HAL Portal IOGS (nstitut d'Optique Graduate School)
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Systèmes et méthodes de détection du port de la ceinture de sécurité par un passager d’un véhicule
No full textConstruction d'un microscope à gaz quantiques de strontium
No full textIn this dissertation, we describe the progress made on the strontium quantum gas microscope built at the Laboratoire Charles Fabry / Institut d'Optique. This experiment is aimed at realizing a two-dimensional lattice quantum gas and observing it by fluorescence microscopy capable of resolving the individual atoms of the gas. This system is described by the Bose-Hubbard model. The goal is to study the out-of-equillibrium dynamics of this system, in particular the propagation of correlations in the quantum critical region associated with the Mott transition.A large part of this work is dedicated to the production of the quantum gas. We present the experimental setup: magneto-optical traps on the broad (“blue”) and narrow (“red”) transitions, transport between the two chambers over 30cm with crossed interfering optical tweezers, optical lattices at 1064nm, production of strontium 84 Bose-Einstein condensates, and finally microscopy.We discuss the difficulties encountered in performing fluorescence microscopy of strontium on the narrow transition and in shallow optical lattices. These difficulties are partly due to the unfavorable differential polarizability of strontium at 1064nm for the narrow ¹S₀↔³P₁ transition. We measure the differential polarizability tensor at 1064nm. We propose an experimental configuration which should enable efficient fluorescence and cooling of the trapped atoms. Finally, we report on our recent attempts at performing fluorescence microscopy in these conditions.Dans cette thèse, nous décrivons les avancées réalisées sur l'expérience de microscopie de gaz quantique de strontium du Laboratoire Charles Fabry. Il s'agit d'une expérience visant à réaliser un gaz quantique sur réseau à deux dimensions et à observer ce gaz en microscopie par fluorescence et pouvant résoudre les atomes individuels du gaz. Ce gaz est décrit par le modèle de Bose-Hubbard. À terme, l'objectif est l'étude de la dynamique hors-équillibre de ce système, en particulier la propagation des corrélations dans le régime critique de la transition de Mott.Une grande partie de cette thèse est dédiée à la production du gaz quantique. Nous présentons le dispositif expérimental mis en place à cet effet : pièges magnéto-optique sur la transition large ("bleue") et étroite ("rouge"), transport entre les deux chambres sur 30cm avec interférence entre pinces optiques croisées, réseaux optiques à 1064nm, procédure pour produire un condensat de Bose-Einstein de strontium 84, et enfin microscopie.Nous soulevons les difficultés rencontrées quant à la microscopie par fluorescence du strontium, sur la transition étroite et dans un réseau optique peu profond. Ces difficultés ont en partie pour cause la valeur de la polarisabilité différentielle du strontium à 1064nm et pour la transition étroite ¹S₀↔³P₁. Nous mesurons les composants du tenseur de polarisabilité différentielle à cette longueur d'onde et nous identifions une configuration expérimentale susceptible de conduire à une fluorescence efficace des atomes piégés dans les réseaux optiques. Nous présentons enfin les tentatives récentes de microscopie
Super-résolution pour l'imagerie de la microstructure osseuse : Super-résolution par guidage morphométrique
No full textOsteoporosis is a skeletal disease characterized by a decrease in bone mass, degradation of bone microstructure including increased porosity and cortical bone thinning. Osteoporosis represents a major public health issue, affecting 39% of women aged 65 and increasing to 70% in those over 80 years old. Peripheral high-resolution quantitative computed tomography (HR-pQCT) has been developed to image and study bone microstructure in patients. However, its resolution of 82µm per voxel does not allow visualization of the smallest trabeculae. With regulations on maximum radiation dose, there is currently no technology available to obtain higher resolution images in clinical settings. Yet, this would provide a better description of bone microstructure and improve prediction and understanding of osteoporosis. In this thesis, we develop a new family of Super-Resolution (SR) methods using Deep Learning to artificially increase the spatial resolution of low-resolution