Pince optique

Les pinces optiques sont des outils qui se basent sur la réfraction d’un faisceau laser en milieu transparent, pour maintenir et déplacer physiquement des objets diélectriques (qui ne conduisent pas le courant électrique) microscopiques. Ces pinces trouvent surtout des applications dans la biologie, notamment dans la manipulation de cellules et d’organites, mais aussi, dans la chimie-physique.

Les objets diélectriques sont attirés au centre du faisceau. La force qu'ils ressentent est proportionnelle au déplacement par rapport au centre du faisceau, bloquant l'objet comme s'il était attaché par un ressort.

Historique

C’est au XVII^e siècle que l’Allemand Johannes Kepler, (Weil der Stadt 1572–Ratisbonne 1630) remarqua les premiers effets de la lumières sur des particules. Il avait déduit qu’une pression était exercée par le soleil sur des particules échappées d’une comète. Celles-ci fuyaient dans la direction opposées à l’étoile.

Puis en 1873, l’écossais James Clerk Maxwell (Edimbourg 1831–1879) prouve théoriquement que la lumière est capable d’exercer une force sur la matière (plus connu sous le nom de pression de radiation ou force lumineuse). Soixante ans plus tard, l’autrichien Otto Robert Frish (Vienne 1904 – 1979) a pu dévier un faisceau d’atomes de sodium en le bombardant de lumière provenant d’une lampe à sodium.

En 1975, l’allemand Theodor Wolfgang Hänsch (prix Nobel de physique en 2005 pour ses travaux sur la spectroscopie) et l’américain Arthur Leonard Schawlow (Mount Vernon 1921-1999, prix Nobel de physique en 1981, également pour ses travaux en spectroscopie.) proposèrent l’idée de piéger des atomes à l’aide de laser. Dix ans plus tard, Steven Chu (St Louis 1948, aujourd’hui secrétaire américain de l’énergie) a été en mesure de réaliser la proposition de Hansch et Schalow dans une technique de refroidissement appelé « mélasse optique », qui consiste à ralentir la vitesse des atomes en les piègent avec un laser, et donc abaisser la température du gaz. Cela l’emmena jusqu’au prix Nobel de physique en 1997 avec ses collaborateurs William Phillips et Claude Cohen-Tannoudji.

Le terme de pince optique n’apparut qu’en 1986, lorsque Arthur Ashkin travaillant pour « Bell Laboratories » et collaborateur de Steven Chu lors de ses recherches sur la « mélasse optique » réussi à accélérer des microsphères transparentes en latex plongé dans l’eau à l’aide d’un seul rayon laser. En 1987, il parvint à piéger des objets biologiques vivant toujours avec un seul rayon. Le monde scientifique s’empare de cette technique de piégeage optique, l’utilise pour un éventail de manipulation de plus en plus étendu et l’améliore sans cesse pour rendre cet outil indispensable à tout laboratoire de recherche en biologie ou en physique [0].

On considère les pinces optiques selon deux échelles. A l’échelle atomique : la cible est plus petite que la longueur d’onde du laser, on considère dans ce cas le laser comme un faisceau de photon. Tandis qu’a l’échelle cellulaire la cible est plus grande que la longueur d’onde, on considère alors le rayon laser comme tel. Nous étudierons donc les pinces optiques selon ces deux échelles. Dans la première partie, nous expliquerons comment un atome peut être piégé par la lumière, pour cela nous aurons besoin de rappeler certaines notions essentielles à la compréhension du phénomène. Nous finirons par une application du piégeage d’atome. Dans la deuxième partie, nous verrons le dispositif nécessaire pour piéger une cible telle qu’une cellule, ainsi que les principes et les lois qui permettent l’immobilisation de celle-ci. Nous finirons également par une application du piégeage optique en biologie.

Fonctionnement sur les atomes

Notion de base

Les photons

La lumière est une onde électromagnétique, c'est-à-dire que la lumière est à la fois un champ électrique et magnétique oscillant à la fréquence µ et se propageant dans le vide à 3x10⁸ m/s. L’énergie de la lumière est transmise par « quanta », c'est-à-dire par quantités bien définies. Ces quantas de lumières sont ce que l’on appelle aujourd’hui « photon ». Ils représentent l’aspect corpusculaire de la lumière [1]. A une onde lumineuse de fréquence µ correspond des photons : - d’énergie E=hv avec h = 6,626... x 10^–34 joule.seconde (constante de Planck), v = fréquence de l’onde électromagnétique (supposée sinusoïdale). - de quantité de mouvement p= hv /c avec c = 3 x 10⁸m/s (la vitesse de la lumière dans le vide).

