Rayonnement térahertz. Intérêt et application à l

TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
GUILHEM GALLOT1
Rayonnement térahertz. Intérêt et
application à l’étude des systèmes
biologiques
RÉSUMÉ
Le rayonnement térahertz, situé entre le domaine micro-onde et infrarouge, d’accès longtemps délicat, a
bénéficié ces dernières années d’importants progrès dus pour beaucoup aux lasers modernes femtosecondes.
Cette gamme de fréquences se caractérise par des interactions spécifiques avec la matière qui peuvent être
mises à profit en spectroscopie et en imagerie dans les domaines de la physique, de la chimie et des sciences
du vivant. L’imagerie térahertz des systèmes biologiques s’est récemment développée. Elle utilise la sensibilité
particulière du rayonnement térahertz avec l’eau et les ions en solution. Un couplage avec des techniques
d’imagerie en champ proche permet d’améliorer considérablement la résolution des images obtenues. Des
mesures sur des systèmes biologiques complexes comme le neurone sont ainsi possibles.
MOTS-CLÉS
Rayonnement térahertz, spectroscopie, microscope champ proche, solutions ioniques.
Terahertz radiation. Interest and application to the study of biological
systems
SUMMARY
Imagerie
age
The terahertz radiations, located between the microwaves and the infrared ranges, have long been a challenging domain,
but have benefited recent progress from modern femtosecond lasers.This frequency range shows specific interaction with
the matter, used in spectroscopy and imaging in physics, chemistry and biology. Recently was developed the terahertz
imaging of biological systems, based on the high sensitivity of the terahertz radiation with water and solvated ions. Near
field imaging techniques greatly improve the spatial resolution, and studies of complex biological systems such as neurons
are now at hand.
KEYWORDS
Terahertz radiation, spectroscopy, near field microscope, ionic solutions.
I - Introduction
Le domaine des ondes térahertz est situé entre les domaines micro-onde et infrarouge (entre 0,1 et 5 THz,
soit entre 3 000 et 60 μm ou encore entre 3,3 et
166 cm-1), Il est resté longtemps l’une des régions les
moins étudiées du spectre électromagnétique et ceci
est encore plus notable dans le domaine de l’imagerie.
De fait, il était jusqu’à récemment difficile de générer
et de détecter le rayonnement térahertz. Cependant,
ces difficultés sont progressivement surmontées,
notamment par l’utilisation de cycles électromagnétiques ultra-courts utilisant l’optique non linéaire ou
des dispositifs à photo-conducteurs. En particulier, la
spectroscopie térahertz dans le domaine temporel est
l’une des techniques les plus intéressantes pour l’imagerie dans cette partie du spectre (1).
De nombreuses techniques d’imagerie sont actuelle-
ment disponibles pour observer un objet en deux ou
trois dimensions. L’imagerie par rayons X possède de
nombreux avantages, qui ont contribué à l’imposer
comme un outil indispensable dans le domaine de la
médecine et du diagnostic. Cependant, les rayons X
sont ionisants, et donc présentent un danger pour les
organismes vivants. La résolution spatiale n’est pas
directement limitée par la diffraction, mais par la diffusion Rayleigh, à quelques dizaines de microns. De
plus, de nombreux matériaux, en particulier les tissus
biologiques mous, sont indiscernables en imagerie
par rayons X. Lorsqu’un haut contraste est nécessaire, l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM),
qui est principalement sensible à la concentration en
eau des matériaux, est souvent utilisée. Mais la résolution spatiale est limitée à environ 0,5 mm. D’autres
techniques, comme la Tomographie par Émission de
Positron (TEP) ou l’échographie présentent également
d’autres formes de contraste. On peut enfin citer les
1
Laboratoire d’Optique et Biosciences – Ecole Polytechnique – CNRS UMR7645 – INSERM U696 – 91128 Palaiseau Cedex – E-Mail : [email protected]
SPECTRA ANALYSE n° 263 • Septembre - Octobre 2008
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
Comparaison
d’une image visible
(gauche) de tissus
sains et malades,
avec une image
THz (droite). L’image
visible ne permet
pas de différentier les
deux types de tissus.
