La technologie des puces nous offre la possibilité de contourner les limites des microscopes classiques. De plus, le développement d'un microscope à puce conduit à une toute nouvelle façon de faire de la microscopie optique, à savoir sans l'utilisation de lentilles.
"D'abord voir, puis croire" est une sagesse flamande ancienne et solide comme le roc - et aussi l'adage de la révolution scientifique qui a inauguré l'ère moderne.
Notre vision actuelle du monde est donc largement déterminée par le travail de pionnier d'un certain nombre de pionniers du passé qui, grâce à l'instrumentation la plus moderne de leur époque, ont soudainement pu voir des choses très nouvelles. Galilée pointa ainsi son télescope vers les corps célestes et devint ainsi le père de l'astronomie moderne. Et à l'autre extrême de l'échelle des longueurs, Antoni van Leeuwenhoek a découvert le monde merveilleux des organismes microscopiques, introduisant le microscope optique comme le cheval de bataille prééminent en biologie.
Au fil des siècles, le microscope optique est devenu presque une extension de l'œil humain. Il améliore la résolution, le contraste et la sensibilité avec lesquels nous pouvons percevoir des objets extrêmement petits. En d'autres termes, cela nous permet d'obtenir plus de détails vu dans un objet particulier.
Une variante du microscope optique classique est le microscope à fluorescence. Au cours des dernières décennies, il a contribué comme aucun autre à notre compréhension scientifique de tout ce qui concerne les organismes vivants et la médecine. La microscopie à fluorescence permet d'appliquer un « light flare » avec une certaine biomolécule et ainsi, par exemple, de cartographier toutes les structures inter et intracellulaires, les mécanismes d'interaction et les canaux de transport des cellules. Grâce au microscope à fluorescence, nous pouvons plus de choses à la fois voir.
Même les développements techniques les plus récents en microscopie optique sont largement basés sur le microscope utilisé par van Leeuwenhoek au 17ème siècle. Au cœur se trouve la lentille - ou plutôt la lentille d'objectif, une collection complexe de lentilles extrêmement précises qui nous permettent de voir des objets avec une résolution allant jusqu'à une demi-longueur d'onde de la lumière avec laquelle nous regardons. Pour la lumière visible, cela peut nous amener à des résolutions de 200 nanomètres. Avec un petit effort supplémentaire et des astuces spéciales, cela peut être fait encore dix fois plus finement (jusqu'à 20 nanomètres) grâce à la microscopie à super résolution. Le prix Nobel de chimie lui a été décerné en 2014.
Mais :pour ces résolutions incroyablement élevées, malheureusement, un prix doit être payé - au propre comme au figuré. Non seulement le coût augmente rapidement, mais un tel appareil prend beaucoup de place en laboratoire et doit être (et rester) aligné avec une extrême précision. De plus, avec l'augmentation de la résolution (voir plus de détails), le champ de vision ou la zone d'imagerie diminue (vous couvrez une zone plus petite). Un vrai numéro d'équilibriste.
La technologie des puces nous offre la possibilité de contourner ces limitations. Le développement d'un microscope à puce pourrait donc conduire à une toute nouvelle façon de faire de la microscopie optique.
La technologie à puce standard garantit déjà qu'un microscope à puce peut être produit à moindre coût. De plus, les puces sont très compactes et peuvent combiner différentes fonctionnalités, l'alignement des différentes parties se faisant avec une précision nanométrique.
Science fiction? Tout sauf ! Après tout, les chercheurs de l'imec – avec le soutien du Conseil européen de la recherche (ERC) – travaillent déjà au développement d'une puce aussi révolutionnaire; un microscope à puce qui devrait permettre la microscopie optique sans utiliser de lentilles.
Le microscope à éclairage structuré intégré haute résolution sur puce (IROCSIM) combine des circuits optiques intégrés avec des capteurs d'image en silicium haute résolution. Cela jette les bases d'un microscope à fluorescence compact avec un champ de vision évolutif, sans compromettre la résolution. Et la lentille ? Comme mentionné, cela n'est plus nécessaire :après tout, la résolution est obtenue d'une manière différente.
Figure 1 :La technologie à puce standard garantit qu'un microscope à puce peut être produit à moindre coût. De plus, les puces sont très compactes et peuvent combiner différentes fonctionnalités.
Le microscope à puce est basé sur une grille de photodétecteurs, une puce de capteur d'image standard ou une puce de caméra. Celui-ci détecte la lumière fluorescente, comme dans un microscope standard. Un filtre de couleur spécial et un circuit optique intégré y sont ensuite appliqués à l'aide d'un nouveau procédé de production développé par l'imec.
C'est d'ailleurs dans ce circuit optique que la magie opère. Il s'agit d'une version miniaturisée des circuits à fibre optique comme ceux que l'on trouve dans les centres de données, mais entièrement intégrée sur une puce de silicium. Cela permet d'atteindre des résolutions allant jusqu'à 100 nanomètres, sans sacrifier le champ de vision. Mais bien sûr, il y a aussi les plus grands défis.
Le circuit optique se compose de guides d'ondes, d'un séparateur de faisceau, de commutateurs optoélectroniques et de modulateurs de phase qui dirigent et façonnent la lumière laser (qui illumine l'échantillon) à l'intérieur de la puce.
En utilisant les propriétés d'onde de la lumière laser qui est guidée à travers la puce, des modèles d'interférence peuvent être générés qui consistent en des régions où il reste sombre (interférence destructive) et des régions où la lumière provenant de différentes directions s'amplifie (interférence constructive) . C'est cette interférence des ondes lumineuses qui est à l'origine du très particulier structuré motifs lumineux qui remplacent la lentille.
Figure 2 :Des motifs lumineux structurés dans un circuit optique intégré remplacent l'objectif du microscope conventionnel.
Conclusion :le microscope à fluorescence sur puce est peut-être petit, mais son impact social est tout sauf cela. Grâce à l'utilisation de la technologie des puces, la microscopie à fluorescence à haute résolution deviendra à terme beaucoup plus accessible et abordable. Dans le domaine médical, cela signifie, par exemple, que les analyses ADN peuvent être effectuées plus rapidement et à moindre coût. Mais la microscopie sur puce est certainement aussi intéressante pour dynamiser la recherche scientifique dans de nombreuses autres disciplines :parce que le microscope sera moins cher et plus petit, les laboratoires pourront acheter plus et monter leurs études différemment (ce qui permet d'utiliser plus de paramètres simultanément ). peut être suivi en temps réel). Cela offre de nombreuses possibilités, par exemple dans le domaine de la recherche biologique et pharmaceutique.
Aujourd'hui, les premières démonstrations de preuve de concept de la solution IROCSIM avancent bien. Bien que de nombreux défis techniques restent à surmonter, et qu'il reste peut-être encore quelques années devant nous pour développer davantage ce microscope à puce, une chose est claire :les premières étapes importantes ont déjà été franchies !
