Optical heating of gold nanoparticles and thermal microscopy : applications in hydrothermal chemistry and single cell biology

par Hadrien Robert

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image

Sous la direction de Serge Monneret, Benoit Wattellier et de Guillaume Baffou.

Soutenue le 09-05-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut Fresnel (Marseille, France) (laboratoire) .

Le président du jury était Isabelle Robert-Philip.

Le jury était composé de Laurent Cognet, Patrick Forterre.

Les rapporteurs étaient Gilles Tessier, Jérôme Plain.


  • Résumé

    L’étude de phénomènes thermiques à l’échelle microscopique peut s’avérer compliquée à mettre en place, principalement à cause de l’absence de technique de mesure de température fiable. Dans ce contexte, une technique de mesure de température appelée TIQSI a été développée au sein de l’Institut Fresnel. Dans l’objectif d’étudier des phénomènes thermo-induit à l’échelle microscopique, j’ai monté un microscope capable de contrôler et de quantifier une élévation de température à l'aide de TIQSI et de nanoparticules d’or. Différents phénomènes ont ainsi pu être étudiés.La synthèse hydrothermale regroupe les réactions chimiques utilisant de l’eau liquide à des températures plus élevées que la température d’ébullition. L’utilisation de nanoparticules permet d’avoir de l’eau liquide à des températures supérieures à 100°C (état métastable). J’ai pu ainsi effectuer des réactions de synthèse hydrothermale sans autoclave ce qui constitue un nouveau concept en chimie de synthèse.Une cellule vivante peut-être endommagée par un stress de chaleur ce qui peut détériorer ses protéines. En réponse à ce stress, la synthèse de HSP permet la réparation des protéines endommagées. J’ai pu étudier la dynamique de réponse des HSP ce qui a permis d’illustrer l’intérêt d’une chauffe locale et de TIQSI pour ce genre d’expérience.Une autre application mêlant le surchauffage de l’eau liquide et la biologie a été abordée. Les organismes hyperthermophiles vivent à de très hautes températures (80-110◦C). J’ai pu durant mes expériences observer le déplacement d’hyperthermophiles. Cette avancée constitue les prémices d’expériences plus ambitieuses comme l’étude de l’interaction entre hyperthermophiles.

  • Titre traduit

    Chauffage optique de nanoparticules d'or et microscopie thermique : application en chimie hydrothermale et en biologie cellulaire


  • Résumé

    Nowadays, thermal experiments at the microscopic scale remain challenging to conduct due to the lack of reliable temperature measurment techniques. To solve these problems, a label-free temperature measurement technique called TIQSI has been developed in the Institut Fresnel.With the objective to study new thermal-induced effects on the microscale using TIQSI, I built a microscope aimed to control heat diffusion on the microscale using nanoparticle. Thus, I could study different phenomena in chemistry and biology.Hydrothermal methods in chemical synthesis rely on the use of superheated liquid water as a solvent. It has been shown that gold nanoparticles can be used superheated water in a metastable state. I managed to conduct hydrothermal chemistry experiments using thermoplasmonics without autoclave which represents a new paradigm in chemistry.A living cell can be damaged by a heat stress which can misfold its proteins. To response to this stress, the HSP synthesis enables the reparation of misfolded proteins. I could study the heat stress response of HSP at short time scale which allowed me to illustrate the interest of using TIQSI and a local heat.As an application mixing superheating water and biology, I studied organisms that are able to live at high temperature (80-110°C) namely hyperthermophiles. Motion of these organisms has been studied without autoclave which paves the way to more sophisticated experiments such as the interaction between hyperthermophiles.

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