La microscopie STED (stimulated emission depletion ou déplétion par émission stimulée) est une des méthodes les plus répandues de microscopie de super-résolution. Dans un microscope STED, un faisceau en anneau se superpose avec le faisceau d'excitation et éteint les fluorophores en périphérie du faisceau d'excitation par émission stimulée. Au centre de l'anneau, où le faisceau STED a une intensité nulle, la fluorescence reste intacte. Cette technique nécessite un montage complexe dans lequel deux faisceaux laser, en général issus de deux sources différentes, doivent être parfaitement alignés et superposés. Dans ce travail de thèse, nous proposons deux configurations STED qui ont pour but de simplifier le montage et de réduire le coût total d'un tel système. L'idée de base dans les deux cas est d'utiliser la même source laser à la fois pour l'excitation et la déplétion par émission stimulée. Dans la première configuration, nous avons développé une source bicolore originale basée sur un laser Nd-YAG microchip. Ce laser microchip délivre simultanément des impulsions sub- ns à deux longueurs d'onde, 355 nm (excitation) et 532 nm (déplétion), qui sont générés par conversion harmonique à partir d'une émission laser Nd-YAG et offrent l'avantage d'être intrinsèquement alignées et synchronisées. Afin de trouver des colorants appropriés pour cette source particulière, nous avons développé une méthode de caractérisation et testé différents colorants Nous avons construit un microscope à partir de cette source laser et obtenu des images avec une résolution améliorée. La réduction du volume d'excitation a été confirmée par spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS). Cependant, les aberrations chromatiques des optiques utilisées limitent les performances du montage actuel. Une perspective prometteuse serait de combiner le STED à la microscopie à feuille de lumière (SPIM), plus tolérante des défauts d'achromatisme, et nous montrons les premiers résultats de cette approche. Dans la seconde configuration, les aberrations chromatiques ne sont plus un problème puisqu' une seule longueur d'onde est utilisée pour l'excitation (par absorption à deux photons) et la déplétion. En jouant sur la durée de l'impulsion (et donc la valeur de l'intensité crête), un de ces deux procédés peut être favorisé. La fluorescence est excitée à deux photons par une impulsion femtoseconde, puis est éteinte par émission stimulée à un photon avec une impulsion étirée. Nous avons utilisé une technique résolue en temps (Time-Correlated Single Photon Counting - TCSPC) pour étudier l'efficacité de déplétion du colorant DCM en solution. Les simulations numériques montrent que cette méthode peut être appliquée à la microscopie de super résolution. En fin de cette partie, nous présentons les premières images obtenues avec un microscope développé au laboratoire qui permet l'excitation à deux photons et la déplétion à un photon avec une seule longueur d'onde, ainsi que l' amélioration de la résolution observée. Dans ce travail, nous avons donc mis en place expérimentalement, pour la première fois, deux concepts destinés à simplifier en utilisant deux sources laser originales. / Stimulated emission depletion (STED) is a well-known super-resolution method. In a STED microscope, a doughnut-shaped beam is superimposed with the excitation beam and keeps the fluorophores in the periphery of the excitation spot in a dark state by stimulated emission, thus effectively improving the spatial resolution in a scanning configuration. This technique requires a complex setup since two laser beams, generally from different sources need to be perfectly aligned. In this work we propose two STED configurations that will simplify the setup and reduce the total cost of such a system. The basic idea in both cases is to use the same laser source for both excitation and stimulated emission depletion. In the first setup we have developed an original two-color source based on a microchip Nd-YAG laser. This microchip laser simultaneously delivers sub-ns pulses at two wavelengths, 355 nm (excitation) and 532 nm (depletion), which are generated by harmonic conversion from an Nd-YAG laser emission and offer the advantage of being intrinsically aligned and synchronized. Further work consisted in determining suitable dyes for this particular source. We have built a microscope setup based on this laser source and obtained images with an improved resolution. The confirmation of the reduction of the excitation volume is showed by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) measurements. However, the performance of this system is limited by chromatic aberrations. The combination of Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM) with STED is considered. In the second setup the chromatic aberrations are no longer a problem since the same wavelength is used for two photon excitation and one photon depletion. By playing on the duration of the pulse (thus the instantaneous intensity), one of these two processes can be favored. Fluorescence was excited by two photon absorption with a femtosecond pulse, then depleted by one photon stimulated emission with a stretched pulse. We used the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) method to study the depletion efficiency of DCM dye in solution and numerical simulations show that this method can be applied to super-resolved microscopy. In the end we present the preliminary images obtained with a home-built Two-photon Single wavelength STED microscope and the resolution improvement obtained. Further improvements are to be made to the custom microscope. In this work we have experimentally implemented, for the first time, two concepts meant to simplify the STED setups by using original sources.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013GRENY040 |
| Date | 22 November 2013 |
| Creators | Şcheul, Ancuţa Teodora |
| Contributors | Grenoble, Vial, Jean-Claude, Wang, Irène |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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