Nanophotonic antennas for enhanced single-molecule fluorescence detection and nanospectroscopy in living cell membranes
Nanoantennes photoniques pour la détection exaltée de molécules individuelles et la nanospectroscopie dans des membranes cellulaires
Abstract
Single-molecule fluorescence spectroscopy has revolutionized the field of biophysical sciences by enabling visualization of dynamic molecular interactions and nanoscopic features with high spatiotemporal resolution. Monitoring enzymatic reactions and studying diffusion dynamics of individual molecules (such as lipids and proteins) help us understand how these nanoscopic entities influence and control various biochemical processes. Nanophotonic antennas can efficiently localize electromagnetic radiation into nanoscale spatial dimensions comparable to single bio-molecules (<10 nm). These ultra-confined illumination hotspots thereby offer the opportunity to follow single-molecule events at physiological expression levels.
In this thesis, we explore various photonic nanoantenna platforms (double nanohole apertures, dimer nanogap antennas and planar “antenna-in-box”) and demonstrate their application in enhanced single-molecule fluorescence detection. Using fluorescence burst analysis, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-correlated TCSPC measurements, and near field simulations, we quantify nanoantenna detection volumes, fluorescence enhancement factors and discuss the fluorescence photodynamic accelerations mediated by optical nanoantennas. An alternative to plasmonic structures, all-dielectric nanoantenna based on silicon nanogap is also demonstrated to enhance the fluorescence detection of single molecules diffusing in concentrated solutions.
Further, using resonant planar “antenna-in-box” devices we investigate the diffusion dynamics of phosphoethanolamine and sphingomyelin on the plasma membrane of living cells and discuss the results in the context of lipid rafts. Together with cholesterol depletion experiments, we provide evidence of cholesterol-induced nanodomain partitioning within less than 10 nm diameters and characteristic times being ∼100 µs.
La spectroscopic de fluorescence de mol´ecule individuelle a r´evolutionn´e le domaine
des sciences biophysiques, en permettant la visualisation des interactions mol´eculaires
dynamiques et des caract´eristiques nanoscopiques avec une haute r´esolution spatio-
temporelle. Le contrˆole des r´eactions enzymatiques et l’´etude de la dynamique de dif-
fusion de mol´ecules individuelles (`a titre d’exemple, des lipides et prot´eines) permet de
comprendre l’influence et le contrˆole de ces entit´es nanoscopiques sur plusieurs processus
biophysiques, en incluant l’adh´esion cellulaire, la transduction du signal et l’immunologie.
La nanophotonique bas´ee sur la plasmoniques offre des nouvelles opportunit´es de suivi
d’´ev`enements `a mol´ecule unique, puisque il est possible de confiner des champs ´electroma-
g n´etiques dans les hotspots `a nano ´echelle, `a dimensions spatiales comparables `a une
mol´ecule unique (<10 nm).
Dans ce projet de th`ese, nous explorons plusieurs plateformes de nano antennas pho-
toniques (notamment des nano ouvertures doubles, des nanogap-antennas et des “antenn-
a-in-box” planaires) avec des hotspots ultra-confin´es, et nous avons d´emontr´e les appli-
cations dans l’am´elioration de la spectroscopic de fluorescence de mol´ecule individuelle.
En utilisant la fluorescence burst analysis, l’analyse de fluctuations temporelle de fluo-
rescence, time-correlated measurements et des simulations de champ proche, nous quan-
tifions les facteurs d’am´elioration de fluorescence, les volumes de d´etection de nanoanten-
nas; ainsi, nous discutons l’acc´el´eration de fluorescence photo dynamique. En alternative
aux structures plasmoniques, des antennes di´electriques bas´ees sur les dim`eres en silicone
sont aussi d´emontr´ees d’am´eliorer la d´etection de fluorescence `a mol´ecule unique, pour
des concentrations micro molaires physiologiquement pertinentes.
En outre, nous explorons des syst`emes planaires “antenna-in-box” pour l’investigation
de la dynamique de diffusion de la phospho´ethanolamine et de la sphingomy´eline dans
les membranes des cellules vivantes. Avec des exp´eriences de d´epl´etion de cholest´erol,
nous d´emonstrons le cloisonnement des membranes plasmatiques induits par cholest´erol,
et nous discutons les r´esultats dans le contexte des radeaux lipidiques.
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