Principes et expérimentation de la spectroscopie basée sur la diffusion Brillouin pour l'étude des échantillons biologiques

Principles and experimentation of Brillouin scattering spectroscopy for the study of biological samples

• Auteur / Autrice : Alban Desoutter
• Direction : Didier Felbacq, Benoît Ruffle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et astrophysique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Guillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Rousseau, Hamideh Salehi, Renata Kozyraki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Lorenzo, Philippe Djemia
• DOI : 10.70675/f1c1d1aaz1610z4d3dz9c1ez23cf320fafef

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet Brillouin

Microscopie

Échantillons biologiques

Mots clés libres

Diffusion brillouin

Échantillon biologique

Microscopie

Brillouin scattering

Biological samples

Microscopy

Résumé

Principes et expérimentation de la spectroscopie basée sur la diffusion Brillouin pour l'étude des échantillons biologiques Parmi les multiples propriétés des échantillons biologiques, les caractéristiques mécaniques sont peu étudiées. Depuis quelques dizaines d’années, la spectroscopie Brillouin basée sur des tandems de cavités Fabry-Perot a aidé à mesurer ces propriétés biomécaniques, à partir de l’interaction entre la lumière et les phonons acoustiques. Ces montages, du fait de leur contrasté élevé, présentent encore aujourd’hui de grands avantages, en particulier pour les matériaux minéralisés, fortement absorbant ou diffusant. L’apparition d’un étalon solide, le VIPA (virtually imaged phased array), a donné naissance à une multitude de montages expérimentaux permettant la mesure rapide de spectres Brillouin, mais avec des performances en contraste plus faible.En utilisant deux VIPAs en série, combinés à un masque basé sur la coronographie de Lyot, il a été possible d’atteindre 80 dB dans le cadre d’un spectrographe très stable dans le temps. Celui-ci a pu être couplé avec un microscope confocal. En utilisant un substrat de MgF2 d’indice optique proche de l’eau, la réflexion spéculaire à l’interface milieu aqueux/substrat a pu être fortement réduit, autorisant des cartographies de cellule individuelle avec une résolution optique, dans un temps compatible avec la préservation de l’échantillon. En parallèle, les cartographies d’échantillons fortement minéralisés comme l’organe dentaire, nécessitent des instruments avec un plus fort contraste tels que les montages de type Sandercock basés sur des tandems Fabry-Perot avec des temps d’acquisition cependant très longs.Ces résultats encouragent la poursuite à la fois des expérimentations en adéquation avec les attentes des biologistes, mais également des améliorations des instruments de mesure versatiles, avec des temps compatibles avec la préservation des échantillons.

Principles and experimentation of Brillouin scattering spectroscopy for the study of biological samples.Among the many properties of biological samples, the mechanical characteristics were not extensively studied. For several decades, Brillouin spectroscopy based on Fabry-Perot cavity tandems has helped to measure these biomechanical properties, based on the interaction between light and acoustic phonons. Thanks to their high contrast, these set-ups still offer major advantages today, particularly for mineralized, highly absorbing or scattering materials. The appearance of a solid standard, the VIPA (virtually imaged phased array), has given rise to a multitude of experimental set-ups enabling rapid measurement of Brillouin spectra, but with lower contrast performance.Using two VIPAs in series, combined with a mask based on Lyot coronography, it was possible to achieve 80 dB with a spectrograph that was highly stable over time. This was coupled with a confocal microscope. By using a MgF2 substrate with an optical index close to that of water, specular reflection at the aqueous medium/substrate interface was greatly reduced, enabling individual cells to be mapped with optical resolution, in a timeframe compatible with sample preservation. In parallel, the mapping of highly mineralized samples, such as the dental organ, requires instruments with higher contrast, such as Sandercock-type mounts based on Fabry-Perot tandems, albeit with very long acquisition times.These results encourage us to pursue both experiments in line with biologists' expectations, and improvements in versatile measuring instruments, with times compatible with sample preservation.