Imagerie de contraste ionique térahertz Physique statistique des plasmons polaritons de surface.

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Masson, Jean-Baptiste (2007) Imagerie de contraste ionique térahertz Physique statistique des plasmons polaritons de surface. Doctorat LOB, EP - LOB Laboratoire d'Optique et Biosciences, EP/X p.209.

Autres Localisations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Masson2.pdf

Résumé

La physiologie et le fonctionnement de cellules nerveuses ainsi que de cellules présentant une différence conséquente de molarité entre différents compartiments, restent des questions très actuelles à l'interface de la physique et de la biologie. Ainsi la possibilité d'échanges d'eau lors du fonctionnement de neurones pourrait changer de manière assez radicale la façon dont leur activité est modélisée.
Afin de chercher a visualiser ces échanges une technique: la microscopie de contraste ionique térahertz a été développée. Elle est basée sur la grande sensibilité du rayonnement térahertz aux concentrations ioniques dans l'eau. Ainsi un système de génération et de mesure de rayonnement basées sur des antennes semi-conductrices fut construit. Le problème de la limite de diffraction, qui réduit les mesures par rayonnement térahertz à une résolution de l'ordre de 300 µm, fut résolu par le couplage d'imagerie de champ proche avec ouverture avec une technique d'analyse permettant de visualiser des variations spatiales avec une résolution dépassant ?/100. Cette technique d'analyse qui est aussi une configuration expérimentale fut nommée le contraste de champ proche.
La microscopie de contraste ionique térahertz a permis de confirmer les échanges d'eau lors d'un ensemble d'activités biologique liés aux neurones. De plus il a permis de quantifier de manière précise les volumes d'eau déplacés. Ceci ayant pour conséquence majeure que l'eau ne peut être négligée dans l'activité biologique neuronale. De plus cette technique a pu être étendue à d'autres systèmes biologiques, comme des cellules cardiaques et a ainsi permis la mesure résolue en temps des flux d'ions à l'intérieure de celles-ci.
Le positionnement énergétique du rayonnement térahertz fait de lui un outil puissant dans l'étude de processus de transformations sur de longues molécules biologiques. Cependant un rehaussement du signal parait indispensable. C'est ainsi que son couplage possible avec de la plasmonique fut envisagé.
L'absence d'activité spécifique de l'immense majorité des métaux dans cette zone du spectre a poussé l'étude vers des matériaux présentant des structures de taille inférieure à la longueur d'onde. Les réseaux de trous d'Ebbesen furent le système principal étudié. L'étude se focalisa sur la modélisation des phénomènes physiques ayant lieu lors de l'interaction du rayonnement térahertz avec celle-ci. Ainsi un modèle de Fano modifié s'est montré capable de modéliser la transmission des plaques ainsi que la dépendance en taille et en forme des trous, du signal transmis. De plus il fut montré que les plasmons polaritons générés à la surface de ces plaques peuvent interagir entre eux. Enfin une modélisation inhabituelle a vu décrire un certain nombre d'expériences sur ces plaques par!
des transitions de phases et de la résonance stochastique. Les travaux sur ce sujet montrent qu'il reste encore beaucoup de phénomène non compris sur la nature des interactions entre la lumière et les réseaux de trous de taille inférieure à la longueur d'onde.

Table des Matières

Introduction 7
1 Optique térahertz 11
1.1 Le système expérimental - 12
1.1.1 Ordres de grandeur - 12
1.1.2 Présentation du système expérimental - 12
1.2 Éléments d’optiques et de méthodologie - 22
1.2.1 La polarimétrie térahertz - 22
1.2.2 Le dichroïsme circulaire - 23
1.2.3 La programmation en éléments finis - 28
1.2.4 Aspects théoriques de la transmission à travers un trou de taille inférieure
à la longueur d’onde - 34
2 Imagerie de contraste ionique térahertz 41
2.1 Introduction - 41
2.2 Spectroscopie térahertz des ions en solution - 42
2.2.1 Les cuves à ions - 44
2.3 Champ proche et contraste de champ proche - 48
2.3.1 Petit modèle et idées - 48
2.3.2 Simulations et résultats - 48
2.4 Imagerie d’axones et imagerie des flux d’eau - 54
2.4.1 Introduction - 54
2.4.2 La méthodologie - 56
2.4.3 La validité de cette imagerie - 57
2.4.4 Les résultats - 59
4 TABLE DES MATIÈRES
2.4.5 Conclusion - 63
2.5 Imagerie des flux ioniques dans du muscle cardiaque - 63
2.5.1 Introduction - 63
2.5.2 L’expérience - 64
2.5.3 Les résultats - 64
2.5.4 Remarques, perspectives et considérations - 67
2.5.5 Conclusion - 70
3 Physique statistique des plasmons 73
3.1 Introduction - 73
3.2 État de l’art et problématiques - 75
3.3 Modèle de Fano étendu - 79
3.3.1 L’expérience - 79
3.3.2 Le modèle - 79
3.3.3 Conclusion - 83
3.4 Interaction entre plasmons polaritons - 83
3.4.1 L’expérience - 85
3.4.2 La modélisation numérique - 86
3.4.3 Le modèle - 89
3.4.4 Conclusion - 91
3.5 Transition de phase de plasmon polaritons de surface - 91
3.5.1 Cas limites - 91
3.5.2 Les expériences - 92
3.5.3 Les premières bases du modèle - 94
3.5.4 Le modèle - 98
3.6 Résonance stochastique de plasmon polariton de surface - 102
3.6.1 Cas limites - 103
3.6.2 L’expérience - 103
3.6.3 La modélisation - 104
3.6.4 Remarques, perspectives et considérations - 108
3.6.5 Conclusion - 111
Conclusion 113
TABLE DES MATIÈRES 5
A La mesure des ions en biologie 117
A.1 Le dosage - 117
A.1.1 La colorimétrie - 117
A.1.2 Par précipité - 117
A.1.3 Par conductimétrie - 118
A.2 Sonde de Castaing - 118
A.3 Les sondes fluorescentes ions-dépendantes - 119
A.4 Les électrodes invasives et le patch-clamp - 120
A.4.1 Les électrodes invasives - 120
A.4.2 Le patch-clamp - 120
A.4.3 La sonde vibrante spécifique à un ion - 121
A.4.4 Mesure d’un flux ionique - 121
A.4.5 Mesure de flux ionique membranaire - 121
A.4.6 Mesure spatio-temporelle d’un flux ionique - 122
B Modèle de Fano 123
C Généralités sur les transitions de phase 127
D La percolation 129
Bibliographie 133
Articles

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