images. Initially, we analyze the capabilities of state-of-the-art methods applied to bone imaging. After demonstrating their inability to faithfully reconstruct bone microarchitecture despite improved visual quality, we propose guiding SR methods with intrinsic application-specific information: bone morphometry. This method is named MiCT-SR. This guidance is made possible by developing a convolutional neural network capable of estimating the morphometric parameters of an image.L'ostéoporose est une maladie du squelette, caractérisée par une diminution de la masse osseuse, une dégradation de la microstructure osseuse dont une augmentation de la porosité et un affinement de l'os cortical. L'ostéoporose représente un problème de santé publique majeur touchant 39% des femmes de 65 ans et montant jusqu'à 70% de celles agées de plus de 80 ans. La tomodensitométrie quantitative périphérique à haute résolution (HR-pQCT) a été développée dans le but d'imager et d'étudier la microstructure de l'os chez le patient. Cependant, sa résolution de 82µm par voxel, ne permet pas de visualiser les plus petites travées. Avec les régulations sur la dose de radiation maximale, il n'existe pas de technologie permettant d'obtenir une image à plus haute résolution en clinique. Pourtant, cela permettrait d'obtenir une meilleur description de la microstructure de l'os et ainsi de mieux prédire et comprendre l'ostéoporose. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle famille de méthodes de Super-Résolution (SR) par Deep Learning afin d'augmenter artificiellement la résolution spatiale d'une image basse résolution. Dans un premier temps, nous analysons la capacité des méthodes de l'état de l'art appliquées à l'imagerie osseuse. Après avoir démontré l'incapacité de ces dernières à reconstruire fidèlement la microarchitecture osseuse malgré une qualité visuelle accrûe, nous proposons de guider les méthodes de SR par de l'information intrinsèque à l'application : la morphometrie de l'os. Cette méthode a été baptisé MiCT-SR. Ce guidage est rendu possible par l'élaboration d'un réseau neuronal convolutif capable d'estimer les paramètres morphométriques d'une image
Pince optique et microscopie de fluorescence FRET pour l'étude mécanique de cellules vivantes
No full textMechanotransduction, the process by which a cell perceives and responds to mechanical stimuli, plays a central role in many biological functions. Focal adhesions, anchor points between the cell's cytoskeleton and the extracellular matrix, are sensitive to the mechanical properties of the substrate and regulate numerous essential cell functions such as cell migration. Dysfunction of these mechanisms for stabilising focal adhesions is implicated in the onset and progression of certain diseases, such as cancer.This thesis presents the joint implementation of two microscopy methods for the mechanical study of focal adhesions. On the one hand, molecular force sensors based on fluorescence FRET microscopy can be used to measure intra-cellular forces in the picoNewton range. In particular, a force sensor inserted into vinculin can be used to quantitatively measure the tension exerted on this protein, which is involved in stabilising focal adhesions. An optical tweezer is used to apply a controlled force to a focal adhesion and to measure the force exerted in return by the cell.A 2-camera FRET fluorescence imaging setup, simple enough to be combined with an optical tweezer, was first validated by ratiometric FRET measurements on epithelial cell adhesions, which were compared with ratiometric and lifetime measurements made in two partner laboratories at Paris-Saclay and Rutgers University (USA). Then, by applying a fixed optical tweezer to fibroblasts labelled with VinTS and activated, an accumulation of vinculin in the direction of the force exerted was observed over a cell migration time scale of a few minutes, with in some cases adhesion points moving along the actin filaments, in the opposite direction to the movement of the cell.La mécanotransduction, processus par lequel une cellule perçoit et réagit aux stimuli mécaniques, joue un rôle central dans de nombreuses fonctions biologiques. Les adhésions focales, points d'ancrage entre le cytosquelette de la cellule et la matrice extracellulaire, sont sensibles aux propriétés mécaniques du substrat et régulent de nombreuses fonctions essentielles de la cellule comme la migration cellulaire. Un dysfonctionnement de ces mécanismes de stabilisation des adhésions