CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Contrôle de la fluorescence d’une molécule unique par une nano-antenne optique
Control of a single molecule fluorescence by an optical nano-antenna

Spécialité

Optique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/08/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VASSANT Simon
+33 1 69 08 95 97

Résumé/Summary
L'objectif du stage est de mesurer l'influence d'une nano-antenne sur la fluorescence d'une molécule unique. L’expérience consiste à approcher la nano-antenne de manière contrôlée à l’aide d’un microscope à force atomique, tout en mesurant l’émission de photons de fluorescence. L'étudiant.e effectuera donc un travail principalement expérimental, sur un banc expérimental dédié, allant de la fabrication des pointes aux mesures optiques et à l'analyse des données.
The objective of the internship is to measure the influence of a nano-antenna on the fluorescence of a single molecule. The experiment consists in approaching the nano-antenna in a controlled way with an atomic force microscope, while measuring the emission of fluorescence photons. The student will perform a mainly experimental work, on a dedicated experimental bench, from the fabrication of the tips to the optical measurements and the data analysis.
Sujet détaillé/Full description
L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du CEA/SPEC/LEPO. Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide, permettant des mesures en optique linéaire et non-linéaire de nano-objets, et le développement de nouvelles méthodes de microscopies optiques à sonde active … Dans le cadre du projet ANR PlasmonISC (2020-2024), nous nous intéressons aux propriétés d’émission de fluorescence de molécules uniques en présence d’une nano-antenne.

L’objectif de ce projet est d’obtenir des mesures quantitatives des propriétés photophysiques d’une même molécule unique (temps de vie, taux d’excitation, taux de croisement inter-système…), en présence et en l’absence de la nano-antenne. Ces mesures expérimentales quantitatives serviront de base pour la compréhension théorique de l’interaction molécule-antenne.
Le laboratoire possède un banc de mesure optique, dédié à ce projet qui permet une large variété de mesures optiques (fluorescence, Raman, diffusion, comptage de photons, mesure de fonction de corrélation (Hanbury-Brown-Twiss), diagramme d’émission...).

Nous travaillons sur un système moléculaire simple à préparer, où les molécules fluorescentes sont insérées dans une matrice organique de faible épaisseur (20-30 nm). Pour amener l’antenne à proximité de la molécule, nous avons opté pour la microscopie à force atomique, qui permet un positionnement nanométrique de l’antenne par rapport à la molécule. Nous finalisons actuellement une campagne de mesure en utilisant comme antenne une fibre optique étirée. Cette pointe en verre nous a permis d’observer de large effets sur la fluorescence.

Dans le cadre du stage, l’étudiant.e devra mener un travail principalement expérimental, qui consiste à étudier l’influence d’autres types d’antennes (plasmoniques, magnétiques, diélectriques). Le travail portera sur la fabrication des pointes (le laboratoire dispose pour cela d’une salle blanche, permettant des techniques avancées de nano-fabrication), la préparation des échantillons et les caractérisations optiques de molécules uniques avec et sans antenne. Elle/Il participera activement au dépouillement et à l’analyse des résultats.

Ce stage sera l’opportunité pour apprendre des techniques avancées de microscopie optique, des concepts de nanophotonique à l’interface avec la mécanique quantique, des techniques de microscopie à force atomique, ainsi que des compétences de nano-fabrication en salle blanche.

La poursuite en thèse est possible sous réserve d’un financement (CEA, école doctorale, …).
The host team is the Nanophotonics group of CEA/SPEC/LEPO. For the needs of its research, the group has developed an important expertise in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team has several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum, allowing linear and non-linear optical measurements of nano-objects, and the development of new methods of optical microscopy with active probes... In the framework of the ANR PlasmonISC project (2020-2024), we are interested in the fluorescence emission properties of single molecules in the presence of a nano-antenna.

The objective of this project is to obtain quantitative measurements of the photophysical properties of a single molecule (lifetime, excitation rate, inter-system crossing rate...), in the presence and absence of a nano-antenna. These quantitative experimental measurements will serve as a basis for the theoretical understanding of the molecule-antenna interaction.
The laboratory has an optical measurement bench, dedicated to this project, which allows a wide variety of optical measurements (fluorescence, Raman, scattering, photon counting, correlation function measurement (Hanbury-Brown-Twiss), emission diagram...).

We are working on a molecular system that is simple to prepare, where we insert fluorescent molecules in a thin organic matrix (20-30 nm). To bring the antenna close to the molecule, we opted for atomic force microscopy, which allows a nanometric positioning of the antenna with respect to the molecule. We are currently finalizing a measurement campaign using a pulled optical fiber as an antenna. This glass tip allowed us to observe large effects on fluorescence.

In the framework of the internship, the student will have to carry out a mainly experimental work, which consists in studying the influence of other types of antennas (plasmonic, magnetic, dielectric). The work will focus on the fabrication of the tips (the laboratory has a clean room for this purpose, allowing advanced nano-fabrication techniques), the preparation of samples and optical characterizations of single molecules, with and without antenna. She/he will actively participate in the analysis of the results.

This internship will be an opportunity to learn advanced optical microscopy techniques, nanophotonics concepts at the interface with quantum mechanics, atomic force microscopy techniques, as well as clean room nano-fabrication skills.

