Nous présentons une série d'expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d'aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l'eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l'équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d'une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules " dansent " autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l'origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l'interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu'elle est déterminée par le mécanisme d'accrochage-décrochage de la ligne de contact.

Les propriétés mécaniques des cellules adhérentes ont une importance capitale pour l'ensemble de leurs fonctions : division, migration, différenciation, etc. De plus, on sait désormais qu'elles sont très sensibles aux caractéristiques mécaniques de leur substrat, auquel elles sont ancrées par l'intermédiaire des intégrines. Ces récepteurs transmembranaires lient indirectement le cytosquelette d'actine intracellulaire aux protéines de la matrice extracellulaire.<br />Nous avons conçu un dispositif de pinces optiques contrôlées par une boucle de rétroaction, qui permet d'appliquer aux cellules une force locale constante, via des microbilles liées aux intégrines.<br />Nous pouvons ainsi mesurer la fonction de fluage de chaque cellule et en tirer une estimation de sa rigidité. Des observations simultanées en épifluorescence permettent par ailleurs d'évaluer les effets de l'application de la force sur la répartition d'actine locale.<br />Nous avons constaté que les cellules se rigidifient sous l'application prolongée d'une force, tout en gardant le même comportement rhéologique : une fonction de fluage en loi de puissance du temps, J(t) = At^(alpha), où A décroît aux temps longs. Cette rigidification est couplée à un recrutement d'actine au niveau des contacts et au sein du réseau cytsoquelettique (jusqu'à plusieurs µm du point d'application de la force). De plus, les dynamiques de ces deux phénomènes semblent fortement corrélées. Ce travail présente une évaluation de la dynamique de renforcement cellulaire sous contrainte, et ouvre des perspectives prometteuses vers l'élucidation des phénomènes intervenant dans la mécanotransduction.

Les microtechnologies sont de plus en plus présentes dans notre quotidien. Leur production est aujourd'hui restreinte à des procédés de masse par photolithographie. Leur fabrication est mal contrôlée et les défauts sont fréquents. Or l'étude individuelle de chaque microcomposant est particulièrement difficile et coûteuse. La microrobotique propose des solutions automatiques ou téléopérées afin de résoudre ce type de verrous technologiques. Pour des raisons économiques et de flexibilité, de nombreux utilisateurs se tournent vers un contrôle impliquant un opérateur. Plusieurs travaux ont proposé un retour des interactions lors de la tâche au moyen d'une interface utilisateur évoluée, dite haptique, afin d'augmenter l'immersion dans le micromonde et donc la dextérité de l'opérateur. Dans le cas de la micromanipulation, les facteurs d'échelle et les fortes dynamiques provoquent de nombreuses instabilités dans le couplage bilatéral recherché. Il a donc été nécessaire d'utiliser des contrôleurs évolués au détriment des sensations. Pour obtenir des sensations réelles et utiles, nous proposons de revisiter la problématique sous un autre angle. Plutôt que d'utiliser un micromanipulateur existant, nous avons conçu un système dédié au retour d'effort. Nous posons les prémices d'un nouveau concept de micromanipulation haptique flexible, fiable et utile grâce à des choix et des optimisations de méthodes et de technologies : une méthode dédiée de préhension sans contact : les pinces optiques, une maximisation de l'espace de travail de ses actionneurs et capteurs, l'amélioration des performances en terme de dynamique et de bande passante, le développement de nouveau capteur de force robuste à l'environnement, basé sur la vision. Ce travail multidisciplinaire s'appuie sur la réalisation de trois installations expérimentales et sur des collaborations entre des équipes de micromanipulation, d'haptique et de vision.

Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation de nanopinces optiques intégrées basées sur l’utilisation du champ proche pour piéger des nanoparticules de taille inférieure à 1 µm.Le dispositif proposé exploite l’existence d’un couplage fort entre un guide d'onde SOI et une chaîne d’ellipses d’or afin d’exciter efficacement des plasmons de surface localisés et ainsi créer une énergie potentielle suffisamment intense pour piéger des billes de polystyrène.Des simulations par la méthode FDTD permettent d’optimiser la géométrie de la structure et d’extraire des valeurs de constante de raideur et de potentiel d’énergie de piégeage. L’efficacité ainsi que la stabilité de piégeage du système sont évaluées en présence de particules de taille comprise entre 20 nm et 1 µm. Les travaux mettent en évidence qu’avec une simple ou une double chaîne plasmonique, des billes de polystyrène sont piégées de manière efficace lorsqu’elles ont une dimension comprise entre 50 et 250 nm de rayon avec une puissance incidente de 10 mW. Utiliser seulement deux ellipses d’or au-dessus d’un guide d’onde SOI localise mieux le champ électrique entre elle. Cette structure peut alors être utilisée comme capteurs et détecter le changement d’indice optique du milieu environnant ou encore la variation de la taille de la bille à piéger. Le piégeage de billes métalliques de dimension supérieure à 15 nm de rayon est également présenté. Il est aussi possible de concevoir des dispositifs permettant de contrôler la position d’une particule piégée le long d’une chaîne d’ellipses d’or en faisant varier la longueur d’onde de la lumière injectée dans le guide.Des dispositifs de piégeage sont fabriqués en salle blanche en exploitant les résultats obtenus par simulation et sont caractérisés sur un banc d'optique guidée. Des mesures de transmission optique détermine la longueur d'onde de résonance de la chaîne plasmonique, qui se traduit par une forte diminution de la transmission. Des expériences de piégeage optique mettent en évidence la possibilité de piéger de manière stable des nanoparticules diélectriques. Le suivi de la trajectoire des particules en fonction du temps permet de tracer des histogrammes de position et ainsi d’extraire les valeurs de l'énergie potentielle et de la constante de raideur du piège. Ces valeurs, déterminées expérimentalement, sont plus faibles que celles attendues par simulation. Cet écart peut être expliqué par la présence de vibrations mécaniques du banc de caractérisation optique.Ce dispositif de piégeage ouvre des perspectives d’applications dans le domaine des capteurs tout intégrés de taille nanométrique à faible puissance incidente. / This work is focused on the conception and the realisation of an integrated nano-tweezers based on the near field effect to trap nanoparticles smaller than 1 µm.The proposed device exploits the strong coupling between a SOI waveguide and a gold elliptic chain to excite the localized surface plasmon and to create a deep energy potential well to trap polystyrene beads.FDTD simulations are used to optimize the geometry of the structure and to extract the stiffness values and the potential energy. The efficiency and the trapping stability are evaluated with particles having size between 20 nm and 1 $upmu$m. This work shows that polystyrene beads with a radius between 50 and 250 nm are efficiently trapped thanks to single and double plasmonic chain with an injected power of 10 mW. The electric field is more localized when two gold elliptic nanocylinders on top of a SOI waveguide are considered. This structure can be used as a sensor to detect the shift of the optical index or the variation of the bead size. The tweezing of metallic beads having radius higher than 15 nm is also presented. It is also possible to control the position of the trap particle along a gold elliptic chain by varying the injected wavelength into the waveguide.Trapping device are fabricated in clean-room based on the simulations results of the geometry optimisation and are characterized on an optical bench. Optical measurements of transmission enable to determine the resonance wavelength of the plasmonic chain. Optical trapping experiment highlight the efficient tweezing of dielectric nanoparticles. With time resolved tracking method of the particle, position histograms can be plotted to extract potential energy and stiffness value. These experimentals results are not as good as the simulations results which can be explain by mechanic vibrations of the optical bench.This trapping device opens news applications in all integrated nanometric sensors with a small injected power.