focales est impliqué dans l'apparition et la progression de certaines maladies, comme le cancer.Cette thèse présente la mise en œuvre conjointe de deux méthodes de microscopie pour l'étude mécanique des adhésions focales. D'une part, les senseurs de force moléculaires basés sur la microscopie de fluorescence FRET permettent de mesurer des forces intra-cellulaires de l'ordre du picoNewton. En particulier, un senseur de force inséré sur la vinculine permet de mesurer quantitativement la tension exercée sur cette protéine impliquée dans la stabilisation des adhésions focales. D'autre part, une pince optique permet d'appliquer une force contrôlée au niveau d'une adhésion focale, et de mesurer la force exercée en retour par la cellule.Un montage d'imagerie de fluorescence FRET à 2 caméras, suffisamment simple pour être combiné avec une pince optique, a d'abord été validé par des mesures de FRET ratiométriques sur les adhésions de cellules épithéliales, qui ont été comparées à des mesures ratiométriques et par durée de vie faites dans deux laboratoires partenaires à Paris-Saclay et à l'Université de Rutgers (USA). Puis en appliquant une pince optique fixe sur des fibroblastes marqués avec VinTS et activés, une accumulation de vinculine dans la direction de la force exercée a été observée sur une échelle de temps de migration de la cellule de quelques minutes, avec dans certains cas des points d'adhésion se déplaçant le long des filaments d'actine, en sens opposé au mouvement de la cellule
Décryptage des paramètres physico-chimiques critiques favorisant la diffusion efficace des nanoparticules dans des modèles tumoraux
No full textBioimaging of complex and heterogeneous biological environments using nanoparticles is only relevant if one controls their intrinsic and surface properties to promote their diffusion in depth. Indeed, the shape (i.e. aspect ratios, nanotubes, nanospheres), the dimension (from a few nanometers up to a few tens of nanometers), the surface charges and the surface interactions with the surrounding environment are key parameters. They regulate for instance the mobility and the future of nanoparticles inside the biological milieu, such as tumoral microenvironments. In this PhD thesis, we mainly focused on semiconducting single-walled carbon nanotubes with the aim to tailor and apply their diffusion in bio-environments by controlling their surface properties. This choice was motivated by their exceptional advantages for bio-imaging applications. Their emission wavelength is in the short-wave infrared region (SWIR), which corresponds to the second window of biological transparency. In addition, they are photostable and it has been proved that they show a high tissue penetration ability due to their nanoscale 1D morphology. To study the mobility of nanotubes in complex environments, we tracked their trajectories at the single particle level and applied super-resolution fluorescence microscopy approaches. We first detected morphological modifications associated with early-stage fibrosis on murine liver slices. To that end, we employed a correlative microscopy strategy to identify the in situ biological environment (cell membranes and nuclei) surrounding the nanotubes in addition to the study of their mobilities. This first work motivated us to explore a second strategy to suspend the nanotubes to enhance their brightness while maintaining their stealth behaviours. We investigated how changing the coating around the nanotubes (PEG molecular size or presence of an insaturation) impacted their brightness and diffusivity. Diffusion has been tested within various models with growing complexity from an agarose gel to extracts of the extracellular matrix. We distinguished two molecular sizes of PEG rising to suspensions of nanotubes suitable for our studies. Finally, with the aim of expanding the library of SWIR-emitting nanoparticles for biological imaging, we investigated another type of luminescent nanoobjects: gold nanoclusters and polymeric nanoparticles loaded with such clusters. The analysis of their luminescence as well as their potential for single particle tracking were evaluated. Single gold cluster analysis has been conducted showing excellent brightness, but only in a dried environment. In addition, the polymeric nanoparticles were shown to be detectable at the single particle level diffusing within an aqueous media constituting promising candidates for bioimaging applications.La bio-imagerie d’environnements biologiques, complexes