Microscopie optique appliquée à la micro-manipulation par pinces magnétiques à haute résolution

183 Pages·2016·50.97 MB·French

by  Etienne Cavatore

Microscopie optique appliqu´ee `a la micro-manipulation
par pinces magn´etiques `a haute r´esolution et `a la
visualisation de nano-objets m´etalliques
Etienne Cavatore
To cite this version:
Etienne Cavatore. Microscopie optique appliqu´ee `a la micro-manipulation par pinces
magn´etiques a` haute r´esolution et a` la visualisation de nano-objets m´etalliques. Biophysique
[physics.bio-ph]. Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Fran¸cais. <tel-00627431>
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Thèsededoctoratdel’ UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Ecoledoctorale389"LaPhysiquedelaparticuleàlamatièrecondensée"
Spécialité: PHYSIQUE
LaboratoiredePhysiqueStatistique
DépartementdePhysique-EcoleNormaleSupérieure
THÈSE
présentéepar
EtienneCAVATORE
pourobtenirlegradede:
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Microscopie optique appliquée à la micro-manipulation par pinces
magnétiques à haute résolution et à la visualisation de nano-objets
métalliques individuels
Àsoutenirpubliquementle23septembre2011devantlejurycomposéde:
Pr. Brahim Lounis Rapporteur
Dr. ErwinJ.G. Peterman Rapporteur
Dr. Vincent Croquette Examinateur
Pr. Ludovic Jullien Examinateur
Dr. Terence Strick Examinateur

Remerciements
Je voudrais d’abord remercier les deux rapporteurs de cette thèse, Brahim Lounis et Erwin J.
Peterman,quiontacceptédelireavecattentionetdediscutercemanuscritpendantunepériodees-
tivale.Mercipourcetinvestissement.Jetiensaussiàremercierlesautreschercheurs,LudovicJullien
etTerenceStrick,quiontparticipéàl’évaluationdecetravailenthèse,entantquemembresdujury.
Ce manuscrit de thèse est le résultat d’un parcours jalonné d’aventures scientifiques multiples,
initiées dans l’équipe de Physique des Biomolécules du laboratoire de Physique Statistique (ENS
Paris). Il est le fruit d’un travail collectif et j’aimerais remercier ici tous les participants à ce sport
d’équipe. Sans l’accompagnement de mon directeur de thèse, Vincent Croquette, il m’aurait été im-
possible de trouver des issues réalistes aux nombreux casse-têtes d’apprentis-expérimentateur. Une
science bricoleuse est définitivement sérieuse, elle ne cède pas à la facilité expérimentale mais pro-
pose une mise en oeuvre créative et astucieuse des principes théoriques. Je remercie donc mon di-
recteurdethèsepoursonenseignementpatientmalgrémesneuronesrécalcitrants.J’aiénormément
apprisàsoncontact,grâceàl’étenduedesonsavoir,sonapprocheintuitivedesproblèmesphysiques,
ainsiquesongrandtalentexpérimental.JeremercieaussiMaximeDahan,monco-directeurdethèse,
quiapermisd’envisagercettethèseentantqueporteurduprojetinitial.
Jetiensaussiàremercierlesautresmembresdel’équipe.L’ambiancechaleureusequirègnedans
cette équipe est très appréciable, le quotidien pouvant être toujours bousculé par une parenthèse
culinaire ou une visite impromptue. Merci à David Bensimon, le deuxième capitaine de l’équipe,
dontlepositivismeetl’enthousiasmes’associentnaturellementàunfoisonnementd’idées.J’adresse
unremerciementparticulieràJean-FrançoisAllemandpoursabonnehumeurpermanente,pourson
attention dans les moments difficiles, et surtout pour ses audaces culinaires et gustatives. Merci à
NicolasDespratquiincarnepleinementl’espritscientifiqueparsacuriositéinfatiguable.
