1 / 48

Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes

Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes. Thèse soutenue par Stéphanie Gaugiran. Directeur de thèse: Jacques Derouard Responsable CEA: Stéphane Gétin Laboratoire d’Ingénierie des Composants Photoniques. Plan de l’exposé. Les actions mécaniques de la lumière

stuart-smith
Download Presentation

Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes Thèse soutenue par Stéphanie Gaugiran Directeur de thèse: Jacques Derouard Responsable CEA: Stéphane Gétin • Laboratoire d’Ingénierie des Composants Photoniques Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  2. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  3. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • origine et ordres de grandeur • Mise en oeuvre: état de l’art • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Conclusion et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  4. Les actions mécaniques de la lumière p1 p2 PHOTON: • énergie E =h  • quantité de mouvement p =h  / c dirigée suivant direction de propagation F = «PRESSION DE RADIATION» + FORCE DE GRADIENT Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  5. DEVIATION DES PHOTONS • Force résultante horizontale • Dirigée suivant la direction de la lumière La pression de radiation: ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION d’un faisceau lumineux par une particule ABSORPTION DES PHOTONS • fait avancer la particule Soleil Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  6. DEVIATION DES PHOTONSNON SYMETRIQUES • Force résultante OBLIQUE • Dirigée suivant le GRADIENT d’intensité • Pousse la particule vers le MAXIMUM d’intensité La force de gradient*: ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION d’un faisceau lumineux NON UNIFORME par une particule A. Ashkin et al., Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  7. Ordres de grandeur des forces optiques Puissance: quelques milliwatts Laser Forces optiques: quelques 10–12 N Manipulation de particules = 100 X Gravité particule micrométrique: quelques 10-14 N Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  8. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • origine et ordres de grandeur • Mise en oeuvre: état de l’art • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  9. Mise en oeuvre: Les pinces optiques F • Arthur Ashkin 1986 • Piégeage, déplacement, manipulation, de particules et d’objets biologiques (cellules organelles) • Mesure de nano-forces et propriétés viscoélastiques des cellules et de leur environnements • Tri de particules et de cellules Objectif immersion: ON=1.3 A. Ashkin et al, Opt. Lett. Vol11 (5), 288-290 (1986) A. Ashkin et al, Science 235, 1517 (1987) S.M. Block et al, Nature, 348, 348-352 (1990) Développement de systèmes parallélisés pour la nanofabrication ou les Lab-on-a-chip Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  10. Réseau optique de tri de particules • Macdonald et al., St Andrew University, UK (2003) • Système automatique de tri de particules dans un réseau optique • Efficacité 96% • 25 particules / s MacDonald et al, Nature426, 421-424 (2003) n=1.58 n=1.37 Prometteur mais encore onéreux et difficile à miniaturiser Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  11. Manipulation de particules sur des guides d’ondes* FGRAD FSCAT FGRAD FGRAD laser FGRAD FSCAT • CHAMP EVANESCENT: • Particule attirée vers le guide • Particule propulsée le long du guide action des forces de gradient action de la pression de radiation * S. Kawata, T. Tani, Opt Lett 21, 1768, (1996) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  12. Objectifs Evaluer les POTENTIALITESde ces dispositifs pour la NANOFABRICATION et les LABORATOIRES sur puce • ETAT DE L’ART: • Puissance laser plusieurs centaines de mW • Efficacité de propulsion limitée • Pas de démonstration en biologie • OBJECTIFS: • Optimiser les systèmes existants • Evaluer les potentialités dans le domaine de la biologie • Etudier la propulsion des particules métalliques par une onde évanescente Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  13. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé • Modèle numérique sur des particules de Mie • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  14. Le modèle dipolaire : approche analytique superstrat Dipôle induit rbille guide substrat • Particules de RAYLEIGH (r<<): • Champ constant sur la bille • diffusion négligeable • OBJECTIF: • Dégager des tendances Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  15. Influence de l’épaisseur du guide Épaisseur optimale Épaisseur de coupure t Epaisseur du guide optimale pour le déplacement des particules Rayon bille latex: R= 10nm<< Guide d’onde potassium: n = 0.01 Puissance guidée: 100mW Longueur d’onde: λ =1064 nm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  16. Influence de l’indice du guide Épaisseur optimale variable