FR3146214A1 - Optical slide for total internal reflection microscopy, total internal reflection microscopy device comprising such a slide and method of manufacturing such a slide - Google Patents
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Abstract
Lame optique (LO) destinée à recevoir un échantillon biologique (E) dans un dispositif de microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, la lame optique comprenant : une couche dite substrat (SB) transparente dans une région spectrale prédéterminée un empilement dit optimisé disposé au dessus du substrat (SB) et comprenant un nombre de couches minces diélectriques successives et alternées d’un premier matériau diélectrique et d’un deuxième matériau diélectrique, chacune des couches présentant une épaisseur dite optimisée respective, les épaisseurs optimisées et le nombre de couches minces diélectriques étant adaptés de manière à ce que ladite lame optique présente au moins :une première absorption résonnante à une longueur d’onde dite d’illumination et à un premier angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, et une deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination et à un deuxième angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, avec et ou . Fig. 3 Optical slide (LO) intended to receive a biological sample (E) in a total internal reflection fluorescence microscopy device, the optical slide comprising: a so-called substrate layer (SB) transparent in a predetermined spectral region a so-called optimized stack arranged above the substrate (SB) and comprising a number of successive and alternating dielectric thin layers of a first dielectric material and a second dielectric material, each of the layers having a respective so-called optimized thickness, the optimized thicknesses and the number of dielectric thin layers being adapted so that said optical slide has at least: a first resonant absorption at a so-called illumination wavelength and at a first angle of incidence in total internal reflection regime, and a second resonant absorption at the illumination wavelength and at a second angle of incidence in total internal reflection regime, with and or . Fig. 3
Description
L’invention s’inscrit dans le domaine de la microscopie optique. Plus particulièrement, l’invention concerne un nouveau concept de lame optique basée sur un empilement multicouche comme support d’exaltation du champ électromagnétique adapté à la microscopie à réflexion totale interne.The invention relates to the field of optical microscopy. More particularly, the invention relates to a new concept of optical slide based on a multilayer stack as a support for enhancing the electromagnetic field suitable for total internal reflection microscopy.
L’invention s’applique notamment, mais non exclusivement, au domaine de l’imagerie d’échantillons biologiques par microscopie de fluorescence à réflexion totale interne ou microscopie TIRF (pour« Total Internal Reflection Fluorescence »). Une telle technique d’imagerie est particulièrement bien adaptée à la visualisation, l’analyse et la quantification d’évènements moléculaires s’effectuant notamment à la membrane plasmique des cellules biologiques.The invention applies in particular, but not exclusively, to the field of imaging of biological samples by total internal reflection fluorescence microscopy or TIRF microscopy (for "Total Internal Reflection Fluorescence" ). Such an imaging technique is particularly well suited to the visualization, analysis and quantification of molecular events occurring in particular at the plasma membrane of biological cells.
La microscopie de fluorescence à onde évanescente est une technique de microscopie de fluorescence dans laquelle l’excitation des molécules fluorescentes contenues dans l’échantillon observé est confinée à une région d’épaisseur nanométrique, située à proximité immédiate de la lamelle porte-échantillon. Elle permet, en particulier, d’observer de manière sélective des structures et processus localisés sur une membrane cellulaire, avec une résolution spatiale dans une direction axiale bien meilleure que la limite de diffraction. En outre, par rapport aux techniques d’épi-fluorescence plus conventionnelles, elle permet d’obtenir un meilleur contraste de l’image de fluorescence et de réduire les effets de photo-blanchiment et des dégâts d’irradiation des cellules.Evanescent wave fluorescence microscopy is a fluorescence microscopy technique in which the excitation of fluorescent molecules contained in the observed sample is confined to a nanometer-thick region, located in the immediate vicinity of the sample slide. In particular, it allows selective observation of structures and processes located on a cell membrane, with a spatial resolution in an axial direction much better than the diffraction limit. In addition, compared to more conventional epifluorescence techniques, it allows for better contrast of the fluorescence image and reduces photobleaching effects and irradiation damage to cells.