Les atomes

Les atomes sont des "grains de matière" dont la taille est de l’ordre de l’angström, 10^–10 mètre [1]. Ils sont constitués d’un noyau composé de neutrons (charge neutre) et de protons (charges positive: q = 1,6 x 10^–19 coulomb), autour duquel "gravitent" des électrons dont la charge est opposée à celle des protons (–q = –1,6 x 10^–19 coulomb). Grâce aux théorèmes de la physique quantique, il est possible de déterminer l’énergie d'un atome. Elle est égale à la somme des énergies cinétiques des nucléons avec l’énergie potentielle électrostatique qui les lie entre eux. Selon un processus d’absorption et d’émission de photons que nous verrons plus tard, un atome peut changer de niveau d’énergie. Lorsqu'un atome est dans un niveau d’énergie supérieur à son niveau fondamental, on dit qu’il est excité. Les valeurs d'énergie des différents niveaux accessibles à un atome sont discrètes et dépendent de son nombre de protons et d'électrons. La mesure des énergies d’absorption ou d’émission d'une atome permet d'en déterminer le spectre d’énergie.

Figure 1 : Schéma d’un atome

Figure 2 : Diagramme d’absorption d’un atome

Absorption

Lorsqu’un atome est soumis à un rayonnement électromagnétique il peut absorber un photon. Ainsi l’atome initialement dans un niveau d’énergie fondamentale passe alors dans un niveau d’énergie supérieur. Comme la quantité de mouvement doit être conservé, l’atome absorbe la quantité de mouvement du photon ainsi l’atome recule. Cependant comme les valeurs d’énergie de l’atome sont discrètes, un atome donné ne peut absorber que des photons d’énergie proche de la variation d’énergie entre différents niveaux de l’atome [1].

Emission spontanée

L’émission spontanée est la réponse d’un atome excité suite à l’absorption d’un photon. En effet l’état excité d’un atome n’est pas un état stable, c’est pourquoi après un temps de l’ordre de 1 à 100 nanosecondes l’atome redescend dans son état fondamental. Ce passage d’un niveau d’énergie élevé a un niveau d’énergie plus faible s’accompagne de l’émission d’un photon dans n’importe quelle direction et donc par conservation de la quantité de mouvement l’atome subit un recul dans le sens opposé à l’émission de photon [1].

Emission induite

La présence d’un rayonnement incident peut induire un atome excité à émettre un photon ayant les mêmes caractéristiques que les photons incidents. Cela à condition que l’énergie de ces photons soit « résonnante », c’est-à-dire que h soit égale à l’écart d’énergie entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. Dans cette émission induite, qui constitue la réciproque du processus d’absorption, le photon créé par l’atome en se désexcitant a même fréquence et même direction de propagation que le rayonnement incident. Ce processus, qui permet d’amplifier une onde lumineuse, est à la base du fonctionnement des lasers [2].

Le laser

Le premier laser a été réalisé en 1960 par l’Américain Theodore H. Maiman. Le mot « laser » est un acronyme de l’anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Le laser est donc un amplificateur reposant sur le principe de l’émission induite. Dans un laser ce principe a lieu à grande échelle sur un très grand nombre d’atomes identique C’est pourquoi un laser a la particularité d’émettre une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. Il s’agit d’une lumière dite cohérente, contrairement à celle émise par une ampoule à incandescence, qui émet de nombreuses ondes de fréquences et phases diverses et ce dans toutes les directions [2].

Les mécanismes physiques

Comme nous l’avons vu précédemment la lumière peut interagir avec la matière. En effet, lors de l’absorption d’un photon par un atome celui-ci subit un recul. Ce transfert de quantité de mouvement donne lieu à une force,qui, rapportée à l’unité d’aire, donne lieu à une pression. Donc une onde électromagnétique peut exercer une pression sur la matière, c’est ce que l’on appelle «  la pression de radiation ». Donc s’il est possible de faire subir un recul à un atome en l'excitant, on peut, en lui appliquant deux rayonnements électromagnétiques de directions opposées et de même fréquence (correspondant à un niveau excité de l'atome), immobiliser cet atome ou le "piéger". C’est ainsi que dans les années 1970, de nombreux chercheurs utilisèrent des lasers pour piéger des atomes. Le premier piège optique qui fut mis au point fut le refroidissement Doppler. C’est le principe le plus élémentaire.

