Thermophorèse et propriétés optiques des fluides caractérisées par microscopie de phase quantitative

Microscale thermophoresis and optical properties of fluids characterized by quantitative phase microscopy

• Auteur / Autrice : Sadman Shakib
• Direction : Guillaume Baffou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Detlef Lohse, Alois Würger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samy Merabia, Marc Guillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Nanoparticules

Thermophorèse

Résonance plasmonique de surface

Optique

Mots clés libres

Plasmonique

Thermophorèse

Microscopie

Imagerie de phase

Nanoparticules

Plasmonics

Thermophoresis

Microscopy

Phase imaging

Nanoparticles

Résumé

Un gradient de température à l’échelle micrométrique dans un liquide peut être à la base de nombreux phénomènes physiques. Par exemple, des molécules ou particules dans un liquide peuvent migrer le long de gradients de température, un phénomène appelé thermophorèse. Souvent éclipsé à l’échelle macroscopique par la convection thermique, cet effet devient plus rapide et dominant à l'échelle microscopique. La recherche fondamentale en thermophorèse a également beaucoup progressé au cours de la dernière décennie dans le contexte de la thermoplasmonique. Les nanoparticules plasmoniques sous irradiation laser à la longueur d'onde de résonance deviennent des nanosources de chaleur. Ces travaux de thèse ont utilisé ce phénomène pour créer des gradients de température à l'échelle microscopique dans des systèmes liquides à l'échelle microscopique afin d'étudier la thermophorèse des particules et des molécules. L’interférométrie à décalage quadrilatéral (QLSI) est une technique d’imagerie quantitative de phase (QPM) capable de mesurer des champs de température aux petites échelles. Le microscope monté lors de cette thèse possède des techniques d'imagerie double : la microscopie de phase pour imager le gradient de température et fluorescence pour mesurer le gradient de concentration. Les propriétés optiques des fluides dépendant de la température et de la concentration, par exemple l'indice de réfraction, ont également été mesurées à l'aide du QLSI dans le cadre de cette thèse. Enfin, une expérience de preuve de concept a été réalisée pour montrer la faisabilité d'une détection complète et sans marqueur de la thermophorèse des molécules en utilisant la technique QLSI

Microscale temperature gradient in liquid is a driving factor behind many microscopic physical phenomena in liquid. Molecules and particles in liquid can migrate along temperature gradient and at micrometric spatial scale this effect is known as microscale thermophoresis. Overshadowed in macroscopic environment by thermal convection, this effect becomes faster and dominant in microscale. Microscale thermophoresis is the basis of applications in bioanalytics, study of protein stability thanks to its commercialization. In addition, fundamental research in thermophoresis has also progressed a lot in last decade in the context of thermoplasmonics. Plasmonic nanoparticles under laser irridation at resonance wavelength become nanosources of heat. This thesis work utilized this phenomenon to create microscale temperature gradient in microscale liquid systems to investigate thermophoresis of particles and molecules. Quadriwave lateral shearing interferometry (QLSI) is a quantitative phase imaging technique (QPM) that has been shown to measure microscale temperature gradient in liquid occurring from thermoplasmonics. I developed an optical microscope with dual-imaging techniques- phase microscopy using QLSI to image temperature gradient and fluorescence microscopy to measure concentration gradient. Temperature and concentration dependent optical property of fluids e.g., refractive index has also been measured using QLSI in the thesis. Finally, proof of concept experiment was performed to show the feasibility of complete label-free detection of thermophoresis of molecules using QLSI technique