Le principe à la base de la microscopie de fluorescence à onde évanescente est illustré sur la figure 1A. On considère le cas d’un substrat SB d’indice de réfraction n2, présentant une surface Se en contact avec un milieu ambiant MA d’indice n1<n2. Par exemple, le substrat SB peut être constitué par une lamelle porte-échantillon, ou par un élément en verre sur lequel est posée une telle lamelle, tandis que le milieu ambiant MA peut être une solution aqueuse contenant, en suspension, des cellules marquées par des fluorophores. Un faisceau lumineux FLI, provenant du substrat SB, est incident sur la surface Se ; sa direction de propagation forme avec la normalez s à la surface un angle θ supérieur à une valeur critique θc(angle limite)
Par conséquent le faisceau FLI subit une réflexion totale interne (RTI) formant un faisceau réfléchi FLR et produisant une onde évanescente OE dans le milieu ambiant MA. Cette onde évanescente présente une intensité qui décroit exponentiellement avec la distance z de la surface S :
La
Ainsi, par cette technique connue, les images obtenues présentent de multiples qualités : elles bénéficient tout d’abord d’un faible bruit de fond (car les fluorophores situés dans les couches profondes de l’échantillon (hors du champ évanescent) ne sont que très faiblement excités) et d’une résolution axiale relativement élevée.Thus, using this known technique, the images obtained have multiple qualities: first of all, they benefit from low background noise (because the fluorophores located in the deep layers of the sample (outside the evanescent field) are only very weakly excited) and from a relatively high axial resolution.
Des lames de microscope à structure complexe, comme celles basées sur une métallisation en surface ont été par ailleurs conçues pour exalter localement le champ électromagnétique évanescent. De telles lames optiques, qui reposent sur le principe de la résonance de plasmon de surface, permettent d’améliorer la sensibilité de l’imagerie de microscopie. Toutefois, cette solution connue reste limitée en termes de valeur d’exaltation du champ et dans le choix des matériaux, i.e. métaux nobles, qui limitent les conditions d’illumination utilisables ainsi que la biocompatibilité, ce qui n’est pas optimal.Microscope slides with complex structures, such as those based on surface metallization, have also been designed to locally enhance the evanescent electromagnetic field. Such optical slides, which are based on the principle of surface plasmon resonance, can improve the sensitivity of microscopy imaging. However, this known solution remains limited in terms of field enhancement value and in the choice of materials, i.e. noble metals, which limit the usable illumination conditions as well as biocompatibility, which is not optimal.
Une autre technique connue, décrite dans le document de brevet US 2016/0238830, repose sur un guide d’onde multicouches dont les épaisseurs de couche et les indices de réfraction sont choisis pour supporter un mode de fuite guidé. Or les expériences d’imagerie de microscopie effectuées avec cette technique demeurent encore limitées du point de vue sensibilité et résolution notamment.Another known technique, described in patent document US 2016/0238830, is based on a multilayer waveguide whose layer thicknesses and refractive indices are chosen to support a guided leakage mode. However, microscopy imaging experiments carried out with this technique remain limited in terms of sensitivity and resolution in particular.
En outre, il est connu de la demande FR2108879 de réaliser des lamelles de microscopie recouvertes d’empilements de couches nanométriques de matériaux diélectriques conçus pour exalter le champ électromagnétique évanescent à l’interface entre la lamelle et les objets biologiques déposés dessus. Ce type de structure permet d’améliorer la sensibilité des microscopes en réflexion totale interne qui utilisent un objectif du microscope pour atteindre l’angle critique de réflexion totale comme illustré dans la
L’utilisation de ces empilements diélectriques permet de générer cette exaltation à toutes les longueurs d’ondes du spectre visible/proche infrarouge et à tous les angles d’illumination au-delà de l’angle critique de RTI. Cependant cette méthode est optimisée pour des illuminations avec des ondes planes, ce qui n’est pas le cas dans un microscope éclairant l’objet au travers de l’objectif.The use of these dielectric stacks allows to generate this enhancement at all wavelengths of the visible/near infrared spectrum and at all illumination angles beyond the critical angle of RTI. However, this method is optimized for illuminations with plane waves, which is not the case in a microscope illuminating the object through the objective.