Par contre, les tissus
cancéreux (d1 et d3)
et les parties saines
(n1 et n2.) réagissent
différemment
au. Au milieu, les
histogrammes
correspondent à
l’absorption THz
moyenne dans
différentes zones saines
et malades [d’après
(2)].
Time Poste Pulse (Mean)
Figure 1
1,0
1,0
0,90
0,9
n1
d1
0,8
d2
4 mm
0,6
d1
d2
n1
Area description
nouvelles techniques de l’optique, comme la tomographie optique cohérente (OCT), ou les imageries multiphotoniques, qui possèdent une très bonne résolution spatiale, mais peu de profondeur de pénétration
(quelques mm). Les caractéristiques spectroscopiques
uniques des radiations térahertz ouvrent de nouvelles
perspectives dans le domaine de l’imagerie.
Avec une très faible énergie par photon (4 meV à
1 THz), elles sont sans danger pour les milieux biologiques (2). Compte tenu de leur longueur d’onde,
une résolution de quelques centaines de microns est
attendue. Mais un couplage avec des techniques de
champ proche permet, comme nous le verrons, de
briser la limite classique de la diffraction et d’obtenir
une bien meilleure résolution. Les champs d’application de l’imagerie térahertz sont vastes et progressent
fortement.
Les premières mises en œuvre de cette technique
dans le domaine des sciences du vivant ont concerné
le domaine biomédicale avec des applications dans le
domaine de l’étude des cancers de la peau (2), la détection des caries dentaires ou encore le diagnostic des
brûlures. La Figure 1 illustre l’application des THz à la
détection de tumeurs non visibles optiquement. L’utilisation d’un système d’endoscopie pourrait également
permettre la visualisation des cancers de l’œsophage
et de l’intestin.
Des études plus fondamentales concernent également
la spectroscopie des molécules biologiques. Les fréquences THz reflètent les vibrations basse fréquence
des atomes constituant les grosses molécules biologiques comme l’ADN, et dépendent de leur conformation. A titre d’exemple, la détection de ces modifications est mise à profit pour développer de nouvelles
générations de biopuces (3).
L’imagerie térahertz reprend les principales
caractéristiques de la spectroscopie térahertz.
Le contraste spécifique du térahertz, associé à
la résolution spatiale, permet à l’imagerie térahertz d’ouvrir de nouvelles perspectives dans le
domaine du diagnostic biologique, mais aussi
dans le contrôle de la qualité, ou l’identification
d’objets cachés.
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0,70
n2
0,7
II - Les principes
de l’imagerie térahertz
48
0,80
n2
0,60
0,50
1. Extension des propriétés spectroscopiques
De nombreux matériaux possèdent des spectres d’absorption caractéristiques en térahertz. C’est en particulier remarquable pour les gaz ou les flammes, dont
le spectre rovibrationnel térahertz donne une véritable
«empreinte digitale». Dans les solides, ce sont les résonances structurelles comme les phonons qui vont
modeler le spectre térahertz. Dans les liquides, l’élargissement inhomogène étant très important, ce sont
essentiellement des structures très larges et moins
représentatives que l’on rencontrera. L’eau joue un
rôle fondamental en imagerie térahertz. L’eau absorbe
fortement dans toute la gamme térahertz, par exemple à 0,5 THz, une atténuation par un facteur deux est
obtenue pour une épaisseur d’environ 45 μm seulement. Cette absorption sera fortement mise à profit
en imagerie. Les zones contenant des quantités variables d’eau présenterons ainsi un fort contraste. C’est en
particulier le cas en biologie, où par exemple la graisse
et les dents sont moins riches en eau que les tissus.
Les ions d’importance biologique fournissent également un bon contraste pour l’observation des cellules
excitables comme les neurones. Enfin, les métaux absorbent très fortement les ondes térahertz. Quelques
dizaines de nanomètres suffisent à les bloquer. Les
ondes térahertz sont donc particulièrement adaptées
pour le contrôle des circuits électroniques, ou pour les
questions liées à la sécurité comme la détection des
armes ou des explosifs.
