Holographic Microscopy : 3D Tracking of Gold Nanoparticles, Applications in Biology - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Holographic Microscopy : 3D Tracking of Gold Nanoparticles, Applications in Biology

Microscopie Holographique : Suivi 3D de Nanoparticules d'Or, Applications en Biologie

Fadwa Joud El Merabi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 950265

Résumé

In this thesis, we have developed a novel heterodyne digital holographic microscope combining the off -axis geometry and phase-shifting interferometry to detect and localize in three dimensions nanometric-sized colloidal gold particles used as biological markers in live cells environments. Genuine aliasing-free holograms are obtained using the phase-shifting technique that is performed using two accurately synchronized Acousto-Optic modulators, and since a heterodyne detection is performed, holograms are only shot-noise limited. We have also elaborated an ingenious numerical reconstruction method that o ffers striking advantages : reconstructed images do not su ffer from longitudinal distortions, reconstruction parameters are obtained without an additional experimental calibration, aberrations compensation as well as lens curvature corrections are automatically obtained. Using the developed optical apparatus and numerical processing procedure, we have been able to image and localize for the first time in the context of digital holographic microscopy, 40 nm gold particles attached to the integrin surface receptors of live 3T3 fibroblasts with a localization precision of 5 nm laterally and 100 nm in depth, when 32 images averaging is performed. Additionally, 3D mapping of the entire scattered eld was achieved where the 3D exploration was performed within a relatively big volume (90 x90x 90) microm. Finally, we have been able to characterize the scattering regimes of the gold markers and cellular structures by analyzing the 3D shape of the corresponding scattering patterns that are easily accessible by digital holography.
Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de microscopie holographique digitale hétérodyne pour détecter et localiser en trois dimensions des nanoparticules d'or utilisées comme marqueurs biologiques dans des cellules vivantes. On combine la géométrie hors-axe et l'interférométrie par décalage de phase, où deux modulateurs Acousto-Optique minutieusement synchronisés sont utilisés, afi n d'obtenir des hologrammes sans alias. La détéction hétérodyne permet d'atteindre la limite de bruit théorique (shot-noise). Nous avons aussi élaboré une méthode de reconstruction numérique astucieuse : les images reconstruites ne souff rent pas de distortions longitudinales, les parmètres de reconstruction sont obtenus sans avoir besoin de les mesurer en e ffectuant une calibration expérimentale supplémentaire, la compensation des aberrations et les corrections de courbure de phase sont automatiquement obtenus. Nous avons pu imager et localiser, pour la première fois dans le contexte de la microscopie holographique digitale, des billes d'or de 40 nm de diamètre, attachées aux récepteurs transmembrannaires intégrine de fibroblastes 3T3 vivantes avec une précision de localization de 5 nm latéralement et 100 nm en profondeur quand un moyennage sur 32 images est eff ectué. De plus, une exploration 3D, dans un volume relativement grand (90x90x90) microm, de la totalité du champ diff usé est obtenu. Finalement, nous avons pu caractériser les régimes de di ffusion des marqueurs d'or et des structures cellulaires en analysant la forme 3D des motifs de diff usion correspondants qui sont facilement accessible par holographie digitale.
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Dates et versions

tel-00922393 , version 1 (26-12-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00922393 , version 1

Citer

Fadwa Joud El Merabi. Holographic Microscopy : 3D Tracking of Gold Nanoparticles, Applications in Biology. Optics / Photonic. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00922393⟩
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