En effet, une des limitations principales des structures résonantes en RTI est leur faible tolérance angulaire, celle-ci étant d’autant plus faible que la structure est résonante. Or, contrairement aux applications capteur qui recherchent une exaltation du champ évanescent la plus intense et la plus fine spectralement et angulairement, en microscopie, la résonance voulue est associée à une exaltation plus faible (de la dizaine à quelques centaines) avec une tolérance angulaire au moins de l’ordre de grandeur de la divergence de l’illumination par l’objectif du microscope.Indeed, one of the main limitations of resonant structures in RTI is their low angular tolerance, which is all the lower as the structure is resonant. However, unlike sensor applications which seek the most intense and finest spectral and angular enhancement of the evanescent field, in microscopy, the desired resonance is associated with a lower enhancement (from ten to a few hundred) with an angular tolerance at least of the order of magnitude of the divergence of the illumination by the microscope objective.
En conséquence, il existe un besoin pour une lame optique destinée à un microscope en réflexion totale interne permettant d’exalter le champ évanescent à l’interface entre la lamelle et les objets biologiques déposés dessus avec une tolérance angulaire accrue par rapport aux lames de l’art antérieur.Accordingly, there is a need for an optical slide intended for a total internal reflection microscope allowing the evanescent field to be enhanced at the interface between the slide and the biological objects deposited on it with an increased angular tolerance compared to the slides of the prior art.
A cet effet, un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une lame optique destinée a recevoir un échantillon biologique dans un dispositif de microscopie par réflexion totale interne, ledit procédé comprenant une étape de conception de ladite lame optique et une étape de fabrication matérielle de ladite lame optique ainsi conçue, ledit procédé étant caractérisé en ce que la phase de conception comprend les étapes suivantes :
- la sélection d’un premier matériau diélectrique présentant un indice de réfraction
et d’un deuxième matériau diélectrique présentant un indice de réfraction tel que - la sélection d’une longueur d’onde dite d’illumination
et d’un angle d’incidence dit optimal en fonction dudit dispositif de microscopie par réflexion totale interne auquel ladite lame optique est destinée - la conception d’une première structure comprenant un premier empilement de couches minces diélectriques disposé au dessus d’une couche dite substrat (SB) transparente dans une région spectrale prédéterminée comprenant ladite longueur d’onde d’illumination
ledit premier empilement comprenant de couches minces successives et alternées du premier matériau diélectrique et du deuxième matériau diélectrique, une première épaisseur respective de chaque couche mince diélectrique et ledit nombre de couches minces diélectriques étant adaptés de manière à ce que la première structure présente une absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination et à l’angle d’incidence optimal en régime de réflexion totale interne - la détermination d’une première fonction
représentative d’une valeur d’une transmission de la première structure dans la région spectrale prédéterminée en fonction d’un nombre de couches minces diélectriques et d’une épaisseur de chaque couche mince diélectrique, et la détermination d’une deuxième fonction représentative d’une intensité d’un champ électrique évanescent généré par la lame optique en régime de réflexion totale interne à la longueur d’onde d’illumination et à l’angle d’incidence optimal en fonction d’un nombre de couches minces diélectriques et de ladite première épaisseur de chaque couche mince diélectrique - la conception de ladite lame optique qui comprend un deuxième empilement de couches minces diélectriques dit empilement optimisé disposé au dessus du substrat (SB), l’empilement optimisé comprenant un nombre
de couches minces diélectriques successives et alternées du premier matériau diélectrique et du deuxième matériau diélectrique, chacune des couches présentant une épaisseur dite optimisée respective, les épaisseurs optimisées et le nombre de couches minces diélectriques étant déterminés par une optimisation d’une fonction de mérite basée sur la première fonction et la deuxième fonction de manière à ce que ladite lame optique présente une première absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination et à un premier angle d’incidence en régime de réflexion totale interne et présente une deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination et à un deuxième angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, avec et ou .
