Applications biologiques du nanoSIMS

Biological applications of the nanoSIMS

• Auteur / Autrice : Patrick Pirrotte
• Direction : François Lasbennes, Claude P. Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du vivant
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Isotopes stables en biologie

Imagerie en biologie

Nanotechnologie

Nanobiotechnologie

Spectrométrie de masse des ions secondaires

Résumé

La spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) est une technique de caractérisation chimique de la matière par balayage avec un faisceau d’ions primaires. L’impact des ions primaires provoque une cascade de collisions atomiques causant un déplacement des éléments constitutifs de l’échantillon, émis sous forme d’ions, et séparés selon les critères d’énergie et de masse par un spectromètre. Le NanoSIMS fait partie de la famille des microscopes SIMS dynamiques capable d’imager à haute résolution la distribution d’ions élémentaires dans un échantillon. Les travaux présentés dans cette thèse sont axés sur le développement de techniques de préparations d’échantillons biologiques pour le NanoSIMS, et sur la recherche d’applications biologiques spécifique. Plusieurs outils informatiques ont été développés afin de permettre le traitement d’images provenant de cet instrument. Des suggestions sont proposées afin d’améliorer les conditions d’analyses et d’acquérir des images de meilleure qualité. Grâce à sa résolution en masse, le NanoSIMS a permis de suivre directement des molécules marquées par des isotopes résultant d’un marquage métabolique, démontré lors d’expériences « pulse-chase » et d’immunomarquage par des anticorps marqués à l’15N. Il découle de nos travaux que la sensitivité et la résolution de l’instrument le rendent particulièrement intéressant pour des études de pollution atmosphérique. Cette affirmation est soutenue par une étude sur la distribution de métaux traces dans des lichens, comme bioindicateurs. Lors de ces études, l’utilisation du NanoSIMS a été complémentée par des techniques d’imagerie alternatives telles que la microscopie confocale et électronique.

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is based upon the sputtering of a few atomic layers from the surface of a sample, induced by a ’primary ion’ bombardment. An energetic primary ion impact triggers a cascade of atomic collisions resulting in an erosion of atoms and molecules. Some of the ejected particles can be spontaneously ionized and are representative of the target area composition. In a SIMS instrument, these “secondary ions” are accelerated and separated in function of their mass/charge ratio (m/z) before detection. The NanoSIMS is a dynamic SIMS ion microprobe capable of imaging the distribution of elemental ions at high lateral resolution (50 nm) with a high mass resolution. The aim of this thesis was to define the requirements of such instruments, to evaluate their utility in life sciences and to develop potential applications in biology. In order to do so, preparative and analytical methods had to be devised to improve ion imaging by SIMS. The limited knowledge about the behaviour of biological samples under a primary ion beam impeded the identification of tissue and cellular features and required supplementary confirmation by complementary techniques. The ability of SIMS to discriminate isotopes of a same element has encouraged us to develop isotopically labelled biomolecules of varying specificity. Abiding to the experience gained in the course of the thesis, several applications are proposed in the areas of trace metal detection, antigen uptake and protein localization. Finally, NanoSIMS is compared to other techniques of microanalytical imaging and the role of the ion microprobe in life sciences is discussed as well as its prospects.