Pourlesjeunespoussesdel’équipeenD16,ils’agitdejeunesetbrillantsétudiantsenthèse:Timo-
théeLionnet,ElisePraly,FranscescoMosconi,AdrienMeglio,ThomasJulou,FangyuanDing.Merci
à Timothée, qui m’a transmis le virus de la pince magnétique et présenté au tout Paris-Paris, merci
àElisepourunetoucheféminineindispensable,merciàFranscescopoursaradioindépendantequi
criepourunenouvelleItalie,merciàAdrienpourlesdégustationsauclubd’Oeno,sesairsd’Opéra
ensalleobscure,etpouravoiracceptél’écoutematinaledel’airdu"Parrain"chantéparDalida,merci
àThomas,lebiologiste"leplusphysicien"dugroupe,poursesrecettessucréesetgourmandes,merci
à Fangyuan pour son pragmatisme oriental. J’adresse aussi un merci aux post-docs rencontrés au
sein du groupe pour des discussions enrichissantes et des bons tuyaux: Keir C. Neuman, un incon-
ditionneldelaFrance,GiuseppeLia,un"italianovero"etMariaManosas.
Jesouhaiteégalementremerciermescollaborateurschimistes,adeptesdelarapineetdelaprise
en otage de quelques éléments d’optique: Thomas Le Saux, Kais Zrelli, et les autres thésards, ren-
contrésauseindel’équipedeChimieBiophysique,dirigéeparLudovicJullien:PierreNeveu,André
Estevez-Torres, Thomas Barilero. Ils ont participé à la bonne ambiance du groupe, naturellement
étendu.
iii
En plus des membres de cette équipe, je souhaite remercier les différentes personnes qui ont
contribuéàcettethèse:EricPerez,directeurduLPS,pourm’avoiraccueilliauseindulaboratoire.A
l’administrationetàlagestion,lessecrétaires,NoraSadaoui,AnnieRibaudeauetMarieGefflotpour
leurdisponibilitéetleurefficacité.Al’affûtd’unbondelivraisonoubliéoud’unfinancementsoldé,
elles ont toujours trouvé une solution à chacun de nos problèmes. Au service informatique, Zaire
Dissi. Je remercie sincèrement l’atelier de mécanique et ses membres, qui ont accepté de m’adopter
pendantplusd’unmoispourlaréalisationdumicroscope:JoseDaSilvaQuintas,etlarelève,Carlos
Goncalves,EricNicolau.MerciaussiàBertrandDucos,responsabledelaplate-formedebiologie,et
incontournablepourtouteconstructionADNoufonctionnalisationdebilles.
Pour conclure ces remerciements, je dois énormément à ma famille, ma mère, Viviane et mes
soeurs, Anne et Maria, pour leur patience, leur présence et leurs encouragements depuis toujours.
Ensuite évidemmentmerci àEmilie et àmes amis,de Pariset d’ailleurs:Jay, pourla collocdu 20m2
rueBellan,Dadou,poursonsoutienindéfectibleetsoncoaching,LeDuchpourunepremièreintroà
Paris,KiKi,levisiteurdelasemaine.
Jedédiecetravailàmonpère,Alain,quinousaquittéspendantcettethèse.
iv
Table des matières
Tabledesmatières v
Introduction 3
I Micro-manipulationparpincesmagnétiquesàhauterésolution 7
1 Manipulationàl’échelledelamoléculeunique 9
1.1 Introduction:microscopieetbiologie,unehistoireconjuguée. . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Visualiseretmanipulerunemoléculeàlafois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1 Motivationsbiologiquesactuellespourunemicroscopieàhauterésolution . . 10
1.2.2 Limitesdeprincipepourlesapprochesbiochimiquesenvolume . . . . . . . . 10
1.2.3 Atoutsmécanistiquesducouplageàlamicromanipulation . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Manipulationd’ADNetordresdegandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Durées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Distances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Techniquesusuellesdemanipulationd’ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Microscopieàforceatomique(AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Pincesoptiques(OT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.3 Pincesmagnétiques(MT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Comparaisondesdispositifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.1 Analysequalitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2 Résolutionenforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Dispositifdespincesmagnétiques 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Principedemanipulation:l’ancraged’unemoléculed’ADNunique . . . . . . . . . . . 23
2.3 Lemicroscopeoptiquecoupléàlamicromanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Descriptiond’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Microchambre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3 Contrôleactifdelapositiondel’échantillon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4.1 Cohérencedessources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4.2 Optimisationdel’éclairage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.5 Bâti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Générationdeforceettorsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Aimants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Billesparamagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
v
TABLEDESMATIÈRES TABLEDESMATIÈRES