- the selection of a first dielectric material having a refractive index
and a second dielectric material having a refractive index such as - the selection of a so-called illumination wavelength
and a so-called optimal angle of incidence depending on said total internal reflection microscopy device for which said optical slide is intended - the design of a first structure comprising a first stack of thin dielectric layers arranged above a so-called substrate (SB) layer transparent in a predetermined spectral region comprising said illumination wavelength
said first stack comprising of successive and alternating thin layers of the first dielectric material and the second dielectric material, a first respective thickness of each dielectric thin layer and said number of thin dielectric layers being adapted so that the first structure exhibits resonant absorption at the illumination wavelength and at the optimum angle of incidence in total internal reflection mode - the determination of a first function
representative of a value of a transmission of the first structure in the predetermined spectral region as a function of a number of dielectric thin layers and a thickness of each dielectric thin layer, and determining a second function representative of an intensity of an evanescent electric field generated by the optical blade in the total internal reflection regime at the illumination wavelength and at the optimum angle of incidence depending on a number of dielectric thin layers and said first thickness of each dielectric thin layer - the design of said optical blade which comprises a second stack of thin dielectric layers called optimized stack arranged above the substrate (SB), the optimized stack comprising a number
of successive and alternating thin dielectric layers of the first dielectric material and the second dielectric material, each of the layers having a respective so-called optimized thickness, the optimized thicknesses and the number of thin dielectric layers being determined by an optimization of a merit function based on the first function and the second function such that said optical blade exhibits a first resonant absorption at the illumination wavelength and at a first angle of incidence in the total internal reflection regime and exhibits a second resonant absorption at the illumination wavelength and at a second angle of incidence in total internal reflection mode, with And Or .
De manière préférentielle, la fonction de mérite
De manière préférentielle,
De manière préférentielle, l’optimisation est telle que
Selon un mode de réalisation, l’optimisation consiste à trouver les épaisseurs optimisées et le nombre
Selon un mode de réalisation, dans le premier empilement, une couche supérieure du premier empilement est dans le deuxième matériau diélectrique et présente une première épaisseur comprise entre
Selon un mode de réalisation, la première fonction F1 est représentative d’une transmission d’un rayonnement de fluorescence induit indirectement par une absorption de ladite longueur d’onde d’illumination
Un autre objet de l’invention est une lame optique destinée a recevoir un échantillon biologique dans un dispositif de microscopie par réflexion totale interne, la lame optique comprenant :
- une couche dite substrat transparente dans une région spectrale prédéterminée
- un empilement dit optimisé disposé au dessus du substrat et comprenant un nombre
de couches minces diélectriques successives et alternées d’un premier matériau diélectrique et d’un deuxième matériau diélectrique, chacune des couches présentant une épaisseur dite optimisée respective, les épaisseurs optimisées et le nombre de couches minces diélectriques étant adaptés de manière à ce que ladite lame optique présente au moins :
- une première absorption résonnante à une longueur d’onde dite d’illumination
et à un premier angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, et - une deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et à un deuxième angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, avec .
- a so-called substrate layer transparent in a predetermined spectral region
- a so-called optimized stack placed above the substrate and comprising a number
of successive and alternating thin dielectric layers of a first dielectric material and a second dielectric material, each of the layers having a respective so-called optimized thickness, the optimized thicknesses and the number of thin dielectric layers being adapted so that said optical blade has at least:
- a first resonant absorption at a so-called illumination wavelength
and at a first angle of incidence in total internal reflection mode, and - a second resonant absorption at the illumination wavelength
and at a second angle of incidence in total internal reflection mode, with .
Selon un mode de réalisation :
- le premier matériau diélectrique présente un indice de réfraction
compris entre 1,8 et 3,5 ; - le deuxième matériau diélectrique présente un indice de réfraction
compris entre 1,2 et 1,7.
- the first dielectric material has a refractive index
between 1.8 and 3.5; - the second dielectric material has a refractive index
between 1.2 and 1.7.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau est à base de Nb2O5, le deuxième matériau est à base de SiO2.According to one embodiment, the first material is based on Nb 2 O 5 , the second material is based on SiO 2 .
Selon un mode de réalisation, le nombre
Selon un mode de réalisation, les épaisseurs optimisées et le nombre
Selon un mode de réalisation, les épaisseurs optimisées sont supérieures ou égales à 10 nm.According to one embodiment, the optimized thicknesses are greater than or equal to 10 nm.