Épaisseur optimale variable Δn +n t n Augmentation importante des forces avec l’indice du guide Rayon bille latex: R= 10nm<< Puissance guidée: 100mW Longueur d’onde: λ =1064 nm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  17. Influence de nature des billes Résonance plasmons YAG Augmentation importante des forces avec l’indice des particules Rayon bille: R= 10nm<< Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 100mW Epaisseur du guide: 1.9µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  18. Conclusion partielle Validation sur des particules de Mie • Pour optimiser la propulsion il faut : • Un guide ayant une épaisseur égale à l’épaisseur optimale • Un guide ayant le saut d’indice le plus important possible par rapport au substrat • Utiliser des particules ayant de indices de réfraction élevés Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  19. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé • Modèle numérique sur des particules de Mie • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  20. bille guide substrat Cas des particules de Mie : démarche • 1) CALCUL DU CHAMP TOTAL: • Eléments finis • Modèle numérique 3D • Maillage de taille variable • 2) CALCUL DES FORCES OPTIQUES: • Tenseur des contraintes de Maxwell Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  21. S Permittivité ε Calcul des forces optiques par le tenseur de Maxwell BUT: écrire une version «ONDULATOIRE» de la Relation Fondamentale de la Dynamique (F = dP/dt) Équation de conservation *: * Jackson J.D., Classical Electrodynamics, Wiley Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  22. Densité d’énergie électromagnétique Densité d’énergie électromagnétique laser F 9000 N/m² Validation des tendances du modèle dipolaire Exemple de particule sur un guide d’onde Rayon bille: R= 250nm Bille VERRE Guide d’onde nitrure: n = 0.52 Puissance guidée: 1 W Epaisseur du guide: 200nm 3000 N/m² Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  23. Influence de la polarisation Densité d’énergie électromagnétiquec Densité d’énergie électromagnétique OR OR F F E F E F 1.8 105 N/m² TM 2.5 104 N/m² TE Inversion du signe des forces de gradient avec la polarisation* Arias-Gonzales et al., Opt. Lett, Vol27 (24), 2149 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  24. Influence de la taille des billes Densité d’énergie électromagnétiquec Densité d’énergie électromagnétiquec R=50 nm R=250 nm OR OR F F F F E E 6000N/m² 2.5 104 N/m² TE TE Inversion du signe des forces de gradient avec la taille des objets Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  25. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Manipulation d’objets au dessus d’un guide • Dispositif expérimental et échantillons • Manipulation de particules diélectriques • Manipulation de particules métalliques • Manipulation d’objets biologiques • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  26. Dispositif expérimental CCD zoom Objectif Billes Mesureur de puissance Laser YAG 1064nm Substrat Guide d’onde Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  27. Echantillons UTT 10µm 7µm 5µm n n UTT 4 µm n n 1 µm 200 nm SiO2 n n Si Guide Potassium: n=0.01 Echange d’ions Guide Argent: n=0.01 Guide en Nitrure de Silicium: n=0.52 Couches minces Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  28. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Déplacement de particules au dessus d’un guide • Dispositif expérimental et échantillons • Manipulation de particules diélectriques • Manipulation de particules métalliques • Manipulation d’objets biologiques • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  29. Illustration des effets de pression de radiation • Mise en évidence de la pression de radiation • «Liaison optique » • Couplage optique/ fluidique Chaumet P.C. et al, Phys. Rev B, 64, 035422, (2001) billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 400mW laser 70 µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  30. Illustration des forces de gradient Images des modes 15 µm Mise en évidence d’une force de gradient attractive billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 400mW laser 70 µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  31. Optimisation du déplacement sur des guides en Si3N4 Meilleur confinement du champ: vitesses x5 et puissance / 20 : GAIN 100 billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide d’onde nitrure de silicium: n=0.52; e=200nm D=2µm Puissance guidée:  20mW laser 70 µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  32. Conclusion partielle Cas des particules métalliques • Action de la pression de radiation et des forces de gradient similaire au cas propagatif • Couplage de phénomènes physiques de natures différentes • Efficacité des guides en nitrure de silicium: • X 100 par rapport aux guides potassium • X 20 par rapport aux guides réalisés par échange d’ions césium Gruijic K.et al, Opt. Comm., Vol 239, 273, (2004) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  33. