Caractérisation de la nanocavitation de nanoparticules plasmoniques irradiées hors-résonance par impulsions ultra-brèves

Ces dernières années, la génération de nano-bulles plasmoniques a suscité un vif intérêt dans le domaine de la recherche. Elles trouvent une place particulièrement importante en nanochirurgie cellulaire où des nano-bulles sont induites près de la membrane cellulaire dans le but de la perturber ou la perforer. Ainsi, il est possible d'y introduire des médicaments, des brins d'ADN pour de la thérapie génique ou même de l'endommager pour induire sa mort. En irradiant la zone ciblée avec un laser à impulsions focalisé, un plasma est formé au point focal et permet de générer cette bulle. L'idée d'y inclure des nanoparticules permet de concentrer l'énergie optique dans un petit volume à leur voisinage et d'assurer un ciblage précis des zones à traiter. La bulle est dans ce cas produite par le chauffage de la nanoparticule. Cependant, un problème sous-jacent est qu'une élévation de température trop importante peut déformer ces nanoparticules. Celles-ci ne sont alors plus capables de générer des bulles. Elles peuvent également se fragmenter et poser des problèmes de cytotoxicité. Récemment, une nouvelle méthode pour générer des bulles par interaction hors-résonance a été mise en évidence. En irradiant les nanoparticules à une longueur d'onde légèrement décalée de leur résonance, on peut former un nano-plasma dû à l'amplification locale de champ autour de la nanoparticule. Ce plasma permet de produire une bulle sans chauffer la nanoparticule, diminuant ainsi les risques de l'endommager. Ce mécanisme alternatif dépend fortement des conditions d'irradiations et des caractéristiques des nanoparticules. Actuellement, peu de données expérimentales sont disponibles sur l'irradiation hors-résonance des nanoparticules sphériques. Une des premières raisons est le grand nombre de variables pour une expérience de cavitation par irradiation de nanoparticules. Les paramètres d'irradiation comme la longueur d'onde, la durée de l'impulsion ou encore le mode d'irradiation peuvent aller respectivement de l'UV à l'infrarouge, du continu au femtoseconde et de l'impulsion unique à un train d'impulsions. En spécifiant l'étude à l'irradiation hors-résonance, on réduit drastiquement les données de la littérature à quelques ensembles de valeurs. Plusieurs modèles théoriques existent aussi à ce jour, décrivant le comportement des nanoparticules sphériques pour différents paramètres. Le modèle multi-échelle et la conception robuste (Rational Design ) tout deux développés dans notre laboratoire en sont des exemples. Cependant,ils s'accompagnent de peu de résultats expérimentaux. L'objectif ici présenté est une étude quantitative sur l'irradiation hors-résonance des nanoparticules sphériques, indispensables pour affiner la compréhension des mécanismes mis en jeu et tester le pouvoir de prédiction de ces modèles.

Abstract

The generation of nanobubbles around nanoparticules in liquid by ultrafast off-resonance irradiation is studied. When focusing a laser on a targeted area, a plasma is generated at the focal point and can create those vapor nanobubbles. The idea to include nanoparticules allows to concentrate optical energy in a small volume and guarantees an improved targeting of the areas to be treated. In this case, the bubbles is produced through the heating of the nanoparticle. However, an underlying problem is the potential deformation of the nanoparticle due to an elevated temperature. Those are no longer able to generate bubbles. Also, they can fragment and raise safety concerns. We concentrate our study in the off-resonance irradiation regime. Using a slightly detuned wavelength from their plasmon resonance, a nanoplasma can be produced by the near-field amplification around the nanoparticle. This plasma can generate bubble while avoiding heating, reducing risk of fragmentation. This plasma-mediated mechanism is strongly dépendent on the time regime of the irradiation and the nanoparticle plasmon resonance. Currently, few experimental data are available about off-resonance irradiation of spherical nanoparticles. One of the primary reasons is the broad range of variables for that kind of experiments. For example, the irradiation wavelength can cover from the UV to infrared region, the pulse duration can be between a continuous laser to a femtosecond regime and finally the irradiation can use single pulse or a pulse train. Restricting to off-resonance study,the quantity of data available in the literature are drastically cut to a few materials. Some theoretical models exist, they are precious tools to describe the behavior of nanoparticles for various experimental conditions. The multiscale modelling and the Rational Design both developed in our laboratory are examples.In this context, this work aims to perform a quantitative study on off-resonance irradiation of spherical nanoparticles, essential to a deeper understanding of the mechanisms involved and to test the predictive power of these models. However, characterizing numerous samples of nanoparticles requires a clear methodology including measurements, data processing and a definition of the cavitation threshold. In the literature, no standardized test exists. Multiples detection systems can be found with variable resolution or efficiency. Sometimes, cavitation threshold is defined with the transmission loss in the sample when a nanobubble deviate part of a probe beam or by the probability to detect a bubble. In both cases, methodology are seldom detailed. For the sake of simplicity and flexibility, a system based on a probe beam deviation had been chosen. Bubbles can be detected with a diameter starting from 800 nm.