Refroidissement Doppler

Le refroidissement Doppler est basé sur le principe de l’effet Doppler pour ralentir des atomes. C’est ce principe qui permet d’expliquer pourquoi le bruit d’une voiture se dirigeant vers un observateur apparaît plus aigu lorsque celle-ci s’approche de lui que lorsque celle-ci s’en éloigne. En effet la fréquence d’une onde mesurée par un observateur dépend du mouvement relatif entre lui et la source. Plus précisément si V est la vitesse relative entre un observateur et une source selon l’axe observateur-source, « c » la vitesse de propagation des ondes et f0 la fréquence des ondes mesurée dans le référentiel de la source, alors la fréquence mesurée par l’observateur est égale à f = f0(1 – V/c) [3]. Pour ralentir des atomes grâce au refroidissement Doppler, on applique deux rayons laser sur des atomes. Pour que ce principe fonctionne les deux lasers doivent être disposés dans la même direction mais dans des sens opposé. De plus la longueur d’onde des photons émis par le laser doit être légèrement inférieure aux longueurs d’onde d’absorption des atomes à piéger. En effet, comme les atomes sont initialement en mouvement, pour que quand l’atome se déplace dans la direction du laser la fréquence apparente du rayon laser soit à la fréquence d’absorption de l’atome, celle-ci doit être inférieure. Par exemple : si un atome de Rubidium a une vitesse V=300 m.s − 1 et que celui-ci absorbe des photons d’énergie E0= h avec h = 6,626... x 10–34 joule.seconde alors le laser devra émettre des photons d’énergie E = E0(1-V/c) = 2[1-300/ (8 x 108)] = 1,999999250 eV Avec c = 8 x 108m/s (la vitesse de la lumière dans le vide) et  = fréquence de l’onde électromagnétique Si E0 =2 pour que l’atome absorbe les photons émis par le laser ceux-ci doivent avoir une énergie E inférieur à E0 et donc comme E = hdoit être inférieur à . Lorsque l’atome à absorbé un photon celui-ci subit un recul de la quantité de mouvement p= h /c. Après un court instant l’atome excité émet un photon identique à celui absorbé précédemment mais dans une direction aléatoire ce qui engendre sur plusieurs émissions une variation moyenne de mouvement nul. C’est grâce à cette propriété de l’émission qu’il est possible de ralentir les atomes par la lumière. De plus comme la durée entre l’absorption et l’émission est de l’ordre de la nanoseconde cela signifie que l’atome peut accomplir de nombreux cycle absorption-émission par seconde et donc subir une très forte décélération. Par exemple, pour l’atome de Sodium, la durée qui sépare deux cycle absorption-émission spontanée est de l’ordre de la durée de vie du niveau excité avec = 3.10-8s. Pendant un temps t = 3s, il y a donc de l’ordre de t/108 cycles, et la quantité de mouvement gagnée pendant t vaut vt) = (t/x( h /c). La force moyenne F exercée sur l’atome est égale à la variation moyenne de quantité de mouvement divisée par l’intervalle de temps correspondant. D’où : F= h /cL'accélération correspondante pour un atome de Sodium est de environs 106m/s soit 100 000 attraction terrestre. De plus le temps nécessaire à l’immobilisation de l’atome vaut T = V0/a=10-3s où V0 est la vitesse initiale de l’atome. Pendant cette durée l’atome aurais parcouru L=(V0)2/(2a) = 0,5m. Cependant en ralentissant les atomes voient la fréquence des photons laser varié (effet Doppler). Pour que les atomes restes en résonance, c'est-à-dire qu’ils continuent à absorber les photons qui arrivent dans le sens inverse au déplacement de l’atome, il faut que la fréquence du laser se modifie pour se rapproché de la fréquence d’absorption de l’atome. Pour ce faire il existe deux méthodes. La première est « le balayage en fréquence » qui consiste à augmenter la fréquence du laser au fur et a mesure que l’atome ralenti. La seconde est « le ralentisseur Zeeman » : un champ magnétique inhomogène décale légèrement les niveaux d’énergie de façon à se que la fréquence d’absorption soit toujours en résonance avec la fréquence du laser perçu par l’atome [4].

Figure 3 : Principe du refroidissement Doppler selon une direction En plaçant trois paire de laser, un dans chaque direction de l’espace on obtient une mélasse optique qui ralenti les atomes et les pièges. Leur agitation thermique, diminue, et l’on peut de cette manière atteindre des températures de l’ordre de 100 microkelvins (10–4 K).

Refroidissement Sisyphe

Les expériences menées par C.Cohen-Tannoudji à l’école normale supérieure de Paris ainsi que celle de Stephen Chu à l’université Stanford en 1989 misent en évidence que les atomes pouvaient être refroidis à des températures bien plus basses que celle prédites par la théorie du refroidissement Doppler. En effet, la disposition des lasers face à face engendrent des interférences créant un « paysage » de vallée et de mont de potentiel, auquel les atomes ne seraient peu sensibles s’ils n’étaient pas considérablement ralentis au préalable. La température pour que les atomes soient sensible au relief de potentiel doit être de l’ordre du dixième de milli kelvin. Quand ils gravissent une colline ils ralentissent, et inversement quand ils descendent une vallée. Mais le passage de l’atome d’un sous niveau d’énergie a un niveau supérieur (appelé pompage optique) change le relief qu’il aura à traversé. Le principe du refroidissement Sisyphe est donc de placé par pompage optique un atome dans une vallée alors qu’il se trouvait précédemment au sommet d’une colline. La répétition de ce système permet donc de placé constamment l’atome dans une vallée pour le faire ralentir jusqu'à ce que celui-ci arrive à un niveau d’énergie cinétique insuffisante pour gravir une nouvelle colline. L’atome se retrouve donc enfermé dans une vallée. On obtient ainsi un réseau d'atomes régulièrement disposés dans l'espace dans les puits de potentiel. Ce réseau est analogue à un cristal, mais la distance entre les atomes est beaucoup plus grande, de l'ordre du micron et non de l'Angström [5] [6]. Ce mécanisme tient son nom du héros mythologique Sisyphe condamné à pousser éternellement un rocher vers le sommet d’une montagne, roché qui retombe dans la vallée aussitôt le sommet atteint. Il permet d’atteindre des températures environ cent fois plus basses que le refroidissement Doppler : de l’ordre du microkelvin (10–6 K).