2. La spectroscopie térahertz
dans le domaine temporel
Le principe de génération des ondes térahertz est
présenté sur la Figure 2A. Une impulsion femtoseconde est focalisée sur une antenne composée de lignes semi-conductrices, auxquelles on applique une
tension continue : un plasma électron–trou est ainsi
optiquement généré. Il s’ensuit une accélération des
porteurs sous l’effet du champ statique, et la génération d’une onde électromagnétique très brève dans la
région térahertz. Après propagation, ces impulsions
sont focalisées sur une antenne dipolaire. Cette antenne agit comme un interrupteur photoconducteur,
piloté par une seconde impulsion femtoseconde qui
génère un courant proportionnel au champ électrique
instantané de l’impulsion térahertz. En faisant varier le
retard entre les deux impulsions optiques, on mesure
ainsi le profil temporel du champ électrique de l’onde.
L’utilisation d’une transformée de Fourier numérique
Technologie appliquée
Rayonnement térahertz. Intérêt et application à l’étude des systèmes biologiques
Figure 2
(A)
(B)
Objet
Ouverture
Echantillon
Hacheur
Emetteur
Détecteur
Onde
Térahertz
Champ lointain
Retard
Laser femtoseconde
Champ proche
Ouverture
permet le passage au domaine fréquentiel. On réalise
ainsi des mesures spectroscopiques très précises sur
une vaste gamme de fréquence térahertz (entre 0,1 et
5 THz actuellement).
Un avantage majeur de l’imagerie térahertz, comparativement à l’optique, repose sur le fait que la taille des
sondes champ proche est environ 500 plus importante
ce qui rend celles-ci beaucoup faciles à réaliser.
III - La résolution spatiale
IV - Principes d’un microscope
térahertz
La nature électromagnétique des ondes térahertz font
que celles-ci sont en principe limitées en concentration
par la diffraction, comme pour la microscopie optique
classique. La taille minimale de focalisation limitée par
la diffraction est de l’ordre de grandeur de la longueur
d’onde. Typiquement, on sera ainsi limité à une résolution de 300 μm pour une fréquence de 1 THz, ce
qui est suffisant pour bon nombre d’applications. Les
premières démonstrations datent de 1995 (4), où une
feuille d’arbre et un circuit intégré semi-conducteur
ont été imagés avec une résolution de l’ordre du mm.
Pour bon nombre d’applications cependant, cette résolution n’est pas suffisante. L’introduction du champ
proche permet alors de s’affranchir de la barrière de la
diffraction.
1. L’imagerie en champ proche
Depuis cette démonstration de nombreux efforts ont
porté sur l’amélioration de la résolution spatiale, avec
en particulier le développement de techniques de
champ proche, où des résolutions inférieures à λ/100
ont été reportées. Le principe du champ proche est le
suivant : on place devant l’objet à étudier une ouverture
ou une pointe de taille inférieure à la longueur d’onde,
qu’on appelle une sonde champ proche. L’onde térahertz incidente se fractionne sur cette sonde champ
proche, ce qui augmente fortement la fréquence spatiale de l’onde, et donc la résolution. L’interaction en
champ proche entre l’onde térahertz, la sonde et l’objet
se fait cependant au détriment de la quantité de lumière transmise.
Un compromis entre la résolution spatiale (taille de la
sonde) et la quantité de signal transmise doit être trouvé
en fonction du rapport signal caractérisant la mesure.
Le principe d’un microscope térahertz est finalement
assez semblable à celui d’un microscope classique. Un
dispositif optique (lentille ou miroir focalisant) concentre les ondes térahertz sur l’objet à étudier. Actuellement, une grande majorité des dispositifs est basée
sur le spectromètre dans le domaine temporel décrit
précédemment, et qui a pour avantage de posséder
une très grande sensibilité et de pouvoir détecter de
faibles contrastes. Le principe de fonctionnement d’un
tel microscope est présenté par la Figure 2.
A) Principe d’un
microscope térahertz.
Il est basé sur un
spectromètre dans le
domaine temporel
piloté par un laser
femtoseconde dont le
principe est le suivant.
Le rayonnement
térahertz provenant
de l’émetteur est dirigé
vers l’échantillon par
un miroir parabolique,
puis vers le détecteur.
La modulation du
faisceau térahertz par
un hacheur permet
l’utilisation d’une
détection synchrone.