2.4.2.1 Compositionmagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.2 Réponseenaimantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Mesuredeposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1 Suivividéoutilisantlesanneauxd’interférences . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1.1 Pointéen(x,y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1.2 Pointéenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2 Bruitdepointé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.2.1 Calibrationabsoluedesphoto-détecteursCCDennombredephotons 34
2.5.2.2 Imageriepréléminaireàfaiblesdérivespourlacaractérisationdubruit
dephotons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.2.3 Dépendanceaubruitdephotonspourl’imageriedesbillesmagnétiques 43
2.5.3 Augmentationdelarésolutionspatialeparacquisitionhautefréquence . . . . 44
2.5.3.1 Résolutionintrinsèquetransversesubnanométrique . . . . . . . . . . 45
2.5.3.2 Résolutionintrinsèqueaxialesubnanométrique . . . . . . . . . . . . . 46
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Mesuresdeforce 49
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Mesurerlaforcemagnétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 Dynamiquedupendulemoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2 Analysedesfluctuationstransversesdansl’espaceréel . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.3 Analysespectraledesfluctuationstransverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.3.1 Miseenpratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.3.2 Correctionsdesdérivesbassefréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.3.3 Correctionsduspectredepuissanceetextensiondudomainedeforce
mesurable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.4 Validitédesmesuresàbasseforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5 Mesuresàhauteforcesurbrinscourtsparcamérarapide . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.6 Limitationsdesmesuresdeforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Commentmesurerdeshautesforcesavecunecamérastandard . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1 Techniqued’expositionmodulée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Nouvelleanalysedesfluctuationstransversesdansl’espaceréelenfonctionde
l’exposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.3 Mesuredeforcespourdesmoléculesdelongueurnulle. . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Résultats:Premièresmesuresdehautesforcessursubstratscourts . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Validitéduprotocoledemesuredeforceparexpositionréduite . . . . . . . . . 63
3.4.1.1 Tempsd’acquisitiondemandépourlamesuredevariance . . . . . . . 63
3.4.1.2 Contrôledubruitdephotons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 Mesuresdeforcessurunemoléculeenépingleàcheveux . . . . . . . . . . . . 65
3.4.2.1 Mesuresdehautesforcespourlamoléculeouverte . . . . . . . . . . . 65
3.4.2.2 Mesures de force dans le cas d’une extension nulle pour la molécule
fermée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.2.3 Courbedeforceentre2et20pN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.3 Stratégiedemesurerapidepourlamesuredestrèshautesforces(>50pN) . . 68
3.5 Conclusion:nouvellegammedeforceaccessible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Imagerieparondesévanescentes 71
4.1 Théoriedeladétectionoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Motivationspouruneimagerieparréflexiontotale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Caractérisationoptiquedelaconfigurationétudiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
vi
TABLEDESMATIÈRES TABLEDESMATIÈRES
4.3.1 Réflexiontotaleàl’aided’unobjectifàgrandeouverturenumérique . . . . . . 76
4.3.2 Suivideposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 Calibrationdelaprofondeurdepénétration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3.1 Principedecalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3.2 Calibrationpourdifférentesprofondeursdepénétration . . . . . . . . 81
4.3.4 Qualitésetdéfaultsdel’imagerieparréflexiontotale . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.4.1 Résolutionsub-nanométriquepourunemoléculede200nm . . . . . 82
4.3.4.2 Insensibilitédel’intensitédel’ondeévanescenteàlapositiondefoca-
lisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.4.3 Dérivesdepositionauxtempslongs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.4.4 Dégradationéventuelledelaqualitéd’imagerieparspeckle . . . . . . 85
4.4 Applicationàladéterminationdepositionsd’hybridation . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.1 Motivation:principedeséquençaged’ADNparhybridation . . . . . . . . . . . 87
4.4.2 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.2.1 Exemplepourl’oligonucléotideT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8