Un autre objet de l’invention est un dispositif de microscopie par réflexion totale interne comprenant :
- une lame optique selon l’invention
- une source de lumière adaptée pour émettre un faisceau lumineux présentant la longueur d’onde d’illumination
- un dispositif optique adapté pour mettre en forme le faisceau lumineux de manière à ce qu’il illumine ladite lame optique avec ledit angle d’incidence optimisé
- un détecteur adapté pour détecter un rayonnement de fluorescence émis lorsqu’un échantillon est déposé en correspondance d’une région d’une surface de ladite lame optique où sont produites des ondes évanescentes par une réflexion totale interne dans ladite lame optique du faisceau lumineux mis en forme, ledit rayonnement de fluorescence étant excité par lesdites ondes évanescentes.
- an optical blade according to the invention
- a light source adapted to emit a light beam having the illumination wavelength
- an optical device adapted to shape the light beam so that it illuminates said optical blade with said optimized angle of incidence
- a detector adapted to detect fluorescence radiation emitted when a sample is deposited in correspondence with a region of a surface of said optical plate where evanescent waves are produced by total internal reflection in said optical plate of the shaped light beam, said fluorescence radiation being excited by said evanescent waves.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge from reading the description given with reference to the appended drawings given by way of example and which represent, respectively:
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle et les références identiques désignent des éléments identiques ou des étapes identiques.In the figures, unless otherwise indicated, elements are not to scale and identical references designate identical elements or identical steps.
La
On s’attache tout d’abord à décrire le fonctionnement du dispositif D avant de détailler la structure de la lame optique LO. Enfin, on décrira un procédé de fabrication selon l’invention permettant d’obtenir la lame optique LO.We will first describe the operation of the device D before detailing the structure of the optical blade LO. Finally, we will describe a manufacturing method according to the invention for obtaining the optical blade LO.
La lame optique LO est une lame, préférentiellement biocompatible, destinée a recevoir un échantillon biologique E à des fins d’imagerie de microscopie selon une configuration en RTI. Un exemple de structure de lame optique conforme à l’invention est décrit plus loin en relation avec la figure 3 qui illustre schématiquement une coupe selon le plan
La source de lumière SL est adaptée pour émettre un faisceau lumineux Linprésentant une longueur d’onde dite d’illumination
Le dispositif optique Obj est adapté pour mettre en forme le faisceau lumineux Linde manière à ce qu’il illumine la lame optique avec un angle d’incidence dit optimisé
De manière préférentielle, comme illustré dans la figure 2, le dispositif optique Obj est un objectif de microscope. L’objectif de microscope peut être à focale variable et à ouverture numérique variable (supérieure à 1,45). Il comprend une optique ou un assemblage plus ou moins complexe de lentilles optiques apte à permettre la formation du faisceau lumineux Linen le focalisant en direction de la lame optique. Il est en outre apte à collecter le faisceau réfléchi et/ou rétrodiffusé issu de la lame optique dans un cône angulaire de 0 à un angle maximum donné par l’ouverture numérique de l’objectif.. L’objectif est généralement du type à immersion dans l’huile et peut présenter une ouverture numérique (O.N.) importante, par exemple de l’ordre de 1,45, ce qui permet d’obtenir une résolution spatiale latérale (perpendiculairement à la direction z) élevée car la résolution spatiale latérale
Alternativement, le dispositif optique Obj comprend un ou plusieurs lentilles et/ou miroirs pour focaliser le faisceau lumineux Linet éventuellement un prisme ou une métasurface pour que le faisceau lumineux Linillumine la lame optique avec l’angle d’incidence optimisé
Cet angle d’incidence optimisé
Le rayonnement de fluorescence FL émis est alors collecté par l’objectif Obj puis est dirigé, vers le détecteur Det afin d’être détecté. Ce détecteur Det est typiquement une caméra CCD ou CMOS dont la bande spectrale est adaptée à la détection du rayonnement de fluorescence FL réémis en provenance de l’échantillon E. Il convertit l’intensité lumineuse reçue en un signal électrique à destination d’une unité de traitement (non représentée sur les figures). L’unité de traitement est raccordée électriquement à la source de lumière SL, au détecteur Det et à l’objectif de microscope Obj de manière à pouvoir piloter ces éléments à des fins d’acquisition d’images de l’échantillon E en régime de RTI.The emitted fluorescence radiation FL is then collected by the objective Obj and is directed towards the detector Det in order to be detected. This detector Det is typically a CCD or CMOS camera whose spectral band is adapted to the detection of the fluorescence radiation FL re-emitted from the sample E. It converts the light intensity received into an electrical signal intended for a processing unit (not shown in the figures). The processing unit is electrically connected to the light source SL, the detector Det and the microscope objective Obj so as to be able to control these elements for the purpose of acquiring images of the sample E in RTI mode.