La réponse mécanique d'une cellule à une force externe permet d'inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s'avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule. / The mechanical response of a cell to external forces carries information about its structure and function. Because cell manipulation should ideally be non-invasive while performing sophisticated biophysical characterization, the radiation force of optical tweezers has become highly attractive. In this thesis, we explore three types of recently-developed optical tweezers: 1) static, 2) time-sharing and 3) oscillating. Using a full three-dimensional finite element method (3DFEM), modeling of each of these regimes allows us to fit experiments and access the cell mechanical properties. Combining optical trapping with cell mechanics requires interdisciplinary efforts. A survey of the various experimental approaches for optical trapping and measurements on isolated cells is presented. We then lay the theoretical background linking the interaction of optical fields to the cell’s mechanical response. We are the first to implement a 3DFEM calculation including light scattering and the radiation stress distribution to predict the deformation of a biconcave cell –emulating a red blood cell– in static dual-trap optical tweezers. At equilibrium, the final deformation is given by the separation distance of the two trapping beams, revealing how the cell can be elongated or shrunk. Time-sharing optical tweezers realize multiple traps to manipulate objects ranging from macromolecules to biological cells. Our quantitative analysis shows how, although jumping, the local stress and strain is omnipresent in the cell. The viscoelastic object deformation and internal energy dissipation are analyzed. Another cell shape, a cubic rod, is also studied, elucidating novel symmetrical properties of the mechanical response. Finally, the analysis of the time-dependent deformation –creep testing– of a cell in static and time-sharing optical tweezers, shows that deformation of the object depends altogether on the object’s viscoelasticity, significantly on its 3D shape and the mechanical loading. However, dynamic testing with oscillating optical tweezers surprisingly shows a phase shift between the loading stress (external force) and strain (deformation) independent on the 3D cell shape. This is a novel avenue giving access to the cell’s viscoelasticity dynamic complex modulus directly in the time-domain.

On expose ici le travail fait dans le cadre d'une étude portant sur l'utilisation des pinces optiques pour la capture de nanobarres anisotropes et isotropes. La capture de nanobarres anisotropes et non linéaire a été faite et divers problèmes concernant leur application en imagerie haute résolution ont été mis en évidence. Nous avons donc fait une étude approfondie de l'interaction du champ électromagnétique avec des nanobarres anisotropes. Nous avons utilisé la méthode de la matrice de transfert pour analyser les paramètres de capture optique de nanobarres. Nous avons aussi étudié diverses méthodes de simulation du faisceau incident et défini des critères d'applications de ces derniers en fonction de l'ouverture numérique à utiliser. Nous avons aussi pu mettre sur pied une nouvelle méthode permettant d'évaluer précisément la qualité des pinces optiques à des ouvertures numériques très grandes et pu donner des limites d'application et des exemples d'application spécifiques. Afin de faire ressortir l'aspect physique des captures optiques, nous avons calculé la distribution du champ électromagnétique sur la surface des objets capturés. Ceci nous a ensuite permis de calculer le stress, les forces et les torques en utilisant le tenseur de stress de Maxwell. Différent nanobarres isotropes ou anisotropes possédant des longueurs et des rayons différents, ont été modélisés. Des faisceaux laser possédant des ouvertures numériques (NA) différentes, un inclinaison différente et différentes positions dans l'espace ont été étudiés. Il a été ainsi possible de démontrer comment une capture optique de nanobarres était affectée en translation, en rotation, en vibration de toutes directions et comment il était possible de l'améliorer. De la même façon, les particules anisotropes ont été étudiées et des propriétés spéciales, presque impossibles à déterminer expérimentalement, ont pu être démontrées telles que l'existence d'une force de torsion à l'intérieur des nanobarres ou la possibilité d'une capture non alignée avec le faisceau. Les résultats de calculs ont aussi été comparés qualitativement avec un logiciel commercial utilisant la méthode FDTD, avec le résultat de calcul par tracé de rayon sur des objets microscopiques et par la comparaison avec les observations expérimentales lorsque c'était possible. Finalement, les expériences réalisées sur une pince optique ont démontré qu'il est possible de capturer des nanobarres avec une NA = 1:25 et une longueur d'onde de λ = 1:064 μm. Des voies d'amélioration de l'expérience ont été exposées. / In this thesis we present a study on the use of optical tweezers to capture anisotropic or isotropic nanorods. For this purpose, we used the T-Matrix method for analyzing the parameters of optical tweezing of nanorods. We also studied various methods of simulation of the incident beam and defined criteria on their use based on the numerical aperture to use. We were also able to develop a new method to accurately assess the quality of optical tweezers with numerical apertures greater than 1.20 and have given the limits of applications and examples of application specific to high numerical apertures. To highlight the physical aspect of optical tweezers, we calculated the distribution of the electromagnetic field. The stress, forces and torques were then evaluated using the Maxwell stress tensor of isotropic or anisotropic nanorods. Nanorods were modelled having different lengths, different radii and the incident beam was calculated having different NA, different inclinations and different positions in space. Thus, it was possible to demonstrate how an optical capture of nanorods was affected in translation, rotation, vibration from all directions and how it was possible to improve the optical trap. Similarly, anisotropic particles have been studied and special properties, almost impossible to determine experimentally, could be demonstrated. For example, the existence of a twisting force within nanorods or the possibility of capture at an angle with respect to the optical axis. Calculation results were also compared qualitatively with commercial software using the FDTD method. Finally, experiments on optical tweezers have shown that it is possible to capture nanorods with NA = 1:25 and a wavelength of λ = 1064 μm.Ways of improving the experimental setup are discussed at the end.