Figure 4 : Mécanisme de refroidissement Sisyphe : un atome est contraint à monter des collines sans en descendre jusqu'à l'épuisement de son énergie et se retrouve piégé dans un puits de potentiel.

Figure 5 : Configuration à quatre faisceaux lasers (a) créant pour les atomes un paysage de bassins et de collines (b). Grâce au mécanisme de refroidissement Sisyphe, la plupart des atomes sont prisonniers dans les bassins où ils résident un temps très long.

Refroidissement subrecul

Le refroidissement Sisyphe étant limité par recul subi par un atome qui absorbe ou émet un photon, la température minimale est bornée par l’agitation correspondant à la vitesse de recul. C’est pourquoi en 1988 l'équipe du laboratoire Kastler-Brossel a proposé une méthode de refroidissement " subrecul". Elle consiste à bloquer sélectivement l'absorption de photons par les atomes de vitesse quasi nulle. Pour ce faire la fréquence des faisceaux laser est choisi de façon a ce que les photons ne soit pas résonnant avec les atomes ayant une vitesse nulle. Ce système permet donc de conservé l’immobilité des atomes pendant que d’autre tendent à annuler leur vitesse. En théorie ce principe permettrai d’immobilisé entièrement des atomes si les dispositifs expérimentaux étais parfais ce qui n’est jamais le cas. Ainsi en procédant d’abord à un refroidissement Doppler puis Sisyphe et enfin Subrecul les températures obtenu furent de l’ordre du nano kelvin (10–9 K), soit le milliardième de degré au-dessus du zéro absolu [6].

Bien que la lumière laser permet de ralentir et confiné les atomes dans un espace réduit, elle ne permet pas à elle seul de les confiner pendant un temps très long. C’est pourquoi pour augmenter la duré du piège optique on ajoute à la mélasse optique un champ magnétique inhomogène. Un tel champ a pour effet de déplacer les niveaux d’énergie atomiques et, s’il est bien choisi, permet de modifier l’absorption de photons laser par les atomes en fonction de leur position. Plus précisément, on place de part et d’autre du centre de la mélasse deux bobines, parcourues par des courants électriques de sens opposés [7].

Application : Des atomes ultrafroids aux horloges atomiques

Pendant de nombreuses années la seconde était défini à partir de grandeur astronomique ce qui la rendais peu précise. Depuis 1967 la seconde est définie comme étant 9 192 631 770 fois la période de l'onde électromagnétique résonante avec la transition dite hyperfine entre les deux niveaux les plus bas de l'atome de césium.

Pour effectué ces mesures on prépare un jet d'atomes de césium dans un des deux niveaux. On fait interagir ces atomes avec une onde électromagnétique, et l'on regarde si les atomes ont subi une transition vers l'autre niveau. On ajuste alors la fréquence de l'onde de manière à maximiser le nombre d'atomes ayant subi la transition désirée, et on peut enfin, en comptant électroniquement les périodes de cette onde, construire une horloge fournissant un top toutes les secondes. Les performances de ces horloges sont excellentes puisqu’elles ont une précision relative meilleure que 10-14, c’est-à-dire qu’au bout de 3 millions d’années, l’erreur accumulée par l’horloge serait inférieure à une seconde [6]. Cependant grâce aux atomes froids la précision de ces horloges atomiques a pu être accru jusqu'à une précision relative de 1,4 x 10–15 (erreur d’environ une seconde tous les vingt millions d’années). En effet les atomes froids permettent un temps de mesure plus élevé. Ces horloges à atomes froid fonctionnent avec une fontaine à atome. Le principe est d’envoyer des atomes froids vers le haut à une vitesse de 3 à 5 m/s grâce à un faisceau laser. Les atomes interagissent une première fois avec l’onde électromagnétique puis sous l’effet de la gravité font demi-tours et interagissent une seconde fois avec l’onde. Le temps de mesure avec une fontaine de un mètre est donc de l’ordre de la seconde soit cent fois plus longue que pour une horloge traditionnelle. Actuellement les projets de la recherche en terme d’amélioration des horloges atomiques est d’utilisé le principe des horloges atomique à atome froid dans l’espace puisque la précision de ces horloges est limité par l’accélération de la pesanteur.

