Le rayonnement électromagnétique térahertz (THz) couvre un domaine de fréquence allant de 100 GHz à 10 THz, c’est-à-dire à la frontière entre les micro-ondes et les infrarouges lointains. De cette position résulte un certain nombre de propriétés optiques ou quasi-optiques (comme la lumière) et de modes de propagation/pénétration proches de ceux des ondes électromagnétiques. Les applications de ce rayonnement dans le domaine biomédical ont vu le jour lorsque les mécanismes de pénétration et de diffusion ont pu être éclaircis [ 1, 2] et utilisés pour différencier des milieux aux propriétés électromagnétiques différentes (conductivité, pénétration) [ 3]. Plus récemment, le passage des spectroscopies THz aux technologies impliquant le domaine temporel (THz-TDS) marque une évolution cruciale vers une utilisation croissante de spectromètres miniaturisés ayant de nombreuses applications « de terrain », en particulier dans le domaine médico-légal pour la détection de drogues illicites [ 4].

Après avoir rappelé les bases physiques des modes d’interaction des ondes THz avec la matière puis les différentes applications de ces rayonnements dans le domaine de la santé, nous évoquerons de possibles réserves d’ordre sanitaire à l’utilisation régulière de ces nouvelles technologies.

De manière générale, l’interaction entre une onde électromagnétique et la matière peut se définir soit au niveau corpusculaire (atomique ou moléculaire), soit par la mise en jeu des phénomènes collectifs dans un matériau ou un tissu. Pour qu’il y ait interaction et qu’elle soit enregistrable, il faut qu’il existe un « contraste », c’est-à-dire que les différentes parties soient plus ou moins réactives (transparentes ou réfléchissantes) afin que l’on puisse les discriminer [ 5]. Certains objets émettent eux-mêmes un rayonnement THz à température ambiante, dont l’intensité est proportionnelle à leur absorption. Le milieu environnant doit, bien entendu, être transparent pour que le rayonnement issu de l’objet atteigne le détecteur. Il convient donc dans un premier temps de décrire l’interaction entre une onde électromagnétique THz et la matière, afin de comprendre pourquoi un matériau est plus ou moins opaque, réfléchissant ou émissif dans ce domaine spectral. Ce dernier s’étend typiquement entre 0,1 et 10 THz correspondant à des longueurs d’onde de 30 µm à 3 mm (Figure 1). L’énergie des photons (entre 0,4 et 40 meV) est trop faible pour interagir avec les transitions entre états électroniques des atomes ou molécules (~ 1 eV) ou avec les énergies de vibration moléculaire (40 ~100 meV). Ces photons ne peuvent exciter que des résonances de faible énergie au sein de la matière. L’interaction onde THz-molécule sera intense lorsque la molécule portera un fort moment dipolaire comme c’est le cas des molécules d’eau. Pour la matière solide, plusieurs modes d’excitation existent : vibrations collectives du cristal (phonons), excitation de porteurs libres (métaux et semi-conducteurs) etc. De manière pratique, chaque fois qu’une résonance est susceptible d’être mise en jeu dans ce domaine, l’onde est absorbée et le matériau apparaît opaque en imagerie. De plus, si ces résonances sont assez étroites du point de vue spectral, la réponse THz porte la signature spécifique du matériau. Ainsi pourra-t-on dresser l’image des objets dans le domaine THz en s’appuyant sur leurs propriétés de transparence ; de plus, l’analyse de la réponse spectrale de l’objet permettra de connaître sa composition chimique. Pour les applications en imagerie, l’indice de réfraction des matériaux joue aussi un rôle important. Ces deux paramètres sont interdépendants, l’indice de réfraction présentant une forte variation au voisinage du pic d’absorption.

Figure 1. Le domaine THz en fonction de l’échelle de fréquence, de longueur d’onde, d’énergie (d’après [5]).

Figure 1. Le domaine THz en fonction de l’échelle de fréquence, de longueur d’onde, d’énergie (d’après [5]).