De nouvelles méthodes évit.ant les étapes d'amplification intermédiaires pour la détection de marqueurs de pathologies seraient d'un grand intérêt, surtout dans le milieu clinique. Ceci est particulièrement le cas pour le diagnostic et le suivi de traitement de certains cancers, où des fragments de protéines (K.8/K18) sont rejetés dans le sang par les cellules cancéreuses émergentes. A partir de ces fragments, il est possible de générer une réaction anticorps-antigènes où la concentration de ces fragments module cette interaction. Le travail effectué durant cette maîtrise a permis de développer une nouvelle procédure de mesure de concentration d'antigène dans un fluide biologique utilisant une pince optique. Une force de gradient a été appliquée perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau sur une bille de 3 um de diamètre recouverte de sérum-albumine bovin (BSA) liée à une tige de 1,5 um de diamètre recouverte de l'anticorps anti-BSA. En premier lieu, nous avons mesuré la force nécessaire pour briser le lien anticorps-antigène selon différentes concentrations d'antigène recouvrant la bille (de 10⁻⁷ mo1/L à 10⁻¹³ mo1/L). Cette expérience permit de démontrer qu'il existait une relation proportionnelle entre ces deux variables. Par la suite, nous avons mesuré la force nécessaire pour rompre la liaison entre la tige et une bille recouverte d'une concentration constante d'antigène selon différentes concentrations d'antigène en solution dans le milieu (de 10⁻¹¹ mo1/L à 10⁻¹⁸ mo1L). Lors de cette expérience, il y a une compétition de liaison entre les antigènes sur la bille et ceux en solution pour les sites de liaison disponibles sur la pipette. Cette fois, une relation inversement proportionnelle entre la force nécessaire au bris de la liaison et la concentration d'antigène en solution a pu être illustrée. Ainsi, ces travaux ont permis de démontrer qu'il serait possible de détecter, dans un fluide biologique, une concentration d'antigène d'ordre attomolaire (10⁻¹⁸ mo1L).