A titre d’exemple non limitatif, le dispositif D illustré dans la figure 2 repose sur le principe d’épifluorescence dont l’observation de la fluorescence est effectuée dans une configuration par réflexion au moyen d’une lame ou d’un miroir dichroïque 50 par exemple. Cette configuration particulière permet de dissocier le chemin optique emprunté par la lumière d’excitation
De manière préférentielle, l’angle d’incidence optimisé
On s’attache à décrire ci-après avec plus de détails la structure de la lame optique selon l’invention, telle que représentée dans la
La lame optique LO possède la première face SE, et une deuxième face SI, opposée à la première, et définit un axe d’empilement s’étendant entre ces deux faces opposées selon la direction
Selon le mode de réalisation illustré dans la figure 2, la lame optique LO et l’objectif de microscope Obj sont agencés de sorte que l’axe d’empilement de la lame soit confondu avec l’axe optique OA de l’objectif. Autrement dit, la lame optique LO et l’objectif de microscope Obj sont orientés l’un par rapport à l’autre de manière à ce que l’interface optique formée entre la lame optique LO et l’échantillon E soit perpendiculaire à l’axe optique OA, selon la direction
Selon l’invention, la lame optique LO comprend un substrat SB transparent optiquement dans une région spectrale qui comprend la longueur d’onde d’illumination
En outre, la lame optique LO comprend un empilement de couches diélectriques (appelé empilement optimisé EO ci-après) disposé directement au dessus du substrat SB. Cet empilement optimisé EO est particulièrement adapté pour permettre une exaltation du champ électrique évanescent OE produit à la surface SE dans une configuration de RTI du faisceau
Comme illustré sur la figure 3, cet empilement EO est formé d’une succession de
La couche mince destinée a être contact avec l’échantillon E (appelée couche supérieure) est réalisée dans l’un des deux matériaux diélectriques. De préférence, cette couche est réalisée dans un matériau diélectrique biocompatible, par exemple en SiO2, TiO2, Nb2O5… . La face supérieure de cette couche supérieure correspond à la face SE précédemment introduite. Quant à la face SI illuminée par le faisceau
Dans la lame optique LO de l’invention, chacune des couches diélectriques présente une épaisseur dite optimisée respective choisie notamment en fonction de la longueur d’onde d’illumination
- une première absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et à un premier angle d’incidence en RTI, et - une deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et à un deuxième angle d’incidence en RTI.
- a first resonant absorption at the illumination wavelength
and at a first angle of incidence in RTI, and - a second resonant absorption at the illumination wavelength
and at a second angle of incidence in RTI.
Les angles d’incidence
Il est entendu que la lame optique LO de l’invention peut comprendre plus de deux résonances tant que les conditions précitées restent vérifiées.It is understood that the optical blade LO of the invention can comprise more than two resonances as long as the aforementioned conditions remain verified.
L’empilement EO de multicouches diélectriques couplé au substrat SB permet d’assurer une exaltation significative du champ électromagnétique évanescent OE à l’interface entre la lame optique et l’échantillon avec une tolérance angulaire très supérieure aux lames optiques de l’art antérieur. Cette exaltation permet d’accroitre l’intensité du rayonnement de fluorescence FL, ce qui améliore la sensibilité de l’imagerie microscopique ainsi que la résolution axiale du dispositif D.The EO stack of dielectric multilayers coupled to the SB substrate ensures a significant enhancement of the evanescent electromagnetic field OE at the interface between the optical blade and the sample with an angular tolerance much greater than the optical blades of the prior art. This enhancement increases the intensity of the FL fluorescence radiation, which improves the sensitivity of microscopic imaging as well as the axial resolution of the device D.