Fonctionnement à l’échelle cellulaire

A l’échelle cellulaire, les pinces optiques sont des outils qui servent à déplacer des corps diélectrique, c'est-à-dire qui ne peuvent conduire un courant électrique, microscopique en exerçant sur eux de faibles forces à l’aide de faisceau laser fortement focalisé. On doit l’utilisation des pinces optiques dans la biologie et la médecine à Arthur Ashkin, qui, en 1970 à mis en évidence la déviation par un faisceau laser d’une bille transparente microscopique [1]. Ce phénomène, qui a trouvé aujourd’hui une infinité d’application, est dû à la réfraction de la lumière dans les milieux transparents. Mais avant d’expliquer le phénomène, intéressons nous au dispositif nécessaire pour pouvoir manipuler des cellules, et leurs organites.

Dispositif

La création d’un piège nécessite plusieurs étapes : tout d’abord le choix du milieu dans lequel se trouve la cible, celui du laser en fonction de la cible, le choix des dispositifs optiques pour créer le piège à l’endroit souhaité.

Le choix du milieu

La seule caractéristique du milieu est que son indice de réfraction (n1) doit être inférieur à celui de la cible (n2). En effet, pour que la cible soit attirée vers le centre du piège, il faut que l’angle entre la normale au plan de séparation du milieu et de la cible et le rayon incident (i1) soit supérieur à l’angle entre cette normale et le rayon réfléchit (i2). La réfraction suivant la loi de Snell-Descartes , pour que i1>i2, il faut n1<n2.

Le choix du laser

Le choix du laser est primordial. Il doit être continu et de faible puissance, compris entre 0,1W et 1W. Plus un piège est puissant, plus il est raide. Avec cette gamme de puissance, on atteint des raideurs comprises entre 0,5 et 50pN [8]. La relation liant la puissance P du laser et la force F du piège est : Avec n l’indice du milieu, Q le facteur de qualité du laser, généralement égale à 1% et c la vitesse de la lumière dans le vide [9]. Si le laser est trop puissant : on risque d’opto-découper la cible. En effet, une puissance trop importante échaufferait et détruirait partiellement voir totalement la cible, cela pourrait également déclencher des réactions photochimique au cœur de la cellule et donc modifier les conditions de l’expérience. Ces dommages sont appelés dommage optique ou opticution. Ces opticutions n’ont pas la même ampleur selon la cible, en effet, plus elle est absorbante à la longueur d’onde du faisceau laser, plus les dommages sont important. Il est donc nécessaire de choisir une cible quasi-transparente face à la longueur d’onde du faisceau. Ou plutôt une longueur d’onde face à laquelle les matériaux biologiques sont quasi-transparents Cette transparence est indispensable car même avec un laser de faible puissance, l’intensité au foyer de la pince optique est d’environ dix millions de watt par centimètre carré. Cependant, malgré ces précautions, cette forte intensité au foyer de la pince cause une hausse de la température, hausse minimisée par les échanges thermiques entre la cellule et le milieu dans lequel elle baigne [10] [11]. Un bon piège optique est celui qui causera le moins d’opticution. Le centre du piège optique est situé au point focal du faisceau laser (figure 6) : en focalisant ce faisceau par l’objectif du microscope, on obtient alors un piège proche du point focal du microscope. Ainsi, on peut observer facilement la cible, et le piège restera dans le plan d’observation.

Les outils optiques

Un objectif de microscope est idéal car il est de forte ouverture numérique, nous verrons par la suite l’utilité de cette forte ouverture numérique. Mais elle permet en outre d’avoir le centre du piège le plus petit possible. C'est-à-dire comprit entre 0,5 et 1 μm [9]. Les ouvertures numériques sont généralement comprises entre 1,2 et 1,4 [10].

Figure 6 : schéma du dispositif du piège optique. Note : ouverture numérique= avec n l’indice du milieu. Nous verrons par la suite qu’il est nécessaire que ce soit un pinceau laser, c'est-à-dire un large faisceau, qui traverse l’objectif du microscope [9]. Pour créer ce pinceau, on utilise un expanseur à la sortie du laser de la source. Un expanseur est constitué de deux lentilles convergentes placées de sorte que le point focal image de la première soit confondu avec le point focal objet de la seconde (figure 7) : la première, de forte vergence, fait converger le faisceau vers le point focal objet de la deuxième de faible vergence. Il en ressort alors un faisceau élargit : un pinceau.

Figure 7 : Un expanseur.

