Microscope à force photonique : piégeage en pince optique de particules micro-usinées pour la mesure de topographies de surfaces molles.

Photonic Force Microscope : Optically trapped micro-machined particles for topographic measure of soft surface

• Auteur / Autrice : Rudy Desgarceaux
• Direction : Benoît Charlot, Francesco Pedaci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Gall-Borrut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Charlot, Francesco Pedaci, Pascale Gall-Borrut, Henri Camon, Jochen Fick, Giovanni Cappello
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Camon, Jochen Fick

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Quartz

Micro-fabrication

Mots clés libres

Pince optique

Microfabrication

Quartz

Microscopie à Force Photonique

Optical Tweezer

Microfabrication

Quartz

Photonic Force Microscopy

Résumé

Les pinces optiques permettent de piéger des particules microniques ou sub-microniques dans le cône d’un faisceau laser focalisé et, via un système d’asservissement du faisceau de déplacer et mesurer la position des particules avec une résolution nanométrique. Mais cet outil peut également servir de technique de microscopie à sonde locale pour produire une carte topographique d’une surface de quelques microns. La microscopie à force photonique (PhFM) est une technique d'imagerie en champ proche basée sur la mesure, à une résolution nanométrique, de la position d'une particule piégée optiquement tout en balayant la topographie d'une surface. Par rapport aux microscopes à force atomique (AFMs) conventionnels, cette technique à l'avantage d'appliquer une force largement plus faible sur l'échantillon, ouvrant la possibilité d'imager des matériaux très mous comme des membranes cellulaires, sans la déformation qui accompagne souvent l'imagerie AFM de ces matériaux. De plus, l'absence d'un cantilever permet le balayage dans des régions topologiquement restreintes. Cependant, la résolution latérale en PhFM reste limitée par la géométrie de l'objet piégé, qui est souvent choisi sphérique. Dans cette thèse, je présente un procédé de nanofabrication simple, économique et fiable pour la production en lot de microcylindres de quartz portant une pointe sur une extrémité. En raison de la géométrie allongée des particules et de la biréfringence du Quartz, le piège optique à polarisation linéaire contraint tous les degrés de liberté du cylindre, permettant un piégeage stable et une résolution de l’ordre du nm dans la détection de la position des particules dans les trois directions. La taille de la pointe permet une résolution latérale de 30 nm, tout en appliquant une force aussi faible que 1 pN sur l'échantillon. Outre les procédés de nanofabrication, ce travail s’est attaché à développer la technique du l’imagerie PhFM, la calibration des déplacements de la sonde pour démontrer son efficacité à analyser des surfaces rigides mais également des objets biologiques comme des microtubules ou des surfaces de cellule. A ce titre nous sommes parvenus à produire une image d’une membrane de globule rouge laissant apercevoir la structure sous-jacente du cytosquelette.

Optical Tweezers allow microscopic or sub-microscopic particles to be trapped in the beam waist of a focused laser and, via an optical control system, to move and measure the position of the particles with a nanometric resolution. But this optical setup can also be used as a local probe microscopy technique to produce a topographic map of a surface of a few microns. Photonic force microscopy (PhFM) is a near-field imaging technique based on the measurement, at nanometric resolution, of the position of an optically trapped particle while scanning the topography of a surface. Compared to conventional atomic force microscopes (AFMs), this technique has the advantage of applying a much lower force to the sample, opening up the possibility of imaging very soft materials such as cell membranes, without the deformation that often accompanies AFM imaging of these materials. In addition, the absence of a cantilever allows scanning in topologically restricted areas. However, the lateral resolution in PhFM remains limited by the geometry of the trapped object, which is often chosen spherical. In this thesis, I present a simple, economical and reliable nanofabrication process for the batch production of quartz microcylinders with a tip on one end. Due to the elongated particle geometry and birefringence of the Quartz, the linear polarized optical trap constrains all degrees of freedom of the cylinder, allowing stable trapping and nm resolution in detecting the particle position in all three directions. The size of the tip allows a lateral resolution of 30 nm, while applying a force as low as 1 pN to the sample. In addition to nanofabrication processes, this work focused on developing the PhFM imaging technique, the calibration of the probe's displacements to demonstrate its effectiveness in analyzing rigid surfaces but also biological objects such as microtubules or cell surfaces. As such, we were able to produce an image of a red blood cell membrane that shows the underlying structure of the cytoskeleton.