En effet, les lames optiques résonantes de l’art antérieur sont optimisées pour présenter une résonance étroite spectralement et angulairement, pour un angle d’incidence optimal prédéterminé et pour une onde d’illumination théoriquement plane. Elles présentent ainsi un facteur d’exaltation « théorique » du champ électromagnétique évanescent très élevé. Cependant, selon les lois de l’optique géométrique, le faisceau
Dans l’invention, la présence de deux résonances (ou plus) proches angulairement permet un recouvrement partiel entre les bandes de résonnances. Ce chevauchement permet d’élargir la tolérance angulaire de la lame optique LO afin qu’elle présente un facteur d’exaltation « réel » six à dix fois plus important que les lames optiques de l’art antérieur (voir figure 6) (voir plus dans le cas de multi-résonances). La tolérance angulaire de la lame de l’invention est spécifiquement choisie afin d’être supérieure ou égale à la divergence du faisceau
Par de nombreuses simulations et expériences, les inventeurs ont observé que cette résonance multiple n’était possible qu’avec un empilement EO comprenant un nombre
Comme évoqué précédemment, l’épaisseur optimisée de chaque couche de l’empilement est choisie notamment en fonction de la longueur d’onde d’illumination
Les épaisseurs optimisées sont généralement comprises entre 5 et 500 nanomètres. De manière préférentielle, les épaisseurs optimisées sont supérieures ou égale à 10 nm afin de faciliter la fabrication de la lame optique LO. En effet, le contrôle précis de l’épaisseur de couches d’épaisseur inférieure à 10 nm est techniquement complexe à réaliser.The optimized thicknesses are generally between 5 and 500 nanometers. Preferably, the optimized thicknesses are greater than or equal to 10 nm in order to facilitate the manufacture of the LO optical blade. Indeed, the precise control of the thickness of layers with a thickness of less than 10 nm is technically complex to achieve.
De manière préférentielle, le premier matériau diélectrique présente un indice de réfraction
De manière préférentielle, le nombre
De manière préférentielle, afin de limiter les aberrations optiques induites par l’utilisation de la lame optique dans le dispositif D, les épaisseurs optimisées et le nombre
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’empilement optimisé EO de la lame optique LO comprend 14 couches diélectriques alternées de SiO2et Nb2O5.La couche supérieure de l’empilement (celle destinée à être en contact avec l’échantillon) est en SiO2. Les épaisseurs optimisées des couches minces diélectriques sont, de la couche supérieure à la couche inférieure en contact avec le substrat, respectivement :20 nm, 26.5 nm, 91.6 nm, 101.8 nm, 242.7 nm, 60.25 nm, 30.2 nm, 20 nm, 273.4 nm, 29.1 nm, 83.1 nm, 20 nm, 530.6 nm, 97.6 nm. According to a preferred embodiment of the invention, the optimized stack EO of the optical blade LO comprises 14 alternating dielectric layers of SiO 2 and Nb 2 O 5 . The upper layer of the stack (the one intended to be in contact with the sample) is made of SiO 2 . The optimized thicknesses of the thin dielectric layers are, from the upper layer to the lower layer in contact with the substrate, respectively: 20 nm, 26.5 nm, 91.6 nm, 101.8 nm, 242.7 nm, 60.25 nm, 30.2 nm, 20 nm, 273.4 nm, 29.1 nm, 83.1 nm, 20 nm, 530.6 nm, 97.6 nm.
Cette structure est optimisée pour une longueur d’onde d’illumination
La transmission moyenne de cette structure, intégrée angulairement entre 0 et 80 degrés, et spectralement entre 561 et 700 nm est de 53%.The average transmission of this structure, angularly integrated between 0 and 80 degrees, and spectrally between 561 and 700 nm is 53%.
