Microscopie non-lineaire polarimetrique dans les milieux moleculaires et biologiques
Polarimetric multiphoton fluorescence microscopy in molecular and biological media
Résumé
Light-matter interaction in molecular and bio-molecular media can lead to complex processes where optical fields polarizations couple to an assembly of molecular transition dipoles. The manipulation of the optical fields polarization in fluorescence microscopy can in particular give access to fine changes occurring in molecular arrangements. In this PhD thesis we report a method based on a tuneable excitation polarization state complemented by a polarized read-out, applied to polarization-resolved multiphoton fluorescence microscopy. Two-photon fluorescence polarimetry allows to retrieve a quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation in different environments such as model lipid membranes, cell membranes, and molecular inclusion compounds that can be strongly heterogeneous. Three-photon fluorescence polarimetry has been furthermore applied in bio-molecular media in order to provide a diagnostics for crystallinity in protein crystals with high sensitivity to their structure and symmetry. The experimental implementation of polarimetric multi-photon microscopy requires to quantify possible polarization distortions originating from the experimental set-up or sample itself, which are thoroughly analyzed.
Les interactions lumière-matière dans les mileux moléculaires et bio-moléculaires peuvent mener à des processus complexes où les polarisations des champs optiques se couplent aux assemblages de dipoles de transitions moléculaires. La manipulation des polarisations des champs optiques en microscopie de uorescence peut en particulier donner accès à des modi cations nes d'arrangements moléculaires. Dans ce travail de thèse nous introduisons une méthode basée sur la variation continue d'un état de polarisation d'excitation complémentée par une analyse polarisée, appliquée à la microscopie de uorescence multi-photons. La uorescence à deux photons polarimétrique permet d'accéder à une information statique quantitative sur la forme et l'orientation de la distribution orientationnelle moléculaire dans des membranes lipidiques articielles, dans des cellules ou sur des composés molécluaires co-cristallins qui peuvent être fortement hétérogènes. La uorescence à trois photons polarimétrique apporte de plus un diagnostique de cristallinité dans des cristaux de protéines, avec une forte sensibilité à leur structure et symétrie. L'implémentation expérimentale de cette technique requiert de quantier les distortions de polarisation provenant du montage expérimental et de l'échantillon lui-même, qui sont nement analysés.
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