Pour augmenter les capacités des pinces, et donc leur éventail d’expériences possible, il a fallu trouver un moyen de déplacer le piège optique. Il est possible de déplacer l’échantillon en laissant le piège fixe : on emmène la cible au piège. Mais il est aussi possible de manier le piège dans les trois dimensions. En considérant l’échantillon horizontal. On peut déplacer le piège verticalement en approchant ou en éloignant l’objectif de la cible. Le point focal, donc le piège, se déplace avec la lentille car les deux sont indissociables. Pour le déplacer de gauche à droite on utilise un système de deux lentilles appelées système d’orientation du faisceau. Il est composé de deux lentilles convergentes équivalentes et d’un miroir dichroïque, qui est un miroir qui reflète uniquement des rayons d’une certaine fenêtre de longueur d’onde et est transparent face aux autres. Le déplacement latéral de l’une des lentilles se traduira d’un déplacement horizontal du centre du piège [10].

L’observation

Le piège est en place, il suffit d’allumer la lumière du microscope, coupler à un condenseur pour éclairer uniformément l’échantillon pour qu’une caméra CCD (caméra qui convertit les signaux lumineux en signaux électriques) puisse observer les manipulations et d’ajouter un détecteur de position pour mesurer les déplacements du piège (figure 8).

Figure 8 : Pince optique complète Note : ici, le système d’orientation est placé de telle sorte qu’il ne modifie pas la marche du faisceau : le point focal image de la première lentille est confondu avec le point focal objet de la seconde. Nos recherches nous ont montrés qu’il était aussi possible de créer un des pièges multiples soit grâce à plusieurs lasers, soit grâce à un seul faisceau et un réseau de microlentilles qui va le diviser en plusieurs faisceaux [12]. On a ensuite un couplage de plusieurs dispositifs comme celui que nous avons présenté dans la première partie. (Figure 9). On peut également créer plusieurs pièges grâce à un seul faisceau. On envoi le faisceau sur un miroir qui commute rapidement en plusieurs postions différentes. On obtient dans le plan de l’échantillon autant de pièges que de positions qu’occupe le miroir [13].

Figure 9 : Pièges multiples. Dans ce dispositif, on se sert de miroirs de balayage à la place du système d’orientation.

Le fonctionnement

Trois phénomènes rendent possible la manipulation d’objet par la lumière : la réfraction, la pression de radiation et l’action du champ électrique du faisceau laser sur la cible. Cependant, on peut expliquer comment la lumière parvient à piéger ces objets uniquement grâce aux principes d’optiques géométriques [14].

La réfraction

Pour créer un piège dans les 3 dimensions, la cible doit être transparente, pour qu’il puisse y avoir le phénomène de réfraction : quand la lumière passe d’un milieu à un autre d’indice différent, elle est déviée en suivant la loi de Snell-Descartes. Ici lorsqu’elle passe à travers une bille de petite taille et transparente, elle est réfractée à son entrée et à sa sortie. Cela modifie la direction de propagation de la lumière, et donc la direction de quantité de mouvement photonique, qui rappelons le vaut . Par le principe de l’action et de la réaction appelé aussi troisième loi de newton : « tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B», la quantité de mouvement de la cible est modifié aussi. A étant la cible et B le faisceau, et la force exercé de A sur B la modification de la direction de quantité de mouvement du faisceau due à la réfraction de la lumière. Donc il s’exerce sur la bille une force égale à la différence entre la direction de quantité de mouvement du faisceau à l’entrée de la cible et la direction de quantité de mouvement du faisceau à la sortie (figure 10). Ainsi, lorsqu’on place la cible dans un gradient d’intensité, la quantité de mouvement étant plus importante d’un côté que de l’autre, dû au nombre plus important de photon voyant sa quantité de mouvement modifié, la cellule aura tendance à aller vers le champ de plus forte intensité (figure 10) [8] [9].

Figure 10 : Transfert de quantité de mouvement et force résultante s’appliquant sur une cible placée dans un gradient d’intensité.

Note : s’applique sur la bille. On envoi le faisceau à travers l’objectif, qui est une lentille convergente de forte ouverture numérique. Le pinceau est alors focalisé dans le plan d’observation du microscope. Il devient un cône. Lorsqu’il touche la cible, elle va se diriger vers le champ de plus forte intensité qui le centre du faisceau. Ensuite c’est la forme en cône du pinceau qui amène la cible vers le centre du piège. En effet, l’inclinaison est telle que la réfraction donnera toujours une résultante des directions de quantité de mouvement vers le centre du piège [12]! Comme la cible est toujours attirée vers le centre du piège, si on déplace le piège, on déplace la cible avec [8].

