Etude du mouvement brownien

Etude du mouvement brownien

Le MOLTECH-Anjou

Créé en 2010,Le laboratoire MOLTECH-Anjou est une unité mixte de recherche associée au CNRS .Dirigé par Marc SALLE, il regroupe environ 80 personnes réparties en cinq équipes dont quatre sont rattachées à l’Institut National de Chimie du CNRS (SOMaF, ERDySS, SCL et CIMI) axées sur la chimie des matériaux. Une dernière équipe relève de l’Institut National de Physique du CNRS : l’équipe MINOS (Molecular Interactions Nonlinear Optics Surface Structuration) [1] qui traite de questions d’interactions moléculaires et des effets d’optique non-linéaire et c’est au sein de cette dernière que j’ai effectué ce stage. Après avoir soutenu sa thèse portant sur la spectroscopie de nanoparticules uniques à Orsay en 2009 et réalisé différents post-doctorats, Matthieu LOUMAIGNE intègre l’équipe MINOS du laboratoire MOLTECH-Anjou en septembre 2014. Être stagiaire ne consiste pas qu’à rester uniquement dans un bureau mais surtout à découvrir et à s’intégrer dans le fonctionnement d’une structure. Au cours de mon séjour au MOLTECH-Anjou, j’ai découvert des aspects administratifs, de recherche et d’enseignements qui forment le quotidien des nombreux acteurs du laboratoire. Bien que la partie la plus importante de notre travail fut la mise en place du microscope confocal et l’étude des nanoparticules d’or, il m’a été permis d’assister mon encadrant dans la mise en place des travaux pratiques (cf. annexe 1) liés à son enseignement ainsi que dans ses interactions avec les autres chercheurs du MOLTECH-Anjou. Cela m’a permis de découvrir de nombreux sujets de recherche comme la génération de seconde harmonique, l’élargissement de spectre et bien d’autres.

Matrice de DELs 32×32

Dans l’article « Microscopy refocusing and dark-field imaging by using a simple LED array » G. ZHENG et al. [3] montrent qu’il est possible de réaliser une observation au microscope en champ clair ou en champ sombre en utilisant une matrice de DELs. Pour réaliser un éclairage en transmission, il nous suffit d’allumer les diodes qui émettent des rayons à l’intérieur du cône définit par l’ouverture numérique (O.N.) de l’objectif. A l’inverse pour mettre en place l’éclairage en champ noir nous devons allumer uniquement les DELs qui n’émettent pas dans l’O.N. formant ainsi un éclairage annulaire. Nous calculons le nombre de DELs à allumer pour le champ clair, ou à éteindre en champ sombre avec l’équation 1 [3].

Nous nous sommes procuré une matrice DELs 32×32 conçue par Adafruit. Contrôlée sous Arduino, il nous est permis de basculer la matrice du champ sombre au champ clair en quelques clics grâce à une communication série avec le microcontrôleur, la communication étant assurée avec l’outil numérique Micromanager. Ce logiciel permet de modifier les paramètres via une interface simple et claire. L’utilisation de cette matrice apporte différents avantages. D’abords un avantage économique puisque la réalisation d’un éclairage optimal habituel nécessite de se placer dans les conditions de Köhler qui requièrent des compensateurs et différentes optiques couteux. De plus les DELs couleur permettent de contrôler la longueur d’onde d’excitation ce qui est intéressant pour étudier des spécimens qui pourraient se détériorer en lumière blanche. De plus G. ZHENG et al. [3] proposent de réaliser une image pour chaque DEL de la matrice. Elles sont ensuite l’objet d’une combinaison linéaire réalisée numériquement. Grâce à cela, il est possible de focaliser digitalement l’échantillon à différents plans.

En pratique l’utilisation de la matrice 32×32 pose quelques interrogations : l’éclairage généré n’est pas uniforme quel que soit l’objectif utilisé, en d’autres termes nous imageons les DELs au plan focal de l’objectif. De plus en cas d’éclairage annulaire, le système n’offre pas un contraste optimal pour l’observation de nanoparticules qui, tout comme des grains de poussières, devraient apparaître clairement sur un fond noir donnant l’impression d’une « nuit étoilée ». Les DELs de l’anneau n’émettent pas directement dans l’objectif mais des rayons sont réfléchis par le porte échantillon en direction des diodes voisines qui deviennent alors des sources secondaires alors qu’elles ne devraient émettre aucune lumière, cela affecte la qualité de l’image du champ sombre.

Moyennant quelques ajustements le système DELs peut offrir de meilleurs résultats. Si nous plaçons un écran diffusant tel que du papier calque contre la matrice cela aura pour effet de diffuser la lumière et empêcher la formation de l’image des DELs. Nous pouvons aussi rapprocher la matrice de l’échantillon afin que les diodes de périphérie soient moins à même d’éclairer l’objectif. Nous pouvons aussi diminuer les réflexions sur le porte objet en utilisant un matériau moins réflecteur. En bref, la matrice DELs peut encore offrir de nombreuses possibilités mais dans l’optique de rester le plus polyvalent possible, nous avons décidé de consacrer un peu de notre temps à d’autre systèmes d’éclairage.

