Localized Surface Plasmon Imaging : a non intrusive optical tool to cover nanometer to micrometer scales in biological systems

par Thibault Roland

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Françoise Argoul.

Soutenue en 2009

à Lyon, École normale supérieure (sciences) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) et de Laboratoire Joliot Curie (Lyon) (laboratoire) .


  • Résumé

    La plupart des microscopies impliquées dans l'étude d'échantillons ou de processus biologiques utilise des marqueurs ou des sondes, qui peuvent modifier artificiellement, plus ou moins fortement, les échantillons observés. Afin de proposer une alternative à ces techniques, un microscope haute résolution à plasmons de surface (le SSPM) a été développé. Les plasmons sont des oscillations collectives des électrons libres d'un métal, dont les conditions de résonance sont très sensibles à la variation d'indice diélectrique à la surface de ce métal. L'utilisation d'un objectif à forte ouverture numérique permet la focalisation de la lumière incidente dans une petite zone de l'interface métal/milieu d'observation, et entraîne ainsi la localisation et la structuration de ces ondes. Enfin, un balayage de la surface est réalisé, permettant de détecter les variations locales d'indice diélectrique de l'échantillon. Tout d'abord, nous présentons le principe expérimental du SSPM, mais aussi la modélisation de sa réponse par l'intermédiaire d'une résolution 3D des équations de Maxwell. Dans un deuxième temps, nous étudions la structure des couches minces d'or déposées par évaporation thermique sur des substrats de verre, et utilisées lors des expériences de microscopie SSPM. Puis nous visualisons dans l'air et dans l'eau, des nanoparticules métalliques et diélectriques, de 10 à 200 nm de diamètre, et montrons qu'il est possible de les différencier suivant leur taille ou leur indice diélectrique. Enfin, nous imageons des nucléosomes (complexes nucléoprotéiques d'environ 10 nm de diamètre) non marqués, ainsi que des fibroblastes dont nous résolvons certaines des sous structures.


  • Résumé

    Most of the microscopy techniques used to study biological samples or processes relies on the use of markers or physical probes, which may modify artificially the phenomena considered. So as to propose an alternate to these techniques, a high resolution Scanning Surface Plasmon Microscope (SSPM) has been developed. Plasmons consist in collective oscillations of the free electrons at the surface of a metal. A high numerical aperture objective focuses the incident light on a small area of the metal/observation medium interface, which leads to the localization and the structuring of these waves here. Finally, the local variations of the sample dielectric index are detected while scanning the sample surface. First of all, we present the experimental principle of the SSPM, as well as a modelization of its response thanks to a 3D resolution of the Maxwell's equations. In chapter two, we study the structure of the thin gold films used during the SSPM experiments, after being deposited onto glass substrates by thermal evaporation. We address in the third chapter the problem of imaging in air and in water isolated nanoparticles of different sizes (from 10 to 200 nm of diameter). We show that this method is well suited to visualize such objects and also to discriminate them from their size or the material they are made of (depending on their dielectric index). Finally, we apply in the last chapter the SSPM to the visualization of unlabelled biological samples, such as nucleosomes (nucleoproteic complexes of about 10 nm of diameter) as well as human fibroblasts in which we resolve several subcellular structures (nucleus, nucleolus, cytoskeleton structures).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (xvii - 179 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.157-167.

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