Figure 11 : La cible est piégée ! Le piège fonctionne sans considérer la partie corpusculaire de la lumière. Mais qu’engendre-t-elle ? Le champ électrique engendré par le laser et la synergie des photons convergent

Le champ électrique

Un faisceau laser possède un champ électrique de plus forte intensité en son centre. Et la cible va se diriger vers ce champ de plus forte intensité. En effet, sous l’action d’un champ électrique non-uniforme, une particule diélectrique se polarise. Il devient alors un dipôle électrostatique et est alors sensible aux fluctuations d’un champ électrique. La cible aura donc tendance à se déplacer vers le champ de plus forte intensité : le centre du faisceau [15].

La pression de radiation

Les photons exercent aussi une pression axiale sur la cible. En effet, la totalité des photons n'est pas réfractée, une partie est réfléchie. En se réfléchissant sur la paroi de la cible, ils vont lui céder une partie de leur quantité de mouvement. Cette force va entrainer la cible dans le sens de propagation de la lumière : c’est la pression de radiation [16]. C’est la que nous remarquons l’intérêt de l’expanseur et d’une lentille à forte ouverture numérique pour focalisé le faisceau de la pince. En effet, pour ne pas que la cible s’échappe à cause de cette pression de radiation, il faut que les rayons réfracté génèrent une plus grande force vers l’arrière que la pression de radiation. Or plus les rayons périphériques arrivant sur la cible sont inclinés, plus cette force est importante. Les rayons les plus inclinés par l’objectif seront ceux le plus loin du centre de celui-ci, un large faisceau laser, un pinceau, est donc nécessaire. De plus, plus l’ouverture numérique de l’objectif est importante plus les rayons seront inclinés. Il faut donc un expanseur et un objectif à forte ouverture numérique pour un piégeage 3D (figure 12) [12]. Cependant, on peut s’en passer pour un piégeage à deux lasers ou en 2D (figure 12). Sur une cible non-transparente, seule la pression de radiation s’applique sur la cible. Elle se trouve alors projeté dans le sens de propagation de la lumière tout en restant au centre du faisceau. Ce phénomène a été observé par Kepler au XVII^e siècle grâce aux comètes et à leur queue déviée par la lumière du soleil [8].

Figure 12 : différents pièges possible.

Application

L’intérêt des pinces optiques est qu’elles sont une méthode non-invasives, c'est-à-dire avec aucun contact matériel, de déplacer des objets. Ainsi l’opérateur ne perturbe pas les conditions de son expérience. De plus, il est possible de manipuler des organites à l’intérieur d’une cellule sans en perforer la membrane ! Ou même de manipuler les chromosomes à l’intérieur du noyau, toujours sans aucun dégât pour le reste de la cellule. La simplicité du dispositif permet d’adapter sans difficulté une pince optique sur n’importe qu’elle microscope. Tous ces avantages font que les pinces optiques sont largement utilisées aujourd’hui en médecine et en biologie. Souvent, les pinces servent à saisir des microsphères, de polystyrène généralement, fixée à l’organisme étudié. L’avantage est que l’on peut fixer ponctuellement ces billes à une lamelle en augmentant la puissance de la pince au point souhaité. Cela permet de garder fixe une partie de l’organisme tout en opérant sur une autre partie [11].

Mesure d’élasticité

L’un des pionniers de la recherche sur les pinces optiques, Steven Chu, s’est intéressé aux propriétés élastiques de la molécule d’ADN. Lui et son équipe ont fixé une microbille à chaque extrémité de la molécule. Puis, soit en piégeant chacune d’elle, soit en fixant l’une à la lamelle, et en piégeant l’autre, ils ont étirés la molécule. Ensuite, il relâche l’une des deux microbilles et étudie le retour au repos de la molécule. Ainsi, ils ont validé des théories sur la physique des polymères quand ils sont loin de l’équilibre [11].

Mesure de force

Le corps humain possède des cellules motrices, comme les spermatozoïdes qui utilisent une force mécanique pour se déplacer. On mesure facilement leurs forces de déplacement en les piégeant, puis en diminuant petit à petit la force du piège, on relève la valeur à laquelle le spermatozoïde s’est échappé. Elle correspond alors à la force de propulsion flagellaire du gamète. Le corps possède aussi des protéines motrices, comme la kinésine. Elle utilise un mécanisme chimique complexe pour se déplacer le long de microtubule : elle possède deux moteurs globulaires qui sont alternativement fixé au microtubule. Entre ses deux fixations, une réaction chimique engendre une force qui fait pivoter la kinésine. Le déplacement de celle ci sur le microtubule se fait sous forme de « pas ». Ce second mécanisme sert au transport d’organite et de vésicule à l’intérieur même de la cellule (figure 13). Le but est de mesurer la force chimique qui fait pivoter la kinésine. On fixe à une microbille piégé par une pince optique une protéine de kinésine que l’on dépose sur un microtubule. La protéine entame alors sa progression, emportant avec elle la bille. Le déplacement de la bille par rapport au centre du piège est proportionnel à la force exercée par la kinésine pour avancer. Une pince de faible rigidité (≈ 0,02 pN/nm) est utilisée lorsque l’on veut mesurer le déplacement élémentaire de la kinésine. La force maximale est mesurée en utilisant une pince optique plus rigide. Ainsi, on a constaté que la force maximale développé par cette protéine motrice est comprise entre 5 et 7 pico Newton [8].