Modulateur spatiale LCD

Un écran LCD est formé de deux matrices de polariseurs (la première étant un simple film polarisant et la seconde étant composée de cristaux liquide) et d’une source de lumière (des DELs blanches dont les rayons sont diffusés à travers les cristaux liquide par un diffuseur). L’orientation des cristaux est contrôlée électriquement ce qui permet de moduler localement l’intensité des faisceaux qui traverse les matrices. Ainsi pour afficher une ligne noir sur fond blanc, les pixels (élément de matrice) formant la ligne ont une polarisation croisée (ils forment un angle de 90° entre eux) et stoppent la lumière, les pixels formant le fond blanc ont la même polarisation et laisse donc passer la lumière qui les traverse. K. GUO et al. [4] comparent la méthode des DELs et l’utilisation de systèmes LCDs pour la réalisation d’images en champ clair et champ noir. Ils proposent d’utiliser un écran LCD comme un modulateur spatial de lumière programmable. L’écran peut alors réaliser différents type d’éclairage comme le champ blanc ou champ sombre. Il nous est alors possible de réaliser les mêmes éclairages que le système DELs en programmant les figures sous Arduino via une carte Arduino Uno. Nous programmons ainsi un cercle laissant passer la lumière sur un fond opaque que nous affichons sur l’écran LCD (SainSmart 1.8″ couleur 160x128pixels), cette figure servira au champ clair. Nous programmons aussi l’image d’un cercle opaque sur un fond transparent. Le programme laisse aussi la possibilité à l’utilisateur de choisir le diamètre du cercle et sa position sur l’écran.

Faute d’opto-mécanique au cours du stage, nous n’avons pas eu l’occasion de tester le système (Cependant, les pièces nécessaires sont à ce jour en cours de réalisation). Mais le grand nombre de polariseurs et leurs faibles dimensions offrent des opportunités d’expérimentation et d’éclairage très prometteuses. L’utilisation de microcontrôleurs permet aussi de réaliser des figures d’illumination complexes et variées (comme des bandes et des demi-disques transparents ou opaques) ce qui permet de rester très polyvalent quant au type d’éclairage possible. C’est donc un module qui propose de nombreuses perspectives en termes de mécanique et d’optique aussi bien dans sa mise en place qu’aux résultats qu’il peut produire.

Eclairage par réflexion totale interne

Lorsqu’un faisceau rencontre une surface avec un angle à la normale dit angle critique, le faisceau est totalement réfléchi, seule une infime partie appelée onde évanescente est transmise sur une distance de l’ordre de la longueur d’onde incidente à l’intérieur du matériau. La microscopie de fluorescence par réflexion totale interne (TIRFM pour total internal reflexion fluorescence microscopy) est une technique qui exploite ces ondes évanescentes pour exciter le spécimen. Les rayons réémis par l’échantillon sont alors collectés par l’objectif alors que les faisceaux d’excitation sont totalement réfléchis et ne sont donc pas collectés par l’objectif. Pour atteindre ces conditions de réflexion totale il est nécessaire d’illuminer le prisme par un faisceau collimaté au mieux et pénétrant perpendiculairement la face d’entrée du prisme. De cette manière, la qualité d’une observation en champ sombre est bien meilleure qu’avec la méthode de la matrice DELs.

Nous injectons une source laser (532nm et 632nm) dans une fibre de 50μm de coeur. L’utilisation d’une fibre optique permet de réaliser des montages simples et polyvalents puisque la sortie de la fibre est facilement déplaçable. Il est aussi possible d’injecter les rayons de plusieurs sources dans une seule fibre, ce qui est particulièrement utile pour l’observation de nanoparticules et en microscopie de fluorescence (cf chapitre III.2.4.). Les ondes évanescentes issues de la réflexion totale interne sont peu puissantes. Pour pallier à cela nous devons augmenter le gain et le temps de pause de la caméra à chaque nouvelle expérience.

Table des matières

REMERCIEMENTS
Liste des symboles et abréviations
Introduction
I) Le MOLTECH-Anjou
II) Généralités sur la microscopie
1.Les méthodes d’observations
1.1. Champ clair et Champ sombre
1.2. Microscopie de fluorescence
2.La microscopie confocale
III) Réalisation du microscope confocal modulable
1.Le squelette du microscope
2.Les modules
2.1. Matrice de DELs 32×32
2.2. Modulateur spatiale LCD
2.3. Eclairage par réflexion totale interne
2.4. « Laser box »
IV) Préparation à l’étude en microfluidique
1.Protocole de réalisation des puces microfluidiques
1.1. Le Polymère
1.2. Les microcircuits
1.3. L’observation des microcanaux
2.Premières observations
V) Etude du mouvement brownien
1.Méthode de détermination de la taille de nanoparticules par la caractérisation de leurs mouvement brownien
2.Traitement numérique pour l’étude du mouvement brownien de particules d’or
2.1. Conditions d’expérience et prétraitement.
2.2. Analyse numérique des trajectoires des particules en mouvements brownien.
3.Caractérisation de nano particules d’or
VI) Perspectives et conclusion
Liste des figures
Bibliographie
ANNEXE 1 – TIPE : Photon unique

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