Imagerie par résonance des plasmons de surface : application en microbiologie

Abstract

P lusieurs conditions sont à res-pecter pour que ce couplage puisse avoir lieu [1]. D'une part, la partie réelle de la permittivité du mé-tal à la longueur d'onde d'excitation doit être négative. C'est le cas pour l'or, l'argent ou l'aluminium dans le visible et le proche infrarouge. D'autre part, il doit y avoir égalité du vecteur d'onde de la lumière incidente et celui du plas-mon de surface : 2π-λ n inc sin θ = 2π-λ Re -ε m ε d-ε m +ε d  avec θ l'angle d'incidence, λ la longueur d'onde incidente, n inc l'indice du milieu incident (le prisme de la figure 1) et ε m et ε d les permittivités du métal et du diélectrique (l'eau de la figure 1). Les plasmons de surface ne sont en fait qu'un cas particulier des classiques ondes guidées en réflexion totale, mais dans le cas d'une interface entre un diélectrique et une couche métallique. La condition de couplage est gé-néralement obtenue en utilisant une configuration optique mise au point par E. Kretschmann et H. Raether en 1968 [2], dans laquelle la lumière incidente, polarisée TM (transverse magnétique), traverse un prisme re-couvert d'une fine couche métallique (figure 1). Le couplage entre les pho-tons et les électrons du métal va alors se manifester par une chute brutale de la réflectivité pour un angle d'inci-dence précis qui dépend de la longueur d'onde incidente. À la résonance, le plasmon de surface ainsi créé est une onde évanescente, de part et d'autre de l'interface métal/ diélectrique, avec une profondeur de pénétration typique de quelques cen-taines de nanomètres et une longueur de propagation le long de l'interface de plusieurs microns. La finesse de la résonance et le caractère évanescent des plasmons de surface sont les deux propriétés clefs pour l'utilisation de la SPR dans le domaine des capteurs, avec la mise sur le marché des premiers appareils commerciaux au début des années 80. Les plasmons de surface sont une oscillation collective des électrons libres à la surface d'un métal due à un couplage avec des photons incidents. La première observation remonte au tout début du 20 e siècle, par le physicien et inventeur américain R.W. Wood, alors qu'il étudiait la lumière diffractée par un réseau métallique. R.W. Wood observa de très fines bandes d'absorption dans le spectre de diffraction qui ne seront expliquées qu'en 1941 par U. Fano, qui démontra que ces bandes d'absorption étaient associées à des ondes de surfaces, appelées plasmons de surface. C'est un phénomène similaire qui explique la couleur des vitraux des cathédrales, dont les verres contiennent des nanoparticules métalliques présentant des bandes d'absorption plasmonique dans le visible. Figure 1. Schéma de principe d'un système SPR : une lumière quasi-monochromatique, polarisée TM et collimatée, éclaire une fine couche métallique déposée sur un prisme. Une onde évanescente de type plasmon est générée à l'interface métal/eau, ce qui se traduit par une résonnance d'absorption très étroite angulairement (moins de 1°).