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Amélioration de la microscopie “Stimulated Raman Scattering” (SRS) et applications aux sciences de la terre.

Houle, Marie-Andrée (2017). Amélioration de la microscopie “Stimulated Raman Scattering” (SRS) et applications aux sciences de la terre. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 229 p.

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Résumé

Cette thèse porte sur le développement de techniques servant à l’amélioration de la sensibilité de détection de la microscopie “Stimulated Raman Scattering” (SRS) et l’utilisation de plusieurs types de microscopie optique non-linéaire pour l’imagerie d’échantillons géologiques et biologiques. L’amélioration de la sensibilité de détection de la microscopie SRS est étudiée de deux façons: par l’utilisation des filtres adaptés comme outil de détection du signal SRS et par la diminution du signal non-résonant présent lors de l’acquisition de spectres SRS en modulant la polarisation du faisceau Stokes. Les filtres adaptés montrent une efficacité légèrement plus élevée en utilisant des ondes carrées comme forme du filtre qu’avec l’utilisation d’un amplificateur à détection synchrone. Nous présentons ainsi une preuve de concept de l’utilisation des filtres adaptés en microscopie SRS mais les résultats montrent que leur utilisation n’est pas, à ce stade, adapté pour l’imagerie en temps réel. Également, nous faisons une preuve de concept d’une technique de microscopie SRS par modulation de la polarisation qui réduit le signal non-résonant causé par la modulation de phase croisée (XPM) en modulant la polarisation du faisceau Stokes plutôt que l’amplitude, comme c’est habituellement le cas. Nous démontrons que cette technique permet une diminution significative du signal de XPM lors de l’acquisition de spectres SRS de DMSO-d6 à de très basses concentrations. L’utilisation de la microscopie SRS par modulation de la polarisation dans un contexte d’imagerie est également démontrée. De plus, trois types de microscopie sont utilisés pour l’imagerie d’échantillons dans cette thèse: la microscopie SRS, la microscopie à génération de seconde harmonique (SHG) et la microscopie à fluorescence à deux photons (TPF). Les techniques de microscopie SRS, SHG et TPF sont utilisées pour l’imagerie d’échantillons géologiques d’intérêt incluant de la matière organique contenue dans des échantillons géologiques. Contrairement à la microscopie Raman conventionnelle, nous démontrons que la microscopie SRS peut être utilisée pour faire l’imagerie rapide d’échantillons géologiques à une fréquence Raman spécifique, pour l’acquisition de volumes 3D et lorsque l’échantillon génère de la fluorescence. De larges spectres SRS couvrant plusieurs centaines de cm−1 furent acquis dans la matière organique contenue dans les échantillons géologiques dans la région CH et la région de “fingerprints” (environ 800 à 1700 cm⁻¹). Ceci est, à notre connaissance, la première utilisation de la microscopie SRS pour l’imagerie d’échantillons géologiques. Également, la microscopie SHG est utilisée pour l’imagerie d’échantillons de collagène provenant d’os et de cartilage. Une comparaison de l’organisation des fibrilles du collagène de type I et de type II est faite et la taille des fibrilles de collagène a pu être estimée en fonction du ratio forward/backward du signal SHG.

Abstract

This thesis focuses on the enhancement of detection sensitivity in Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy and the application of multi-modal nonlinear optical microscopy techniques to the imaging of geological and biological samples. The enhancement of detection sensitivity in SRS microscopy is studied in two ways: by using a matched filters approach to optimize the signal-to-noise ratio in SRS microscopy and by reducing the nonresonant background signal in SRS microscopy by modulating the polarisation of the Stokes beam. Using matched filters, we show a slight improvement of the detection sensitivity when square waves are used as the coded excitation for a matched filter, compared to using a lock-in amplifier. We show a proof of concept of the application of matched filters in SRS microscopy but the unoptimized electronics used here are not suitable for real time imaging. Furthermore, we present a proof of concept of a polarization-modulated SRS microscopy technique that decreases the nonresonant background signal caused by crossphase modulation (XPM) by modulating the polarization of the Stokes beam as opposed to the more conventional amplitude modulation. We show a significant decrease of the XPM signal when SRS spectra of DMSO-d6 at low concentration are acquired and demonstrate the application of polarization-modulated SRS microscopy in an imaging context. Fot the application to the imaging of real samples, three nonlinear optical microscopy techniques are used in this thesis: SRS microscopy, Second Harmonic Generation (SHG) microscopy and Two Photon Fluorescence (TPF) microscopy. The SRS, SHG and TPF microscopy techniques are used to image geological samples of interest, including organic matter contained in these samples. In an improvement over conventional Raman microscopy, we show that SRS microscopy can be used to rapidly image geological samples at a specific Raman frequency, to acquire 3D volumes of the samples, and, importantly, still applies even when the sample generate significant fluorescence. Large SRS spectra spanning hundreds of cm⁻¹ in the CH and fingerprint regions were acquired from organic matter contained in geological samples. This is, to our knowledge, the first application of SRS microscopy to geological samples. Finally, SHG microscopy is used to image collagen samples from bones and cartilage. A comparison of the fibril organization of type I and type II collagen is done and the fibril diameter is estimated as a function of the forward/backward ratio of the SHG signal.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Légaré, François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Stolow, Albert
Mots-clés libres: microscopie “Stimulated Raman Scattering”; microscopie à génération de seconde harmonique; microscopie par fluorescence à deux photons; microscopie optique nonlinéaire; biophotonique; collagène; géologie; filtre adapté; spectroscopie Raman
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 24 avr. 2017 20:08
Dernière modification: 24 avr. 2017 20:08
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5111

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