J’étudie comment des nanostructures photoniques permettent d’exalter l'émission optique de molécules. L’objectif est de dépasser les limites imposées par la diffraction en microscopie optique pour améliorer la détection de nano-émetteurs. Mes travaux combinent recherche fondamentale et applications. L’axe recherche fondamentale porte sur la compréhension des phénomènes électromagnétiques mis en jeu dans des antennes de dimensions nanométriques. L’axe recherche appliquée porte sur le développement de nouvelles techniques de détection et d’analyse de biomolécules. Ces travaux s’inscrivent dans les thématiques très actives actuellement des nano-antennes plasmoniques et des capteurs pour la biophotonique.
Axe 1. Nanophotonique : interaction lumière-matière exaltée par des nano-antennes
Exaltations électromagnétiques dans des nano-ouvertures métalliques. La diffraction par une ouverture est un sujet étudié depuis des siècles en électromagnétisme. Cependant, un défi persistant concerne la compréhension des phénomènes physiques intervenant lorsque le diamètre de l’ouverture est réduit en-dessous de la demi-longueur d’onde. L’approche développée utilise des molécules luminescentes pour sonder localement les interactions lumière-matière au voisinage de nano-ouvertures percées dans un film métallique. Différentes techniques ont été introduites pour quantifier les renforcements de champs électromagnétiques : spectroscopie de corrélation de fluorescence, suivi de dynamique temporelle de boîtes quantiques, spectroscopie sous saturation de fluorescence. Pour la première fois, ces expériences mesurent l’importance de la densité locale d’états photoniques. Une optimisation du design de la nano-ouverture a également permis un gain significatif (x25) sur l’émission de fluorescence de molécules individuelles.
Contrôler la directivité d’un nano-émetteur par une antenne plasmonique. Un nouveau type de nanoantenne a été étudié pour intensifier et contrôler la lumière émise par une seule molécule. La nanoantenne est formée d’une ouverture percée dans un film d’or, l’ouverture étant entourée de corrugations en sillons circulaires. Cette antenne transforme une molécule standard en une source de lumière intense et uni-directionnelle : l’intensité de fluorescence est
Annexe A Résumé des travaux de recherche
augmentée de 120 fois, et quasiment toute la lumière est émise dans un cône étroit. L’intensité lumineuse et la direction d’émission sont contrôlées simultanément à l’échelle d’une molécule unique, ce qui constitue une première mondiale. Cette démonstration est une étape importante pour le développement de nouvelles méthodes d’analyse biochimique, les nanosources de lumière et le traitement de l’information quantique.
Dépasser la limite de diffraction avec des microsphères diélectriques. Un nouveau phénomène de confinement électromagnétique à 3 dimensions a été mis en évidence en exploitant la focalisation de la lumière par des sphères diélectriques de dimensions micrométriques. Sous certaines conditions des interférences entre le champ incident et le champ diffusé permettent le confinement de la lumière dans un volume de l’ordre de ( /n)3, ce qui constitue un record pour un système purement diélectrique. Des molécules fluorescentes ont été utilisées comme sondes locales pour caractériser le confinement lumineux et l’exaltation locale d’intensité optique. En agissant comme une lentille positionnée directement dans le voisinage proche des molécules, la microsphère permet de mieux éclairer et de mieux collecter la lumière produite par les molécules, avec une exaltation x5 du signal de fluorescence par molécule. Ces démonstrations ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration des dispositifs de détection de molécules.
Axe 2. Applications biophotoniques : détection exaltée de biomolécules
Détection exaltée de biomolécules. Grâce aux faibles volumes mis en œuvre dans les nanoouvertures, des réactions enzymatiques peuvent être analysées à de très fortes concentrations de plusieurs dizaines de micromolaires, alors que les mesures standard sont limitées à des concentrations dans la gamme de 10-100 nanomolaires. L’exaltation électomagnétique de la fluorescence améliore également grandement le rapport signal à bruit pour le suivi de réactions moléculaires, avec une possibilité de réduire le temps total d’intégration d’un facteur supérieur à 100. Les fortes exaltations du signal par molécule dans le cas des nano-ouvertures ou des microsphères ouvrent des nouvelles approches pour l’analyse rapide d’un grand nombre de réactions biochimiques. Ces travaux ont donné lieu au dépôt d’un brevet. Un transfert de technologie est en cours avec la société PixInBio basée à Gardanne.
Annexe A Résumé des travaux de recherche
Analyse de l’architecture fine des membranes cellulaires. Les ouvertures nanométriques dans des films métalliques ont été utilisées pour réduire le volume d'observation en microscopie optique sous la limite de diffraction. En agissant comme un trou de filtrage placé directement sous l’objet, la nanoouverture autorise l’observation d’une zone sous la limite de diffraction optique. Cette ultra-résolution est mise à profit pour étudier la diffusion latérale de marqueurs individuels dans des membranes biologiques de cellules vivantes. La comparaison des comportements pour différentes espèces révèle la présence d'hétérogénéités de dimensions nanométriques qui contraignent la diffusion membranaire. Les dimensions de ces domaines sont de l’ordre de 50 nm, ce qui se situe bien en dessous de la limite de résolution de microscopes optiques.
Capteurs bas coût pour l’analyse de molécules individuelles. Cet aspect des recherches porte sur le développement de systèmes compacts et efficaces pour l’analyse de molécules fluorescentes. En exploitant la focalisation introduite par la microphère, le signal de fluorescence d’une molécule fluorescente individuelle peut être détecté avec une lentille plastique jetable de lecteur de disque optique CDrom. Ces travaux ouvrent des perspectives d’application pour la détection exaltée de particules dans des dispositifs opto-fluidiques intégrés. En combinant une microsphère avec une fibre optique, nous avons réalisé le premier dispositif de corrélation de fluorescence en mode endoscope avec la sensibilité d’une molécule individuelle. Ces travaux étendent le domaine d’application de l’analyse de molécules individuelles aux systèmes d’endoscopie, offrant ainsi de nouvelles méthodes d’analyse (fluorescence, pH, température, agrégation moléculaire…) dans un dispositif compact et portable. Deux brevets ont été déposés.