Transmission scattering interferometry : from label-free virus detection and affinity measurements to sub-cellular tomography - Institut Langevin "Ondes et Images" Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Transmission scattering interferometry : from label-free virus detection and affinity measurements to sub-cellular tomography

Interférométrie de diffusion par transmission : de la détection de virus sans marquage et mesures d'affinité à la tomographie sub-cellulaire

Samer Alhaddad
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1225914
  • IdRef : 267482361

Résumé

The thesis manuscript concerns some aspects of optical label-free microscopy of small light-scattering objects such as viruses or subcellular structures. The geometry adopted is that of full-field transmission. It utilizes the interference between the incident and scattered waves to amplify weak signals.Using Single-particle tracking algorithms, we have detected viruses and dielectric nanoparticles of SiO2 as small as 50nm using incoherent light. By combining the interferometric signal with the Brownian diffusion properties of single particles, we have been able to track the modification of the diffusivity of nanoparticles on the scale of the minute. Then a cascade of reactions occurs, leading to the creation of aggregates. This approach allows estimating an equilibrium association constant attributed to the affinity of antibodies.The interferometric signal was insensitive to spherical aberrations induced by the refractive index mismatch when using oil immersion high numerical aperture objectives. However, experimental data show that the NA of the high numerical aperture is not fully used. We explained this phenomenon using a simple theoretical model and near-field simulations to understand the Gouy phase shift and defocus impact near the focus. Furthermore, to detect smaller viruses, We used a high-frequency (higher than 1MHz) deformable membrane mirror and a square optical fiber to homogenize to obtain a speckle-free wide-field illumination. This approach allowed us to attenuate the reference beam to detect small viruses of (MS2, AAV) of (27,20)nm.Finally, we explore a new promising method of full-field interferometric microscopy operating by transmission to image solid or semi-solid objects and revealing both the structures of the objects observed and the intracellular dynamics.
Le manuscrit de thèse concerne certains aspects de la microscopie optique sans marqueur de petits objets diffusant la lumière tels que des virus ou des structures subcellulaires. La géométrie adoptée est celle de la transmission plein champ. Il utilise l’interférence entre les ondes incidentes et diffusées pour amplifier les signaux faibles.À l’aide d’algorithmes de suivi de particules uniques, nous avons détecté des virus et des nanoparticules diélectriques de SiO2 aussi petites que 50 nm en utilisant une lumière incohérente. En combinant le signal interférométrique avec la diffusion brownienne propriétés de particules individuelles, nous avons pu suivre la modification de la diffusivité des nanoparticules à l’échelle de la minute. Ensuite, une cascade de réactions se produit, conduisant à la création d’agrégats. Cette approche permet d’estimer une constante d’association d’équilibre attribuée à l’affinité des anticorps.Le signal interférométrique était insensible aux aberrations sphériques induites par le décalage d’indice de réfraction lors de l’utilisation d’objectifs à haute ouverture numérique à immersion dans l’huile. Cependant, les données expérimentales montrent que la NA de l’ouverture numérique élevée n’est pas pleinement utilisée. Nous avons expliqué ce phénomène à l’aide d’un modèle théorique simple et de simulations en champ proche pour comprendre le déphasage de Gouy et l’impact de la défocalisation près du foyer. De plus, pour détecter des virus plus petits, nous avons utilisé un miroir à membrane déformable à haute fréquence (supérieure à 1 MHz) et une fibre optique carrée à homogénéiser pour obtenir un éclairage à champ large sans chatoiement. Cette approche nous a permis d’atténuer le faisceau de référence pour détecter de petits virus de (MS2, AAV) de (27,20)nm.Enfin, nous explorons une nouvelle méthode prometteuse de microscopie interférométrique plein champ fonctionnant par transmission pour imager des objets solides ou semi-solides et révélant à la fois les structures des objets observés et la dynamique intracellulaire.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03982658 , version 1 (10-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03982658 , version 1

Citer

Samer Alhaddad. Transmission scattering interferometry : from label-free virus detection and affinity measurements to sub-cellular tomography. Optics [physics.optics]. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS034⟩. ⟨tel-03982658⟩
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