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Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15696 (2015) Citer cet article

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La technique de détection des claquages ​​induits par laser (LIBD) a été adaptée pour réaliser une caractérisation in situ rapide de faisceaux de nanoparticules focalisés sous vide par une lentille aérodynamique. La méthode utilise une microsonde laser à balayage étroitement focalisée de 21 µm qui génère un plasma local induit par l’interaction laser avec une seule particule. Une détection optique en mode comptage permet la réalisation de cartographies 2D des faisceaux de nanoparticules avec un temps d'analyse réduit grâce à l'utilisation d'un laser pulsé infrarouge à haut taux de répétition. A titre d'exemple, les résultats obtenus avec les nanoparticules de Tryptophane sont présentés et les avantages de cette méthode par rapport à celles existantes sont discutés.

Les techniques basées sur le laser (par exemple, diffusion de la lumière, plasma induit par laser ou spectroscopie Raman) pour l'analyse in situ et en temps réel des nanoparticules ont été appliquées pour différentes applications, telles que le contrôle des processus ou la surveillance des déchets dans l'atmosphère ou dans l'environnement. sciences de l’environnement1,2,3,4. La facilité de leur mise en œuvre, ainsi que la possibilité d'analyse à distance, in situ et en temps réel rendent ces techniques parfaitement adaptées lorsque la manipulation des échantillons doit être minimisée ou lorsque l'échantillonnage n'est pas directement possible (éléments radioactifs ou échantillons sous vide par exemple). . De plus, la plupart de ces méthodes sont non invasives et quasiment non destructives puisque seule une infime fraction de la quantité totale de particules est utilisée pour la caractérisation.

Parmi ces techniques basées sur le laser, la LIBD est une méthode très sensible, bien connue pour la détermination des distributions de tailles de colloïdes dans des solutions aqueuses5,6,7. Dans cette technique, un faisceau laser pulsé est étroitement focalisé sur les particules et le claquage induit est ensuite détecté soit à l'aide d'une méthode acoustique (récepteur piézo) pour surveiller l'onde de choc du plasma8, soit par une méthode optique pour collecter la lumière émise9. Dans notre cas, la lumière émise par le plasma est collectée sans analyse spectrale, ce qui entraîne une sensibilité accrue par rapport à la technique classique de spectroscopie à claquage induit par laser (LIBS). Il a été démontré que le LIBD est capable de détecter des nanoparticules d'une taille aussi faible que 5 nm10 et de concentrations inférieures à 106 particules/cm3, alors que les méthodes conventionnelles de diffusion de la lumière nécessitent des conditions expérimentales plus drastiques telles que des densités de particules d'un ordre de grandeur plus grandes (au-dessus de 1010 particules/cm3). pour la détection de même gamme de taille11) et/ou de particules sous forme d'agrégats fractals12.

Le but du présent travail est d'adapter la technique LIBD afin de caractériser des faisceaux de nanoparticules générés avec un Système de Lentilles Aérodynamiques (ALS) permettant le transfert de nanoparticules de la pression atmosphérique vers le vide secondaire. La focalisation aérodynamique des particules est réalisée par compression et expansion successives d'un gaz porteur à travers une série d'orifices coaxiaux de différents diamètres. En raison des effets d’inertie, les nanoparticules sont progressivement séparées des lignes de gaz et focalisées le long de l’axe de symétrie de la lentille. Depuis leur développement initial par Peter Mc Murry13,14 en 1995, plusieurs autres groupes de recherche ont étudié ces lentilles aérodynamiques afin de caractériser et d'optimiser leurs performances15,16,17,18,19. Ces systèmes sont couramment utilisés comme outil d’introduction aux spectromètres de masse pour aérosols20,21,22,23 en raison de leur capacité à focaliser, avec une efficacité de transmission élevée, de larges distributions de taille de nanoparticules dans un faisceau de taille inférieure au millimètre. L'ALS est un outil essentiel pour les études chimiques des propriétés des particules telles que la réactivité, où il est important que l'échantillon soit exempt de toute interaction avec un substrat. Plus récemment, de tels systèmes ont également été utilisés pour obtenir une interaction efficace entre des nano-objets et des sources de rayonnement telles que les synchrotrons24, les lasers à électrons libres25,26 ou les lasers conventionnels27 pour une gamme diversifiée d'études scientifiques. Bien que la SLA ait été largement caractérisée par des simulations numériques13,18,28,29, les tentatives expérimentales visant à évaluer systématiquement leurs propriétés de focalisation sont rares19,22. Cependant, la caractérisation des faisceaux de nanoparticules est un enjeu clé, car leurs dimensions ont un impact direct sur l’efficacité de l’interaction avec une sonde spécifique. Pour les études de rayonnement synchrotron par exemple, il est important de générer un faisceau de nanoparticules avec des dimensions dans la même plage que la taille typique d'un faisceau synchrotron, soit environ 200 μm dans le cas de la ligne de lumière PLEIADES de l'installation Synchrotron SOLEIL où ce développement a été réalisé.