et hétérogènes utilisant des nanoparticules est uniquement pertinente si leurs propriétés intrinsèques et de surface sont contrôlées pour favoriser une diffusion en profondeur. En effet, la forme (rapports de forme, nanotubes, nanosphères), les dimensions (quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres), les charges de surface et les interactions de surface avec le milieu environnant sont des paramètres décisifs. Ils régulent par exemple la mobilité et le devenir des nanoparticules à l’intérieur des milieux biologiques, dont par exemple les microenvironnements tumoraux. Dans cette thèse, nous nous sommes principalement concentrés sur les nanotubes de carbone, semi-conducteurs et à mono-parois dans le but d’adapter leur diffusion dans des environnements biologiques en contrôlant leurs propriétés de surface. Ce choix a été motivé car ces nanotubes présentent des atouts majeurs pour des applications en bio-imagerie. Leur longueur d’onde d’émission se trouve dans l’infrarouge court (SWIR), ce qui correspond à la deuxième fenêtre de transparence biologique. Ils sont également photostables et il a été prouvé qu’ils présentent une pénétration importante dans le tissu de par leur morphologie 1D. Pour étudier la mobilité des nanotubes dans des environnements complexes, nous avons suivi leurs trajectoires à l’échelle de la particule unique et appliqué les approches de microscopie de fluorescence à super-résolution. Nous avons tout d’abord détecté des modifications morphologiques associées à une fibrose à un stade précoce sur des tranches de foie de souris. Pour cela nous avons employé une stratégie de microscopie corrélative pour identifier l’environnement biologique in situ (noyaux et membranes des cellules) autour des nanotubes en plus de l’étude de leurs mobilités. Ce premier projet nous a motivé à explorer une deuxième stratégie pour disperser des nanotubes en augmentant leur brillance tout en conservant leur furtivité. Nous avons étudié de quelle manière le changement du coating autour du nanotubes (taille moléculaire du PEG ou présence d’une insaturation) impactait leur brillance et leur diffusivité. Cette diffusion a été testée sur différents modèles avec une hétérogénéité croissante allant du gel d’agarose à des extraits de matrice extracellulaire. Nous avons distingué deux tailles moléculaires de PEG découlant sur des dispersions compatibles à nos études. Enfin, dans le but d’étendre la bibliothèque de nanoparticules émettant dans le SWIR pour des applications de bio-imagerie, nous avons étudié un autre type de nanoobjets luminescents : des clusters d’or et des nanoparticules polymères chargées avec des clusters. L’analyse de leur luminescence ainsi que leur potentiel pour des études de suivi de particules uniques ont été évalués. L’analyse de clusters d’or uniques a été réalisée montrant une excellente brillance, mais uniquement dans un environnement sec. Par ailleurs, nous avons prouvé que les nanoparticules polymériques étaient détectables au niveau de la particule unique lorsqu’elles diffusaient dans un environnement aqueux ce qui fait d’elles d’excellentes candidates pour des applications de bio-imagerie
Développement d'un biocapteur plasmonique pour la détection en faibles concentrations de miARNs dans le cadre du don d'organes
No full textMonitoring the physiological conditions of brain-deceased organ donors is crucial to prevent tissue degradation. Tracking this degradation can be done by following the inflammatory response (i.e. cytokine storm) through specific biomarkers like miRNAs. This work proposes using Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) to quantitatively detect those miRNAs. To achieve detection at concentrations below the usual SPRI limits, this research focuses on developing a more sensitive and specific SPRI biosensor for miRNA detection. Firstly, a new surface functionalization better oriented was developed for the SPRI gold biochip to improve bioreceptor accessibility. LNA-modified probes were then employed to enhance the affinity with the target miRNA. Secondly, a signal amplification strategy was designed using gold nanoparticles (AuNPs) in a sandwich-like assay, and a kinetic model predicting the amplification factor was developed. The AuNPs were synthesized in a one-step process at ambiant temperature and functionalized for miRNA specificity and solubility in saline solution.These combined approaches led to more than two orders of magnitude signal amplification and a detection