Imagerie chimique hyperspectrale non linéaire multimodale à l’aide de la microscopie à génération de somme et de fréquence vibrationnelle à balayage linéaire

La génération de somme de fréquence vibrationnelle (VSFG), une technique optique non linéaire de second ordre^1,2, a été largement utilisée comme outil de spectroscopie pour profiler chimiquement des échantillons de symétrie autorisés 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Traditionnellement, le VSFG a été appliqué aux systèmes interfaciaux 8,9,10,11 (c’est-à-dire gaz-liquide, liquide-liquide, gaz-solide^, solide-liquide), qui n’ont pas de symétrie d’inversion – une exigence pour l’activité VSFG. Cette application de VSFG a fourni une multitude de détails moléculaires sur les interfaces enfouies 12,13, les configurations des molécules d’eau aux interfaces 14,15,16,17,18 et les espèces chimiques aux interfaces 19,20,21,22.

Bien que le VSFG ait été puissant dans la détermination des espèces moléculaires et des configurations aux interfaces, son potentiel dans la mesure des structures moléculaires de matériaux dépourvus de centres d’inversion n’a pas été exploité. Cela s’explique en partie par le fait que les matériaux peuvent être hétérogènes dans leur environnement chimique, leur composition et leur disposition géométrique, et qu’un spectromètre VSFG traditionnel a une grande zone d’éclairage de l’ordre de 100 μm². Ainsi, la spectroscopie VSFG traditionnelle rapporte des informations moyennées par ensemble de l’échantillon sur une zone d’éclairage typique de 100 μm². Cette moyenne d’ensemble peut conduire à des annulations de signaux entre des domaines bien ordonnés avec des orientations opposées et à une mauvaise caractérisation des hétérogénéités locales 15,20,23,24.

Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des objectifs de microscope à haute ouverture numérique (NA) et à réflexion (géométries Schwarzschild et Cassegrain), qui sont presque exempts d’aberrations chromatiques, la taille de la mise au point des deux faisceaux dans les expériences VSFG peut être réduite de 100 μm 2 à 1-2 μm² et, dans certains cas, submicronique²⁵. En tenant compte de cette avancée technologique, notre groupe et d’autres ont développé VSFG en une plate-forme de microscopie 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Récemment, nous avons mis en place une disposition optique inversée et un schéma de détection à large bande³⁷, qui permet une collecte transparente d’images multimodales (VSFG, génération de deuxième harmonique (SHG) et optique à fond clair). L’imagerie multimodale permet d’inspecter rapidement les échantillons à l’aide de l’imagerie optique, de corréler différents types d’images et de localiser les positions des signaux sur les images d’échantillons. Grâce à l’optique d’éclairage achromatique et au choix de la source d’éclairage laser pulsé, cette plate-forme optique permet l’intégration transparente de techniques supplémentaires telles que la microscopie à fluorescence³⁸ et la microscopie Raman, entre autres.

Dans ce nouvel arrangement, des échantillons tels que des organisations hiérarchiques et une classe d’auto-assemblages moléculaires (MSA) ont été étudiés. Ces matériaux comprennent le collagène et le biomimétique, où la composition chimique et l’organisation géométrique sont importantes pour la fonction ultime du matériau. Parce que le VSFG est un signal optique non linéaire de second ordre, il est particulièrement sensible aux arrangements intermoléculaires^39,40, tels que la distance intermoléculaire ou les angles de torsion^, ce qui en fait un outil idéal pour révéler à la fois les compositions chimiques et les arrangements moléculaires. Ce travail décrit les modalités VSFG, SHG et fond clair de l’instrument de base constitué d’un laser à semi-conducteurs à cavité dopé à l’ytterbium qui pompe un amplificateur paramétrique optique (OPA), d’un microscope inversé multimodal et d’un analyseur de fréquence monochromateur de fabrication artisanale couplé à un détecteur à dispositif à couplage chargé (CCD)^{bidimensionnel 27}. Des procédures de construction et d’alignement étape par étape, ainsi qu’une liste complète des pièces de l’installation, sont fournies. Une analyse approfondie d’un MSA, dont la sous-unité moléculaire fondamentale est composée d’une molécule de sulfate de sodium-dodécyle (SDS), un tensioactif commun, et de deux molécules de β-cyclodextrine (β-CD), connue sous le nom de SDS@2 β-CD ici, est également fournie à titre d’exemple pour montrer comment le VSFG peut révéler des détails géométriques spécifiques à la molécule de la matière organisée. Il a également été démontré que les détails géométriques spécifiques à la chimie de la MSA peuvent être déterminés avec une approche de solveur de fonction de réseau neuronal.