L’échantillon est
placé au point de
focalisation du
faisceau térahertz,
puis déplacé pour
obtenir une image.
B) Disposition
de l’échantillon
derrière l’ouverture et
distribution du champ
électromagnétique
dans l’ouverture
1. Différentes techniques en champ proche
Dans le cas d’un dispositif à champ proche, il suffit
d’ajouter devant l’objet à étudier une ouverture ou une
pointe de taille inférieure à la longueur d’onde. Différents dispositifs de microscopie en champ proche
sont présentés par la Figure 3. Dans tous ces dispositifs, la résolution est déterminée par la taille caractéristique de la sonde placée à côté de l’échantillon, et
on collecte l’ensemble de la lumière transmise. Une
première solution consiste à placer une ouverture de
taille inférieure à la longueur d’onde (figure 3A). Si
l’échantillon se trouve devant l’ouverture, aucun signal
n’est transmis. On peut également utiliser un dispositif complémentaire consistant en une petite surface
de métal bloquant l’onde térahertz (figure 3B). Théoriquement, la modulation obtenu par ces deux dispositifs est identique, le premier fonctionnant sur fond
noir. C’est le principal avantage de ce dispositif, qui
optimise le rapport signal/bruit car le bruit de fond
est minimisé. Certains dispositifs utilisent également
une pointe (figure 3C), reproduisant les techniques de
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
(B)
champ proche développées dans le visible et le proche
infrarouge.
2. Champ proche et contraste
de champ proche
Une fois des images obtenues, se pose la question de
l’extraction des informations uniquement relative à
l’échantillon. En d’autres termes, il faut connaître avec
précision l’influence de l’objet (ouverture ou pointe) sur
la résolution et plus généralement la correspondance
entre l’image obtenue et l’échantillon réel (5). Les images de l’échantillon obtenues en champ proche sont le
résultat complexe de l’interaction entre l’objet, de taille
inférieure à la longueur d’onde, et l’échantillon. Dans
des conditions strictes de champ proche, c’est-à-dire
lorsque l’objet et l’échantillon sont très proches l’un
de l’autre, des effets d’interaction mutuelle font que la
modélisation du système se révèle très compliquée. Si
maintenant l’échantillon est très éloigné, la transmission à travers l’échantillon s’obtient facilement par effet
de masque, mais les effets du champ proche disparaissent et l’on perd la résolution. Toutefois, il existe une
région intermédiaire entre le champ proche véritable
et le champ lointain, qui permet de concilier les deux
avantages : c’est la zone de contraste de champ proche.
Pour des distances situées typiquement entre la moitié
et le cinquième de la longueur d’onde, il est possible
de modéliser la transmission à travers l’échantillon par
un effet de masque, tout en gardant une précision inférieure à la longueur d’onde.
Un exemple de reconstitution d’un neurone en trois
dimensions a ainsi été obtenu en utilisant le contraste
crée par la différence d’absorption des différents ions
biologiques, en particulier le potassium et le sodium,
entre l’intérieur et l’extérieur d’un neurone (6). La Figure 4 montre l’image tridimensionnelle reconstituée
en zone de contraste de champ proche. Des mesures
dynamiques sont également possibles, ce champ d’application est illustré, par exemple, par l’étude des battements de muscles cardiaques de grenouille, avec une
résolution de 10 ms (7).
3. Imagerie par balayage
Les dispositifs d’imagerie peuvent être utilisée dans un
nombre important de configurations différentes afin
d’acquérir une image.
La première idée consiste à réaliser un balayage temporel total de façon à obtenir le spectre complet de la
portion d’échantillon analysé. L’avantage est bien sûr
d’obtenir toutes les informations spectroscopiques. Le
contraste de l’image proviendra alors de la sélection
d’une ou de plusieurs zones spectrales bien choisies.
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SPECTRA ANALYSE n° 263 • Septembre - Octobre 2008
Figure 3
(C)
Dispositifs mis en
œuvre en microscopie
térahertz champs
proche. (A) ouverture;
(B) masque ;
(C) pointe.