Figure 13 : mesure de la force développée par la kinésine.

Conclusion

Encore peu connue du grand public la pince optique est un outil qui présente de nombreuses utilités dans le monde scientifique. Actuellement en pleine essor, nous avons-nous même été témoins de cette expansion puisque nous avons observé une forte augmentation au cours de l’année des résultats des recherches Google sur ce sujet. Cet engouement s’explique par les avantages des pinces optiques face aux autres techniques de micromanipulation car elle permet de manipuler des particules de taille très petite à petite sans risquer de les endommager. En effet la manipulation se fait par méthode non-invasive et avec une excellente précision. De plus cette technique est encore en évolution et ne cesse d’être optimisée pour s’adapter à des applications très spécifique et très variés allant des horloges atomiques à atomes froids, au OGM en passant par la microchirurgie laser. Sans oublier qu’elles ont permis la récente observation du condensat de Bose Einstein prédit au XIX^e siècle. Pour conclure les pinces optiques ne sont aujourd’hui qu’à leur naissance elles présentent à un bel avenir avec de nombreux projets comme par exemple les bios puces ou les ordinateurs quantiques.

Bibliographie

[0] Optical tweezers

[1] Cours de Chimie Physique de François Humbert et d’optique géométrique de Gilles Parent

[2] Le Laser par Romain GRESSET, Gontran LOBET, Clément PONÇOT, Gaëlle RENOUD-LIAS http://eurserveur.insa-lyon.fr/LesCours/physique/AppPhysique/approphys/9Math&Phys/Laser/principe.html

[3] A. Aspect et J. Dalibard, « Le refroidissement des atomes par laser », La Recherche 261, vol. 25, 30 (1994)

[4] Conférence tenu par Claude Cohen-Tannoudji en 1996 http://www.canal-u.tv/producteurs/science_en_cours/dossier_programmes/matiere_et_energie/du_cote_de_la_recherche/claude_cohen_tannoudji_1996

[5] G. Grynberg, « Une matrice de lumière pour ranger des atomes », La Recherche 256, vol. 24, 896 (1993)

[6] L'équipe du Laboratoire Kastler Brossel, dirigée par Claude Cohen-Tannoudji « de la lumière laser aux atomes ultafroids » http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm

[7] Arnaud POUDEROUS « Refroidissement et piégeage d’atome de chrome » 2007 http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/16/90/09/PDF/These_pouderous_2007.pdf

[8] Les pinces optiques en biologie et en médecine Catherine Coirault, Jean-Claude Pourny, Francine Lambert, Yves Lecarpentier : http://ist.inserm.fr/basismedsci/2003/ms_3_2003/364_Coirault_DT.pdf

[9] Machines Moléculaires : TD Pinces Optiques : http://biologie.univ-mrs.fr/upload/p204/TD_pinces_optiques.pdf

[10] Optical tweezers From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

[11] S. Chu, « Le piégeage optique de particules neutres », Pour la Science 174, 30 (1992)

[12] Piégeage Optique: Microbilles, cellules et micro-organismes au doigt et à l’œil Guy Delacrétaz, Laboratoire d’optique appliquée Faculté STI - section microtechnique EPFL, Lausanne, Switzerland : http://biologie.univ-mrs.fr/upload/p204/TD_pinces_optiques.pdf

[13] Détermination des modules élastiques du cytosquelette du globule rouge humain par pinces optiques. Guillaume Lenormand, Sylvie Hénon et François Gallet : http://guillaume.lenormand.free.fr/pdf/mecano.pdf

[14] Optical tweezers, Yiyi Deng Harvard University http://laser.physics.sunysb.edu/~yiyi/2003/tweezers.html

[15] Direction des sciences du vivant, diélctrophorèse. http://www-dsv.cea.fr/instituts/institut-de-recherches-en-technologies-et-sciences-pour-le-vivant-irtsv/unites-de-recherche/laboratoire-biopuces-biopuces/projet-medics/dielectrophorese

[16] La pression photonique http://240plan.ovh.net/~upngmmxw/projets/contrib/TIPE_Vivien_Parmentier.pdf

[17] Michael Berns, « Pinces et ciseaux optiques », Pour la science 2006

Liens externes

• (en) http://www.stanford.edu/group/blocklab/Optical%20Tweezers%20Introduction.htm
• (en) http://opticaltweezers.blogspot.com/

Voir aussi

• Biophysique

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