Soutenance de thèse de TOUMI Yousra
Titre de thèse
Développement de substrats innovants à base de multicouches diélectriques pour améliorer la sensibilité et la résolution latérale en microscopie TIRF
Development of innovative thin film-based substrates for improvingTIRF microscopy sensitivity and lateral resolution
Résumé de la thèse
Cette thèse vise à améliorer les performances de la microscopie à fluorescence par réflexion totale interne (TIRF) en utilisant des multicouches diélectriques optiques conçues pour amplifier le champ évanescent. L'objectif est double: améliorer à la fois la sensibilité et la résolution latérale sans modifier le microscope ni les échantillons biologiques.
Deux approches complémentaires ont été développées. La première repose sur la conception, la fabrication et la caractérisation d'un empilement multicouche structuré, appelé SAM (Structured All-dielectric Multilayer). Cette structure génère une exaltation localisée du champ à l'interface tout en structurant spatialement l'intensité à cette même interface. Cette structuration mene à une amélioration de la résolution latérale de TIRF-M en se basant sur le concept de la microscopie à illumination structurée (SIM). Deux configurations ont été explorées : l'une avec des gaps micrométriques, l'autre avec des gaps sub-longueur d'onde. La fabrication s'appuie sur des techniques de dépôt physique de couches minces et des procédés de lithographie adaptés aux différentes échelles. Les performances ont été validées par des caractérisations optiques et topographiques, montrant une nette amélioration du signal fluorescent et de la résolution.
La seconde approche traite le bruit de fond, problématique majeure en imagerie TIRF. Pour comprendre l'origine de ce bruit de fond et dans une optique d'amélioration du rapport signal sur bruit, un modèle numérique par éléments finis a été développé pour étudier la diffusion lumineuse due à la rugosité du substrat. Ce modèle permet de prédire le diagramme de diffusion en fonction des propriétés optiques et topographiques du système, et peut être utilisé comme critère de sélection dans la conception de couches minces, en complément des critères optiques classiques.
En combinant les deux approches, cette thèse propose une nouvelle voie vers une microscopie TIRF plus performante, adaptée aux exigences de l'imagerie biologique à haute résolution et faible bruit.
Thesis resume
This thesis focuses on optimising optical coverslip for enhancing Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (TIRF-M) using dielectric thin-film multilayers. The primary goal is to improve both sensitivity and lateral resolution by designing and optimizing micro to nano-structured multilayer stacks. This innovative optical component provides biologists with a way to enhance TIRF microscopy performance without modifying either the optical setup or the biological sample.
The work combines two complementary approaches: the development of a Structured All-dielectric Multilayer (SAM), and the elaboration of a robust numerical model to analyze light scattering in planar all-dielectric multilayers (PAM). Together, these contributions improve lateral resolution and control background noise in enhanced TIRF imaging.
The SAM structure, inspired by resonant dielectric multilayers capable of amplifying the evanescent field at the surface, was also optimized to generate structured illumination patterns for surpassing the diffraction limit. Unlike metallic nanostructures, these dielectric stacks are biocompatible and can be designed for any wavelength, incident angle, and polarization, offering tunable resonance. Two SAM geometries were investigated, micro-gaps and subwavelength gaps, showing strong near-field enhancement and high spatial modulation, the latter being more effective though more complex to fabricate.
Fabrication was carried out using physical vapor deposition techniques, followed by either photolithography or electron-beam lithography depending on the gap size. Characterization with AFM, SEM, and optical measurements validated both the structural quality and the optical performance, including enhanced fluorescence and lateral resolution.
The second part of this thesis addresses background noise in fluorescence imaging. Following previous work on planar all-dielectric multilayers (PAM), we developed a numerical model based on the finite element method to quantify light scattering due to surface roughness. By considering optical and statistical parameters, the model predicts both the scattering intensity and its angular distribution. This tool can also be used as a valuable criterion for optimizing thin-film designs beyond classical fabrication constraints.
In summary, by combining both approaches, this thesis proposes a new path toward enhanced TIRF microscopy, tailored to the demands of high-resolution and low-noise biological imaging.