Malheureusement, le temps nécessaire à cette mesure
est souvent assez long, et limite ainsi le nombre de
points disponibles pour reconstituer l’image, surtout
si l’objet varie dans le temps. On devra donc souvent
se résoudre à ne balayer qu’une petite zone temporelle, ou bien tout simplement à garder le retard constant. On mettra alors à profit la variation de temps de
parcours (déphasage) de l’impulsion térahertz dans
l’échantillon, selon une approche assez similaire à ce
qui est réalisé dans le domaine de l’OCT.
Les premières images térahertz ont été obtenues par
simple balayage de l’objet dans le faisceau, transformant la transmission à travers l’objet en pixels. Il existe
un nombre important de sources de contrastes utilisables : l’amplitude totale transmise à un retard fixé,
le retard du maximum de cycle térahertz, ou encore
le déphasage d’une composante spectrale particulière.
L’une des clés de réussite de l’imagerie térahertz est la
vitesse d’acquisition de l’image. L’utilisation de pots vibrant permet par exemple de balayer une série de retards et donc de calculer rapidement des composantes
spectrales. Ces dispositifs peuvent être simplifiés par
l’utilisation de détecteurs à photoconducteurs couplés à une fibre optique ce qui permet de délocaliser
la source laser femtoseconde et la ligne à retard. Il est
également possible d’imager l’objet en réflexion, en
particulier si celui-ci se révèle trop épais ou trop absorbant pour être correctement traversé par les ondes
térahertz. Dans ce cas, il est nécessaire d’utiliser des
algorithmes de reconstruction pour estimer la forme
et la structure de l’objet réfléchissant.
Figure 4
Reconstitution en
trois dimensions de la
section d’un neurone
par imagerie térahertz
à contraste ionique (5).
150
115
100
114
50
Position [μm]
(A)
113
0
112
-50
111
-100
110
-150
0 200
400 600
50
0
-50
800 1000
Posit
-150 -100
ion [μ
[μm]
m]
Position
100
150
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Technologie appliquée
Rayonnement térahertz. Intérêt et application à l’étude des systèmes biologiques
V - Perspectives et conclusion
Il serait très profitable de pouvoir réaliser une image
térahertz à l’aide de véritables détecteurs à deux dimensions. Malheureusement, de tels détecteurs sont
encore très délicats à mettre au point. Parmi les technologies existantes, on peut citer les détecteurs électrooptiques associés à une caméra CCD, les détecteurs
continus dédiés à l’astronomie, mais aussi les systèmes
basés sur des photomixers à électrons chauds HEB
(Hot Electron Bolometer).
Il est également possible de faire tourner l’échantillon
dans le faisceau térahertz, dans des expériences de
tomographie. Des algorithmes complexes permettent alors de reconstituer l’objet en trois dimensions
à partir d’une succession d’images à deux dimensions.
Il a également été démontré que cette technique permettait de conserver les données spectroscopiques.
La principale limitation concerne les échantillons fortement diffractant qui sont pour l’instant mal reconstitués par les algorithmes. La résolution actuelle est
d’environ 4 mm.
Compte tenu de l’absorption des térahertz par l’eau,
les principaux développements de l’imagerie térahertz
dans le secteur biomédicale ont concerné l’odontologie et la dermatologie avec notamment dans ce dernier domaine la détection des cancers de la peau.
Un champ d’application bien plus vaste pourrait
s’ouvrir avec le développement d’une imagerie à distance qui nécessite l’utilisation de guides de lumière
térahertz analogues à des endoscopes.
De nombreuses pistes sont à l’étude avec l’utilisation
de guides d’onde métalliques ou des fibres en saphir.
Les fibres à cristaux photoniques ont également suscité beaucoup d’intérêt car elles sont susceptibles de
fournir des fibres aux propriétés uniques, comme
par exemple une très grande bande passante, tout en
étant souples et peu absorbantes.
L’imagerie térahertz apparaît aujourd’hui comme
une technique attractive caractérisée par un potentiel
d’application notable dans les domaines de la biologie et de la médecine. Elle se révèle complémentaire
aux autres techniques d’imagerie en offrant certaines
sources de contrastes uniques. Son développement
accru en dehors des laboratoires nécessite encore
une diminution du coût et la taille des installations
térahertz.
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