A follow-up PhD is possible, under reserve of a financing (CEA, doctoral school, ...).
Mots clés/Keywords
Microscopie à force atomique, photon unique, fluorescence, spectroscopie, nanophotonique
Atomic force microscopy, single photon, fluorescence, spectroscopy, nanophotonics
Compétences/Skills
Microscopie optique Spectroscopie Microscopie à force atomique Fonctionnalisation chimique Nanofabrication Salle blanche Microscopie électronique
Optical microscopy Spectroscopy Atomic force microscopy Chemical functionalization Nanofabrication Clean room Electron microscopy
Logiciels
Python
Propriétés optiques de particules diélectriques et hybrides en vue de la mise en œuvre de nanomarqueurs pour l’imagerie en biologie
Optical properties of dielectric and hybrid particles for the implementation of nanolabels for bioimaging

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/03/2023

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FIORINI Celine
+33 1 69 08 62 38/19 76

Résumé/Summary
L’objectif du stage consistera à analyser les propriétés optiques (fluorescence et conversion de fréquence, notamment génération de 2nd harmonique – SHG) de particules diélectriques nanométriques en vue de leur implémentation future pour le marquage et l’imagerie en milieu biologique. Le stage comportera 2 volets : (1) l’étude de l’exaltation du signal SHG de ces particules suite à leur couplage à une nanoantenne plasmonique. (2) la possibilité de contrôler les propriétés d’émission de ces particules par effet piézoélectrique.
The aim of the internship will be to analyse the optical properties (fluorescence and frequency conversion, in particular 2nd harmonic generation - SHG) of nanometric dielectric particles in view of their future implementation for labelling and imaging in biology. The internship will include two parts: (1) the study of the SHG signal enhancement of these particles following their coupling to a plasmonic nano-antenna. (2) the possibility of controlling the emission properties of these particles by piezoelectric effect.
Sujet détaillé/Full description
Suite à de premiers travaux menés dans le cadre d’une collaboration entre notre laboratoire et 2 autres laboratoires du plateau de Saclay (ENS Paris-Saclay/ LUMIN et CentraleSupelec/ SPMS), nous avons pu mettre en évidence l’intérêt de nanoparticules diélectriques de BaTiO3 éventuellement dopées pour l’imagerie optique en milieu biologique. Plus particulièrement, les propriétés à la fois de luminescence et de conversion de fréquence (génération de second harmonique - SHG) de ces particules en font des marqueurs prometteurs en vue d’applications à plus long terme pour le suivi du transport intracellulaire au sein de réseaux neuronaux, ou la mesure du potentiel électrique transitoire extracellulaire de neurones.

L’objectif du stage consistera à analyser les propriétés optiques de particules de BaTiO3 de taille réduite (< 100 nm) en utilisant un banc de caractérisation couplant un microscope à force atomique ((AFM) à un microscope optique associé à diverses excitations laser. Le stage comportera 2 volets :

Dans une première partie, il s’agira de démontrer la possibilité d’exalter le signal SHG de ces particules suite à leur couplage à des nanoantennes plasmoniques. Nous avons notamment à notre disposition des nanoparticules recouvertes d’une couronne d’or, pour lesquelles de premières simulations laissent envisager des exaltations intéressantes.
La seconde partie du stage consistera à étudier la possibilité de moduler la réponse des particules (conversion de fréquence ou luminescence dans le cas de particules dopées par des terres rares) via une déformation du cristal obtenue par effet piézoélectrique inverse

L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du SPEC/LEPO. Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide : optique et optique non-linéaire de nano-objets, nouvelles méthodes de microscopies optiques à sonde active …

Le rôle du stagiaire ira de la préparation des échantillons, à la caractérisation de leurs propriétés optiques (analyses spectrales et résolues en polarisation). Il participera également à l’interprétation des résultats obtenus.
Following initial work carried out in the framework of a collaboration between our laboratory and two other laboratories on the Saclay plateau (ENS Paris-Saclay/ LUMIN and CentraleSupelec/ SPMS), we have been able to demonstrate the interest of (possibly doped) BaTiO3 dielectric nanoparticles for optical imaging in biological environments. More particularly, the luminescence and frequency conversion properties (second harmonic generation - SHG) of these particles make them promising markers for long term applications in the monitoring of intracellular transport in neural networks, or the measurement of extracellular transient electric potential in neurons.

The objective of the internship will be to analyse the optical properties of small BaTiO3 particles (< 100 nm) using a characterisation bench coupling an atomic force microscope (AFM) to an optical microscope associated with various laser excitations. The internship will consist of two parts:

In a first part, we will demonstrate the possibility of enhancing the SHG signal of these particles following their coupling to plasmonic nanoantennas. In particular, we have at our disposal nanoparticles covered with gold, for which first simulations suggest interesting enhancement effects.
The second part of the internship will consist in studying the possibility of modulating the particle response (frequency conversion or luminescence in the case of rare-earth doped particles) following a deformation of the crystal obtained by inverse piezoelectric effect.

The host team is the Nanophotonics group of SPEC/LEPO. For the needs of its research, the group has developed an important know-how in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team has several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum: optics and nonlinear optics of nano-objects, new methods of optical microscopy with active probe ...

The role of the student will range from sample preparation, to the characterization of their frequency conversion properties (spectral and polarization-resolved analyses). He will also participate in the interpretation of the results that will be obtained.
Mots clés/Keywords
Nanosciences, nanotechnologies, photonique, microscopies à sondes locales
Nanosciences, nanotechnologies, photonics, local probe microscopy
Compétences/Skills
Mesures optiques, microscopies à sondes locales
Optical measurements, local probe microscopies

 

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