de mûre et des billes de polystyrène.

Ces test démontrent une résolution d'environ 0,9 micron pour le premier modèle et de 0,8 pour l'instrument électrocinétique. Elle est faible comparée à celle d'un microscope électronique, dont les meilleurs descendent au demi angström, mais excellente pour un microscope optique. Selon ses inventeurs, cet engin simple, miniature et peu coûteux a un grand avenir en biologie mais aussi en médecine, par exemple pour détecter plus rapidement des infections parasitaires comme la malaria. De plus, le principe se prête à d'autres utilisations, comme la spectrométrie.

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