Metasurfaces for bioimaging

par Antu Nehuen Gortari

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alejandro Giacomotti et de Sophie Bouchoule.

Soutenue le 15-11-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    Métasurfaces pour la bioimagerie


  • Résumé

    Au cours des dernières années, des efforts importants ont été déployés pour développer des métasurfaces (MSs) électromagnétiques avec la possibilité de changer de manière abrupte les propriétés de la lumière. Ces avancées ont ouvert une nouvelle gamme de possibilités pour contrôler la lumière en utilisant des dispositifs optiques ultra-minces. Dans ce contexte, et plus spécifiquement dans le spectre visible, les applications en bio-imagerie s’avèrent particulièrement intéressantes. Une technique qui est particulièrement bien adaptée à l'étude de molécules proches d'une membrane cellulaire est la microscopie à fluorescence par réflexion interne (TIRFM), qui repose sur un champ évanescent d'excitation. Dans ce cas la lumière incidente est totalement réfléchie sur une interphase (typiquement verre/eau) en raison de son angle d'incidence élevé. À ce jour, la TIRFM est généralement mise en œuvre à l'aide d'objectifs volumineux de grande ouverture numérique et de petit champ de vision.Dans ce travail de thèse, nous réalisons de substrats pour la microscopie TIRF à base de métasurfaces constituées de réseaux périodiques de structures asymétriques fabriquées en dioxyde de titane (TiO2) sur du verre borosilicaté. Ces structures, aussi petites que 48 nm, ont été optimisées à l’aide de simulations numériques "Rigorous coupled-wave analysis” (RCWA) dans le but de coupler de 50 à 90% de la lumière incidente dans le premier ordre de diffraction avec des angles élevés (θ > 63deg). Le fait de pouvoir utiliser des objectifs de faible grossissement et d'avoir une grande zone de champ évanescent fournit des conditions TIRF uniques qui ne sont pas accessibles par les méthodes traditionnelles. De plus, ces structures sont compatibles avec la lithographie par nanoimpression UV, ce qui permet d’envisager une fabrication à bas coût et à grande échelle. Outre la conception, et la fabrication, dans cette thèse nous aboutissons à une preuve de principe de la microscopie TIRF basée sur des métasurfaces en milieu biologique en imageant notamment des membranes fluorescentes de cellules souches. Ces métasurfaces permettent ainsi l’implémentation TIRFM à contraste élevé et à faible photo-blanchissement compatible avec des microscopes à champ large peu coûteux.


  • Résumé

    In recent years there has been a significant effort to push electromagnetic metasurfaces with the ability to abruptly change light properties into visible wavelengths. These advancements have opened a new range of possibilities to reshape light using ultra-thin optical devices and there is one field that is starting to gather attention: bioimaging. One technique particularly well suited for the study of molecules near a cell membrane is Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, which relies on an evanescence field created by light being totally internally reflected within a glass substrate due to its high incidence angle. As of today, TIRF is generally implemented using bulky high-NA, small field of view oil objectives.In this project we present the realization of metasurface-based TIRF microscopy substrates consisting of periodic 2D arrays of asymmetric structures fabricated in titanium dioxide on borosilicate glass. These patterns, as small as 48nm, were optimized through rigorous coupled-wave analysis to couple 50-90% of the incoming normally incident light into the first diffraction order, which outputs at an angle that suffices total internal reflection in water and eliminates the requirement for high NA objectives or prisms to achieve TIRF. Being able to utilize lower-magnification air objectives and having a large evanescence field area provide unique TIRF conditions not accessible by traditional methods. Additionally, these structures are compatible with soft UV nanoimprint lithography, for cost-effective scale production, to give TIRF’s high contrast, low photodamage and low photobleaching capabilities to inexpensive wide-field microscopes.


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