limit in the picomolar range.La surveillance des conditions physiologiques de donneurs d'organes en état de mort cérébrale est cruciale pour prévenir la dégradation des tissus. Ce suivi peut être effectué en observant la réponse inflammatoire (tempête cytokinique) à travers des biomarqueurs spécifiques : les miARNs. Ce travail propose d'utiliser l'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRI) pour détecter quantitativement ces miARNs. Cette recherche vise à développer un biocapteur SPRI plus sensible et spécifique pour détecter les miARNs à des concentrations inférieures à la limite de détection de ces systèmes.Tout d'abord, une fonctionnalisation de la surface d'or de la biopuce mieux orientée a été développée afin d'améliorer l'accessibilité des biorécepteurs. Ensuite, des sondes modifiées avec des bases LNA ont été employées pour renforcer l'affinité avec le miARN cible. En parallèle, une stratégie d'amplification par sandwich du signal SPRI a été conçue en utilisant des nanoparticules d'or, et un modèle cinétique a été élaboré pour prédire le facteur d'amplification. Les AuNPs ont été synthétisées en une seule étape à température ambiante et fonctionnalisées pour être spécifiques vis-à-vis du miARN et solubles en solution saline. Ces approches combinées ont conduit à une amplification du signal de plus de deux ordres de grandeur et à une limite de détection de miARNs dans la gamme du picomolaire
Line-field confocal optical coherence tomography in dermatology and cosmetology
No full textNational audienc
De l’impact du désordre sur l’apparence visuelle de surfaces nanostructurées
No full textNational audienceLa compréhension des effets visuels créés par des nanostructures repose aujourd’hui largement sur des concepts acquis en optique des milieux stratifiés, périodiques et nano-objets résonants, négligeant souvent les irrégularités et les imperfections. En combinant modèles électromagnétiques et synthèse d’images, nous montrons ici que le désordre structurel est essentiel à l’apparence visuelle d’un objet et que son ingénierie ouvre de nouvelles possibilités en termes de conception d’apparence
Distributing reasoning on WoT edge architectures
No full textInternational audienceEnabling and automating interoperability in the Semantic Web of Things involves complex semantic reasoning tools to process knowledge graphs. To improve performance and energy efficiency, such tools should be deployed as close as possible to the devices, ideally on any available edge node.However, edge nodes often lack sufficient resources, especially memory. We propose a method to distribute reasoning in this context. We then evaluate three algorithms to plan the distribution over a network of heterogeneous nodes. These algorithms take into account architectural constraints such as the position ofsensors and actuators and the available resources on each node, while minimizing costly data exchanges on the network
First production of X-rays at the ThomX high-intensity Compton source
No full textInternational audienceWith the increase in laser power and finesse of optical cavities over the last decade, laboratory-size Compton sources are very promising. These sources produce X-rays through interactions between relativistic electrons and laser photons and, in term of brightness, fall between large synchrotron facilities and classical laboratory X-ray sources. The ThomX source is the French project in this field. This article first presents a state of the art of high-intensity Compton sources, then the ThomX source is briefly described, and the first results are detailed, in particular the production of the first X-rays, the acquisition of the first spectrum and the first image of the beam. Finally, the next objectives are discussed.Les sources X Compton offrent des perspectives très encourageantes, grâce aux progrès depuis dix ans des cavités de stockage optique, en termes de puissance laser et de finesse. Ces sources produisent des rayons X par interaction entre photons laser et électrons relativistes, et présentent des brillances intermédiaires entre sources X classiques de laboratoire, et synchrotrons. ThomX est le projet français de ce domaine. Cet article présente tout d'abord l'état de l'art des sources Compton intenses, puis décrit brièvement la source ThomX, et détaille ses premiers résultats, en particulier la production des premiers X, l'acquisition du premier spectre et la première image du faisceau. Nous discutons enfin des objectifs à suivre