La spectroscopie THz-TDS (THz-TDS terahertz time-domain spectroscopy) est basée sur l’utilisation d’impulsions électromagnétiques ultrabrèves d’une durée de l’ordre de la picoseconde permettant d’acquérir un spectre associé couvrant le domaine THz. Ces impulsions permettent de caractériser des matériaux ou dispositifs en transmission et/ou en réflexion. Le principe de la caractérisation en transmission est donné sur la Figure 2. À partir des enregistrements temporels des impulsions THz obtenus avec puis sans le dispositif à caractériser, on obtient, par transformée de Fourier, les spectres de ces impulsions THz. Leur rapport conduit au coefficient de transmission complexe de l’échantillon, lequel est lui-même fonction de l’indice de réfraction et du coefficient d’absorption du matériau et de son épaisseur [ 6]. La génération et la mesure des impulsions THz sont réalisées à partir d’impulsions optiques ultrabrèves délivrées par des lasers femtosecondes.

Figure 2. Principe de la caractérisation d’un échantillon par spectroscopie THz dans le domaine temporel. TF : transformée de Fourier (d’après [6]).

Figure 2. Principe de la caractérisation d’un échantillon par spectroscopie THz dans le domaine temporel. TF : transformée de Fourier (d’après [6]).

La technique THz-TDS constitue l’un des rares moyens d’étude de la stabilité de molécules liées entre elles par des interactions faibles, par exemple des liaisons hydrogènes. De nombreuses molécules biologiques telles que les protéines, les polypeptides et l’ADN sont stabilisées par de telles liaisons [ 7, 8]. L’analyse THz-TDS de ces composés fournit donc d’importantes informations sur les dynamiques conformationnelles de ces biomolécules et peut être utilisée comme moyen d’identification. Dans l’exemple de la myoglobine, Ueno et al. [ 9] ont montré qu’il était possible de mettre en évidence, par un profil spectral THz, l’existence de modes rotationnels et vibrationnels propres qui gouvernent les propriétés de cette molécule.

Dans un autre domaine, certains médicaments peuvent exister sous plusieurs formes solides ayant des structures cristallines, et donc des propriétés physico-chimiques différentes. Elles sont appelées polymorphes et se forment durant la phase de cristallisation. Leur production peut être contrôlée lors de la synthèse et surtout, elles peuvent évoluer lors d’un stockage incorrect ou lors de la fabrication de comprimés. Á ce titre, différentes formes spectrales de la carbamazépine, médicament utilisé dans le traitement des épilepsies et autres désordres neurologiques, ont été identifiées par analyse THz montrant que cette technique est adaptée aux études de polymorphisme structural [ 10, 11].

La spectroscopie THz est aussi particulièrement utile pour l’analyse de structures énantiomériques, en particulier lors d’études de biomolécules cristallisables [10]. L’étude THz a ainsi révélé l’évolution totalement différente des spectres du tryptophane D ou L après ajout d’un fluor. Cette substitution est difficilement mise en évidence par d’autres techniques.

De nombreuses autres applications de cette technique existent. Citons, pêle-mêle :

• l’étude en biologie structurale de la dynamique de solvatation de composés hydratés [1, 12, 13].
• Dans le domaine de l’écotoxicologie, la détection de radicaux NO dans des milieux réactifs tels qu’ils sont utilisés en combustion [ 14] ou pour détecter et quantifier des polluants en phase gazeuse [ 15].
• dans le domaine de l’industrie pharmaceutique, une meilleure compréhension de la qualité et de la performance des mécanismes de délivrance des principes actifs des médicaments. Le rayonnement THz pénètre facilement à travers le plastique ou les polymères utilisés dans l’industrie pharmaceutique et permet aussi l’analyse des principes actifs de la plupart des médicaments [10].

Les technologies THz bénéficient depuis ces dernières d’années d’un engouement scientifique certain comme en témoigne le nombre de publications en croissance exponentielle [ 28, 29]. Il est d’ores et déjà possible de trouver des systèmes d’imagerie capables de détection à travers les vêtements et il est indéniable que l’arrivée prochaine de sources THz compactes, facilement transportables et abordables financièrement, risque de révolutionner les techniques de détection à distance. L’apport de la TDS THz dans l’analyse de molécules permet de mesurer des modes vibrationnels à un degré de finesse sans précédent et de réaliser des empreintes spectrales de plus en plus précises et donc une modélisation numérique plus proche de la réalité. Les applications biologiques et médicales, notamment en dentisterie et en dermatologie, sont pour l’heure en cours de mise au point ou de développement. Cependant, il ne faut pas pour autant négliger l’étude des répercussions sanitaires des ondes THz ; un champ d’investigation est ainsi ouvert et les études dans ce domaine sont plus que jamais nécessaires.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Nous tenons à remercier le professeur Guy Lallement pour sa relecture constructive du document.