Ce travail de thèse est principalement axé sur le développement d’une nouvelle méthode de manipulation de vortex d’Abrikosov individuels dans les supraconducteurs de type II. Cette méthode, rapide, efficace et précise, est basée sur l’optique en champ lointain et repose sur l’échauffement local du supraconducteur sous l’action d’un faisceau laser focalisé. Elle apporte une excellente alternative aux techniques existantes de manipulation de vortex, toutes basées sur l’utilisation de sondes locales, et donc intrinsèquement lentes et difficiles à mettre en oeuvre dans un environnement cryogénique. La combinaison de cette méthode à une technique d’imagerie magnéto-optique performante permet de déplacer des vortex individuels avec un taux de réussite de 100% et sur de grandes échelles limitées uniquement par le champ de l’objectif de microscope. Les vitesses de manipulation atteintes sont élevées, de l’ordre de 10 mm.s-1, mais encore limitées par l’instrumentation utilisée et loin des limites fondamentales offertes par cette méthode, estimées au km.s-1. La méthode de manipulation optique permet aussi de mesurer la distribution des forces de piégeage de chaque vortex d’un échantillon. En utilisant des puissances de chauffage laser permettant de dépasser localement la température critique, nous avons également pu étudier la pénétration des vortex à l’interface entre une zone normale et une zone supraconductrice.Durant ces travaux, nous avons aussi eu l’opportunité de mettre en évidence, par spectroscopie de molécules uniques, l’effet flexomagnétoélectrique dans un matériau multiferroïque, en employant un supraconducteur de type I comme générateur de champ magnétique inhomogène. Enfin, nous proposons à la fin de ce mémoire un concept de jonction Josephson créée tout optiquement, et dont les propriétés seraient contrôlables en temps réel par laser. / This thesis focuses on the development of a new manipulation technique to handle single Abrikosov vortices in type II superconductors. This fast, efficient and precise method is based on far field optics and rests on the local temperature elevation produced by a focused laser beam. It brings an excellent alternative to the existing techniques which are all based on local probes and thus heavy to implement in a cryogenic environment. The combination of this method with an efficient magneto-optical imaging system allows us to manipulate single vortices with a 100% rate of success on a large scale only limited by the field of view of the microscope objective. Manipulation speeds are high, of the order of 10 mm.s-1, but still limited by our setup and far from the fundamental limits offered by this technique, estimated to the km.s-1. This manipulation technique also allows to measure the pinning force of any single vortex in a superconducting sample. By using a high enough laser power which locally pushes the temperature above the critical temperature, we could also study the vortex penetration at the interface between normal and superconducting areas.In the course of this work, we also evidenced, with single molecule spectroscopy, the flexomagnetoelectric effect in a multiferoic material, by using a type I superconductor as a source of inhomogeneous magnetic field. Finally, we propose at the end of the manuscript the new concept of an optically created Josephson junctions, whose properties could be controlled in real time just with a laser beam.

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de facteurs protéiques sur la dynamique du cytosquelette cellulaire au moyen d'outils de micromanipulation contrôlés. Nous avons déterminé la réponse microrhéologique du réseau d'actine pour des cellules uniques. Nous avons appliqué grâce à un système de pinces optiques des forces statiques et oscillantes à des microbilles de verres attachées de manière spécifique au réseau d'actine de divers types cellulaires. Dans le cas statique nous avons mesuré des modules élastiques dans la gamme 29

Dans cette thèse, les propriétés rhéologiques du sang sont étudiées suivant deux approches differentes. Les propriétés de l'écoulement du plasma sont analysées selon trois modes différents : sous cisaillement, en extension et en constriction. Jusqu'à présent, le plasma était considéré comme un fluide newtonien, et le comportement complexe du sang était simplement attribué à la présence des globules rouges. Les expériences menées ont montré un comportement visco-élastique du plasma, que doit désomais être pris en compte dans les études futures. La deuxième axe traite des globules rouges. Leur assemblage en agrégats rectilignes est à l'origine du comportement rhéofluidifiant, mais les causes de la formation des agrégats restent encore vagues. L'énergie d'interaction entre deux cellules et la distribution des tailles des clusters dans des canaux microfluidiques ont été mesurées en présence de dextran et de fibrinogène. Comme les agrégats sont normalement cassés à des taux de cisaillement élevés, on a cru qu'ils ne jouaient pas de rôle dans l'écoulement du sang. Mais le fait que le nombre de clusters augmente à des concentrations physiologiques de fibrinogène, même pour des taux de cisaillement correspondant à ceux du système microvasculaire, il est clair que l'agrégation ne peut pas être négligée dans la description de l'écoulement du sang en le réseau capillaire.