4.4.2.2 Positionsd’hybridation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5 Perspectives:autresconfigurationspossiblespourl’imagerieparOEcoupléeauxpinces
magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
II Microscopieetsignauxoptiquespériodiques 93
1 Imageriephotothermiquedenanoparticulesmétalliques 95
1.1 Détectiondenanoparticulesmétalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.2 Ladétectionphotothermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1.3 Démodulationsynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.3.1 Principe:démodulationparbattement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.3.2 Calculdel’intensitécollectéeparbattement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.3.3 Imageriepardétectionasynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.3.4 Imageriepardétectionsynchroneentempsréel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.3.5 Synthèsedessignauxdemodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.4 Validationdel’imageriepleinchamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.4.1 Chauffageohmiqued’unfilmicroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.4.2 Caractérisationdel’ondethermiqueauvoisinagedufil . . . . . . . . . . . . . . 101
1.4.2.1 Extractiondelaphasethermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.4.2.2 Réponsefréquentielleetdéterminationducoefficientdediffusion . . 103
1.4.2.3 Calibrationdel’efficacitéduchauffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1.5 Détectionparexcitationplasmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.5.1 Chauffageponctuelparabsorptiondelumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.5.2 Montageoptiquepourlamodulationdechauffage . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1.5.3 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
1.5.3.1 Préparationdeséchantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
1.5.3.2 Détectionvidéoenmodeasynchroneàl’échellenanométrique . . . . 109
1.5.3.3 Caractérisationdusignalphoto-thermiquepardétectionsynchrone . 110
1.5.3.4 Rapportsignalsurbruitdedétectionpouruneparticulede100nm . 112
1.5.3.5 Perspective pour l’amélioration du rapport signal sur bruit: la strio-
scopieoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
1.6 Couplageauxchampsradio-fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
1.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
vii
TABLEDESMATIÈRES TABLEDESMATIÈRES
1.6.2 Circuitélectriqueoptimisépourl’excitationRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
1.6.3 Principedelamesureducouplagethermiqueparchampradiofréquence . . . 116
1.6.4 Interactionaveclacomposantemagnétique:couplageinductif . . . . . . . . . 117
1.6.4.1 Présentationducouplageinductif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
1.6.4.2 Résultatsexpérimentaux:uncouplagefaible . . . . . . . . . . . . . . . 118
1.6.4.3 Confrontationavecunmodèlethéoriquesimple . . . . . . . . . . . . 119
1.6.5 Interactionaveclacomposanteélectrique:couplagecapacitif . . . . . . . . . . 120
1.6.5.1 Présentationducouplagecapacitif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
1.6.5.2 Micro-condensateurpourlagénérationd’unchampintense . . . . . . 120
1.6.5.3 Uncouplageplusefficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
1.6.5.4 Mesuresd’absorptionenfonctiondelatailledesnanoparticulesetde
lafréquenced’excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
1.6.5.5 Propositiond’unmodèlesimpledepolarisationd’unmilieuconducteur123
1.6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
2 Démodulationoptiqueenmicroscopiedefluorescence 127
2.1 Adressagecinétiquedel’espècecible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2.1.1 Perturbationpériodiqued’unéquilibrechimiqueparexcitationthermique. . . 128
2.1.2 Conditionsderésonanceenquadrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
2.1.3 Lectureoptiquepouruneréactiond’échangeentreespècesfluorescentes . . . . 130
2.2 Détectionoptiquesynchroneàfaiblefréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.2.1 Synchronisationdel’excitationthermiqueavecl’acquisitionvidéo . . . . . . . 130
2.2.2 Accumulationdusignaldefluorescencepériodiqueinduitparchauffage . . . 131
2.3 Résultats:titrationd’oligonucléotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.3.1 Imagerieenquadraturedephase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.3.2 Titrationsélectiveenprésenced’espècesinterférentes . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3.3 Article"TemperatureModulationandQuadratureDetectionforSelectiveTitra-
tionofTwo-StateExchangingReactants" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.3.4 Informationssupplémentairespourl’article"TemperatureModulationandQua-
dratureDetectionforSelectiveTitrationofTwo-StateExchangingReactants" . 146
Conclusion 161
Annexes 165
Bibliographie 173
viii