Que signifie ici "résolution" ? Énigme de microscopie résolue
Une nouvelle méthode de microscopie peut identifier des molécules : la question du pouvoir de résolution s'est avérée être une énigme difficile à résoudre
Lorsque l'on évalue la qualité d'un microscope, la question décisive est la suivante : quelle est la taille des structures les plus petites que l'on peut tout juste rendre visibles ? Jusqu'à quel point deux objets peuvent-ils se rapprocher l'un de l'autre jusqu'à ce qu'ils ne soient plus visibles en tant que deux objets séparés, mais se fondent en une seule image-blob ?
Avec les microscopes optiques ordinaires, cela peut être calculé à l'aide de formules relativement simples. Mais dans de nombreux domaines, on utilise aujourd'hui des techniques de microscopie compliquées, pour lesquelles il est beaucoup plus difficile de répondre à cette question.
L'une d'entre elles est la spectroscopie infrarouge à force atomique (AFM-IR), qui permet de visualiser la répartition des substances chimiques. On peut par exemple identifier et visualiser des protéines dans une cellule grâce à cette méthode. Mais jusqu'à présent, on ne savait pas toujours si cette méthode fonctionnait bien et dans quelle situation. Le pouvoir de résolution de la méthode varie et dépend de manière complexe de nombreux effets différents. L'université technique de Vienne a réussi à décrire ces effets et à calculer le pouvoir de résolution de ces microscopes. Ce que l'on ne pouvait découvrir jusqu'à présent que par tâtonnements peut désormais être prédit de manière fiable.
Microscopes à force atomique et rayonnement infrarouge
La technique de microscopie AFM-IR fait l'objet de recherches depuis quelques années déjà à l'université technique de Vienne. Elle combine la microscopie à force atomique (AFM) et la spectroscopie infrarouge (IR).
Pour détecter les grosses molécules, comme les protéines, on peut utiliser le rayonnement infrarouge : Différentes molécules réagissent à différentes longueurs d'onde infrarouges. En mesurant à de nombreuses longueurs d'onde infrarouges différentes, on obtient ce que l'on appelle un spectre infrarouge - un peu comme l'empreinte digitale d'une molécule. Ce spectre permet d'identifier la molécule à laquelle on a affaire.
"Toutefois, on ne sait pas encore où se trouve exactement cette molécule", explique le professeur Georg Ramer de l'Institut de technologies et d'analyses chimiques de l'université technique de Vienne. On peut toutefois combiner cette méthode infrarouge avec un microscope à force atomique. On palpe alors la surface de l'échantillon avec une pointe très fine. Si une molécule qui absorbe le rayonnement infrarouge se trouve à un endroit précis, cela provoque un échauffement local à cet endroit précis. L'échantillon se dilate un peu, et cela peut être mesuré avec le microscope à force atomique. On sait alors non seulement de quelle molécule il s'agit, mais aussi exactement où elle se trouve.
La résolution exacte ? Une énigme
"De nombreux chercheurs et entreprises utilisent cette méthode avec succès, car elle permet de dire avec une très haute résolution où se trouvent les différentes molécules. Mais elle avait jusqu'à présent une sorte de sale secret", explique Georg Ramer. "Personne ne pouvait dire à quel point la résolution spatiale de la technique était élevée. Les réponses que l'on trouve à ce sujet dans la littérature - 10 nanomètres ou même 100 nanomètres - sont rarement vraiment fondées, mais plutôt des suppositions". La méthode ne fonctionne pas toujours aussi bien, elle varie d'un échantillon à l'autre.
C'est un problème, car si l'on ne connaît pas le pouvoir de résolution, on ne peut pas non plus dire pour quelles applications la méthode peut être utilisée. Il se peut que l'on réalise des expériences pour lesquelles cette technique n'est en fait pas du tout adaptée.
"Nous avons étudié cela de plus près et avons réalisé des expériences ainsi que développé des modèles de calcul et des simulations informatiques", explique Yide Zhang, l'un des deux doctorants travaillant sur le projet. "Ainsi, nous pouvons enfin expliquer précisément pourquoi il y a cet effet étrange qui fait que la résolution est parfois meilleure et parfois moins bonne".
Lorsqu'une molécule sur l'échantillon absorbe la lumière infrarouge et se réchauffe, cela ne conduit pas toujours à la même expansion mesurée. En effet, cette dilatation dépend également de la vitesse à laquelle la chaleur est dissipée et de la quantité de matière qui se trouve entre la molécule et la pointe de l'instrument. Le nouveau modèle informatique permet de calculer dans quelle mesure tel ou tel échantillon réagit à cet effet de chaleur, et dans quels cas concrets cet effet devrait être visible ou non.
En apprendre plus sur l'échantillon que jamais auparavant
"Nos résultats peuvent désormais être utilisés pour décider à l'avance si une expérience donnée avec cette méthode a un sens", explique Georg Ramer. "Et ce n'est pas tout : notre travail nous permet également d'interpréter plus correctement les expériences et d'optimiser la sensibilité et la résolution". Par exemple, jusqu'à présent, l'échantillon était généralement considéré comme une surface bidimensionnelle. Grâce aux nouvelles connaissances, il est désormais possible de faire des déclarations sur la troisième dimension : Il est désormais possible d'obtenir une image 3D de l'échantillon à l'échelle nanométrique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Yide Zhang, Ufuk Yilmaz, Gustavo Vinicius Bassi Lukasievicz, Liam O’Faolain, Bernhard Lendl, Georg Ramer; "An analytical model of label-free nanoscale chemical imaging reveals avenues toward improved spatial resolution and sensitivity"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-1-24
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