La chambre optique PIRISM (PICCEL Related Imaging System for Microscopy) de l'incubateur sous pression PICCEL (Pressurized Incubators for the Culture of Cells, Embryos and Larvae) a été conçue pour l'observation in vivo d'organismes biologiques par microscopie optique. Dans le système originel un volume de 0,2 ml est maintenu dans une gamme de pressions pouvant aller jusqu'à 300 bars et de température allant de 2 à 100 °C [1 ].

Dans la version Andréa, le corps de la chambre optique a été rainuré pour permettre le bobinage d'un fil résistif sans augmenter l'encombrement. L'utilisation de joints d'étanchéités métalliques entre les fenêtres d'observation en saphir et le corps de la chambre en acier a permis d'étendre la gamme des pressions permises jusqu'à près de 2300 bars et de monter la température de l'ensemble au delà de 200 °C. La chambre est raccordée au reste du système par un assemblage bicônes sur du tube 1/8".
Avec le modèle de fil chauffant représenté ici  (Thermocoax : résistance totale 19 ohms, diamètre 1 mm, température maximale d'utilisation 600 °C) la chambre optique a pu être maintenue à plus de 400 °C pendant toute la durée de la cinétique de dissociation de l'acide oxalique et ses mesures de spectrométrie raman.

En raison de son volume expérimental et de sa gamme de pression, cette cellule constitue un intermédiaire intéressant entre le système d'autoclave et la cellule à enclumes de diamant pour les biosciences.

Pour les études avec les organismes vivants ou des liquides corrosifs, le fluide de mise sous pression et le fluide du volume expérimental peuvent être découplés grâce à un séparateur (assemblage cylindrique au centre du montage ci-dessus) . Ce séparateur (un piston libre) est conçu pour fonctionner avec une pression de service allant jusqu'à 4000 bars pour une température de 100 °C. Les matériaux de construction autorisent une stérilisation par autoclave du séparateur. L'ensemble du montage est fixé sur un support dont le dimensionnement est compatible avec les platines de microscopes optiques classiques.
L'utilisation de fenêtres en saphir bombées permet d'améliorer la qualité d'observation en réduisant l'épaisseur des fenêtres sans diminuer la gamme de pressions disponible.

A droite en haut, observations en microscopie optique en transmission (photo 90 μm de côté) de Saccharomyces cerevisiae sur une lame (à gauche) et dans Andréa à travers une fenêtre plane de 3 mm (au centre) ou une fenêtre bombée de 1 mm (à droite). En bas, en microscopie confocale (photo 180 μm de côté) sur une lame (à gauche) et dans Andréa à travers une fenêtre plane de 3 mm (au centre) et une fenêtre bombée de 1 mm  (à droite).

Les premières applications du nouveau système ont permis de réaliser la calibration absolue d'un nouveau senseur de pression, les Fluosphères® [2 ].

La fluorescence de ces microsphères est excitée par la raie à 514.5 nanomètres d'un laser à argon ionisé. Le spectre résultant présente trois larges bandes très intenses à 534 (F1), 558 (F2), et 598 (F3) nanomètres (figure ci-contre).
Pour ce travail de calibration, la fluorescence des Fluosphères® a été étudiée en fonction de la pression (0.1-4 GPa), de la température (295-343 K), du pH (3-12), de la salinité et de la nature du milieu transmetteur de pression. L'utilisation de la chambre optique Andréa  a permis d'acquérir les spectres de fluorescence avec une mesure absolue de la pression (capteur piézoélectrique) jusqu'à 1540 bars. Les spectres ont été collectés sur le raman du département de minéralogie de l'IMPMC à travers des fenêtres en saphir de 3 mm d'épaisseur.

Avec l'extension des gammes de pression et température, la chambre optique est un outil particulièrement bien adapté à la réalisation d’expériences en conditions hydrothermales, ce qui lui ouvre un vaste domaine d’application en géosciences.  Le faible encombrement et la bonne tenue en pression permettent d’effectuer des études de suivi in situ au cours du temps sur des durées de plusieurs semaines. Le suivi par spectroscopie Raman de la réaction de carbonatation d’éclats d’olivine par un fluide riche en CO2 est une application possible. Les premières expériences (F. Dufaud, IMPMC ) ont permis de suivre la dissociation d’acide oxalique sous pression et de vérifier l’étanchéité de la cellule vis-à-vis d’un mélange CO2-H2O en conditions super critique sur une durée de deux mois.

L'acide oxalique se dissocie, sous pression et température, pour former une phase gazeuse et une phase liquide. Le spectre raman ci-contre a été pris sous pression, avant la dissociation de l'acide oxalique, à travers des fenêtres en saphir de 3 mm d'épaisseur. Durant ces expériences, des dépôts se sont formés sur les fenêtres donnant un rapport signal sur bruit très faible. Toutefois, l’ensemble des tests ayant validé le protocole une expérience de carbonatation d’olivine est en cours.

 

Références:
[1] Pradillon, F, Shillito, B, Chervin, J-C, Hamel, G, et Gaill, F, Pressure vessels for in vivo studies of deep-sea fauna,  High Pressure Research; Vol. 24, No. 2, June 2004, pp. 237–246
[2] Picard, A, Oger, P, Daniel, I, Cardon, H, Montagnac, G et Chervin, J-C, A sensitive pressure sensor for diamond anvil cell experiments up to 2 GPa: FluoSpheres®, J. Appl. Phys., 2006 (100)

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