Optical Microscopy applied to micro-manipulation by high-resolution magnetic tweezers and to visualization of metal nano-objects
Microscopie optique appliquée à la micro-manipulation par pinces magnétiques à haute résolution et à la visualisation de nano-objets métalliques
Résumé
In this work, we first developed new tools for DNA manipulation with magnetic tweezers. This appartus allow one to apply a controled force to a DNA molecule while measuring its extension. We improved both the spatial resolution of the device, limited by the photon noise affecting the optical detection, and the force measurement technique, limited by the temporal resolution of video microscopy. Therefore we coupled a high-frequency imaging by evanescent waves to magnetic tweezers and applied it to a new principle of DNA sequencing revealing a sub-nanometer resolution. For high forces measurement, we developed a protocol of video-shutter modulation that allows to accurately sample the Brownian fluctuations of the magnetic sensor linked to DNA and restore their level beyond the cut-off frequency of the acquisition system. Then we propose a wide-field, and real-time, photothermal imaging of metal nanoparticles for molecular motors labeling. We demonstrated the ability to rapidly image single gold nanoparticles by photothermal detection, however we still need signal-to-noise improvements to image nanoparticles of suitable size for biological application. In this context, we also explored an original method for periodic heating in wide-field excitation~: interactions between radio-frequency electromagnetic fields and metal nanoparticles. Finally, we applied the principle of optical lock-in used for photothermal detection to the selective identification time-resonant biochemical species, imaged by fluorescence microscopy.
Dans une première partie de ce travail, nous avons développé de nouveaux outils pour la micromanipulation d'ADN en pinces magnétiques. Cet appareil permet d'appliquer une force contrôlée à une molécule d'ADN tout en mesurant son extension. Nous avons amélioré la résolution spatiale du dispositif, limitée par le bruit de photons affectant la détection optique, et la mesure de force, limitée par la résolution temporelle de la microscopie vidéo. Nous avons donc couplé une imagerie haute-fréquence par ondes évanescentes aux pinces magnétiques et l'avons appliqué à un nouveau principe de séquençage d'ADN démontrant une résolution sub-nanométrique. Pour mesurer de hautes forces, nous avons mis au point un protocole de modulation de l'exposition vidéo qui permet d'échantillonner correctement les fluctuations browniennes du système senseur magnétique-brin d'ADN et de restaurer leur niveau au-delà de la fréquence de coupure du système d'acquisition. Dans une seconde partie, nous proposons une imagerie photothermique, en champ large et en temps réel, de nanoparticules métalliques pour le marquage de moteurs moléculaires uniques. Nous avons démontré la possibilité d'imager rapidement des nanoparticules d'or uniques par effet photothermique, cependant des améliorations restent à produire pour visualiser des nanoparticules de taille adaptée aux applications biologiques. Dans cette optique, nous avons aussi exploré un nouveau mode de chauffage périodique et spatialement étendu: les interactions électromagnétiques entre champ radio-fréquence et nanoparticules métalliques. Finalement, nous avons appliqué le principe de démodulation optique utilisé pour la photothermie à l'identification sélective d'espèces biochimiques résonantes, visualisées en microscopie de fluorescence.
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