Microscopie holographique 3D et mouvement Brownien – 3D BROM

Le mouvement Brownien joue un rôle essentiel pour les objets libres en milieu liquide, et est donc sous jacent à une très grande variété de phénomènes biologiques, particulièrement en biologie cellulaire. Ce projet entend tirer parti des possibilités de l’holographie numérique hétérodyne pour développer des outils permettant une caractérisation précise du mouvement Brownien de nanoparticules d’or, mais aussi à développer de nouvelles techniques de microscopie tirant partie de ce mouvement aléatoire.
La caractérisation précise du mouvement Brownien sera obtenue en développant un système d’holographie numérique hétérodyne utilisant les exceptionnelles performances de calcul des cartes graphiques pour PC de manière à obtenir une reconstruction d’images 3D en temps réel. La position des particules sera ainsi déterminée avec une précision sub-diffraction, meilleure que 10x10x150 nm3.
Cet outil sera appliqué à l’étude du mouvement Brownien en milieu confiné complexe, qui présente un intérêt théorique en physique, mais est aussi à la base de nombreux phénomènes biologiques. Dans les environnements confinés complexes (comme les noyaux de cellules), la diffusion joue un rôle majeur notamment pour les phénomènes de diffusion où des protéines (facteurs de transcription) doivent rapidement trouver une cible (comme un court brin d’ADN). Nous aborderons ce problème en mesurant les temps moyens de premier passage (MFPT) de particules d’or.
En parallèle, cet outil holographique unique sera utilisé pour le développement d’un nouveau type de microscopie en champ proche utilisant les nanoparticules métalliques comme des diffuseurs extrêmement locaux du champ optique dans lequel elles sont plongées. Il s’agit en quelque sorte d’une extension des concepts de microscopie stochastique validées pour des sondes fluorescentes (STORM, PALM) à des sondes métalliques de champ proche. Le mouvement aléatoire de nanoparticules permettra l’exploration du volume d’investigation, et une mesure à très haute résolution spatiale du champ optique y règnant. Des nano antennes métalliques spécialement réalisées sur substrat de verre permettront de générer d’intenses champs locaux permettant de tester cette technique nouvelle. Pour cela, ces systèmes seront également caractérisés par microscopie de champ proche (SNOM) et holographie numérique, de manière à pouvoir valider et mettre en valeur les possibilités de la microscopie multisondes. Enfin, dans le cas de sondes métalliques asymétriques (nanobatonnets), l’holographie numérique hétérodyne permettra d’accéder à la fréquence de rotation Brownienne, donc à une information riche sur la température et la viscosité locales du milieu.