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Déplacement de particules au dessus d’un guide • Dispositif expérimental et premières expériences • Manipulation de particules diélectriques • Manipulation de particules métalliques • Manipulation d’objets biologiques • Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  34. Premières observations • Différences métal/ diélectrique billes OR N=0.272-7.07*i R= 0.5µm Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 230mW laser 70 µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  35. Influence de la polarisation: guides potassium Influence de la nature métallique de la bille OR OR VTM = 3.5 ±0.8 µm/s VTE = 1.1 ±0.3 µm/s A puissance guidée constante (200 mW) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  36. Influence de la polarisation: guides argent TM TE BILLES OR R=0.5 µm Effet similaire aux guides potassium Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  37. Influence de la polarisation: théorie Densité d’énergie électromagnétique laser F 9000 N/m² • Forces de pression de radiation similaires • Inversion du signe des forces de gradient Quel impact sur le mouvement ? Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  38. Influence de la polarisation: guides argent Densité d’énergie électromagnétiquec Densité d’énergie électromagnétique OR OR F F E F E F 1.8 105 N/m² TM 2.5 104 N/m² TE billes OR N=0.272-7.07*i R= 0.5µm Guide d’onde argent: n=0.01 Puissance guidée: 300mW laser 70 µm • Éjection des particules en polarisation TE • Lévitation? Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  39. Influence de la polarisation: guides nitrure billes METALLIQUES N=0.272-*7.07*i R= 0.5µm PolarisationTE laser 70 µm Effet de polarisation sur le coté du guide Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  40. Influence de la taille des particules: guides nitrure Densité d’énergie électromagnétiquec Densité d’énergie électromagnétiquec Mesure particules OR R=250 nm R=50 nm OR OR diamètre vitesse F F F 250 nm 130 µm/s 600 nm 23 µm/s 1 µm 2 µm/s F E E 6000N/m² 2.5 104 N/m² TE • Inversion du signe des forces de gradient • Diminution des vitesses avec la taille des billes TE Sans éclairage laser R=125 nm 70 µm Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  41. Plan de l’exposé • Les actions mécaniques de la lumière • Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde • Déplacement de particules au dessus d’un guide • Dispositif expérimental et premières expériences • Manipulation de particules diélectriques • Manipulation de particules métalliques • Manipulation d’objets biologiques • Conclusion et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  42. Spécificités • Indices de réfraction noyau Bille 2µm potassium nitrure puissance 400mW 60mW cytoplasme 5 à 10µm n=1.55 7.8 µm/s 106 µm/s n=1.4 0.5 µm/s 4 µm/s mitochondrie n=1.36 0.08 µm/s 0.1 µm/s Expérimentation obligatoire • Taille / composition • Milieu de culture Mannitol (n=1.34 à 600nm) Eau (n=1.33 à 600 nm) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  43. Déplacement de cellules de levure 70 µm • Déplacement automatique de cellules de levures • Sans marquage Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  44. Conclusion • Mise en place du banc et des logiciels associés • Particules diélectriques: • Illustration des forces de pression de radiation et de gradient • Optimisation du déplacement sur guides nitrure • Particules métalliques: • Prédiction du signe des forces de gradient • Validation expérimentale • Objets biologiques • Première démonstration Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  45. Perspectives Chromatographie optique? Vitesses: Environ 20 particules/s • Compréhension des phénomènes: • Etude quantitative des phénomènes • Etude des résonances plasmons ou « nanoshells » • Applications biologie: • Optimisation du déplacement des cellules • Manipulation de particules: • Sélectivité du mouvement avec la taille ou les matériaux constitutifs des particules • Microsystème fonctionnel pour le tri de particule Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  46. Remerciements DOPT: P. Chaton, S. Gidon, S. Lardenois, J. Hazart, Y. Desières, L. Frey, O. Lartigue, A. Lagrange, A.Rey, J.L. Rochas J. Petit, O. Lemonnier, C. Kopp, S. Poncet, B. Caminiti, S. Fournier, B. Mourey DSV: G. Colas, A. Fuchs, F. Chatelain DIHS: J.M. Fedeli, P. Labeye DTBS: Y. Fouillet, A. Glière, B. Rachet BPI: Y. Lagarde UTT: A. Bruyant, I. Stefanon, S.Blaize, G. Lerondel, P. Royer IMEP: A. Bouchard, P. Benech GEEO: V. Collomb DTS: P. Schiavone ….. Sans oublier André de l’atelier de mécanique ! Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  47. Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

  48. Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

More Related