La figure 4A est un graphique présentant l’absorption optique de l’empilement EO selon le mode de réalisation préféré de l’invention, avec un milieu liquide au-dessus de la couche supérieure, en fonction de l’angle d’incidence et la longueur d’onde d’illumination. On observe quatre bandes de résonances, dont la bande de la première absorption résonante (référencée B1 sur la figure 4A) et la bande de la deuxième absorption résonante (référencée B2 sur la figure 4A). A la longueur d’onde d’illumination
La figure 4B est une courbe qui représente la valeur du facteur d‘exaltation du champ évanescent généré en RTI par la lame optique selon le mode de réalisation préféré de l’invention en fonction de l’angle d’incidence du faisceau
Pour cela, les figures 5A et 5B représentent une courbe de la valeur du facteur l’exaltation de l’intensité du champ évanescent généré en RTI en fonction de l’angle d’incidence du faisceau
On observe que la prise en compte de la divergence du faisceau produit une intégration angulaire de la première et la deuxième absorption résonante
Ainsi, pour un faisceau
La figure 6 est une courbe qui présente la valeur du facteur d’exaltation du rayonnement de fluorescence produit par la lame optique LO selon le mode de réalisation préféré de l’invention en fonction de la divergence du faisceau incident, pour l’angle d’incidence optimisé
En outre, la
La
Bien que les courbes des figures 4A à 6 aient été décrites en relation avec la lame optique LO selon le mode de réalisation préféré de l’invention, l’homme de l’art saura reproduire des résultats équivalents sans sortir du cadre de l’invention avec des matériaux diélectriques différents, et/ou des épaisseurs optimisées différentes et/ou un nombre de couches
On s’attache maintenant à décrire le procédé de fabrication de la lame optique LO selon l’invention. Ce procédé de fabrication comprend une phase de conception de la lame optique puis une phase de fabrication matérielle de la lame optique conçue. Les différentes étapes A à E de la phase de conception sont illustrées dans la
Dans une première étape A, on sélectionne le premier matériau diélectrique d’indice
Dans une deuxième étape B, on sélectionne la longueur d’onde d’illumination
Après l’étape B, la phase de conception comprend une étape C consistant à concevoir une première structure comprenant un premier empilement de couches minces diélectriques disposé au-dessus d’un substrat SB. Le substrat SB est transparent dans une région spectrale prédéterminée comprenant la longueur d’onde d’illumination
Le premier empilement comprend
Cette étape C est connue en soit et est effectuée par le biais d’un logiciel de simulation et d'optimisation de couches minces optiques comme par exemple Optilayer ou par le biais d’un calcul direct.This step C is known in itself and is carried out using thin optical layer simulation and optimization software such as Optilayer or by direct calculation.
Selon un mode de réalisation, dans le premier empilement, la couche supérieure du premier empilement est dans le deuxième matériau diélectrique et présente une première épaisseur comprise entre
Par exemple, afin de concevoir la lame optique du mode de réalisation préféré de l’invention précédemment décrite, le premier empilement de l’étape B comprend N=15 couches diélectriques alternées de SiO2et de Nb2O5. La couche supérieure est en SiO2et présente une première épaisseur égale à
Après l’étape C, la phase de conception comprend une étape D consistant à déterminer deux fonctions
Plus précisément, la fonction
La fonction
En effet, le facteur d’exaltation réel de la lame optique, c’est-à-dire celui du rayonnement de fluorescence collecté par l’objectif de microscope, est multifactoriel et dépend de :
- la transmission de la structure pour le rayonnement de fluorescence. Celui-ci doit être maximisée afin d’augmenter le rayonnement de fluorescence collecté. Cela revient par exemple à maximiser la transmission de la lame pour un angle d’incidence compris entre 0 et 80 degrés, pour une illumination avec une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 800 nm,
- le facteur d’exaltation du champ évanescent généré en RTI, qui doit aussi être maximisé
- la tolérance angulaire de ce facteur d’exaltation, comme expliqué précédemment.
- the transmission of the structure for the fluorescence radiation. This must be maximized in order to increase the fluorescence radiation collected. This amounts, for example, to maximizing the transmission of the slide for an angle of incidence between 0 and 80 degrees, for illumination with a wavelength between 400 nm and 800 nm,
- the exaltation factor of the evanescent field generated in RTI, which must also be maximized
- the angular tolerance of this exaltation factor, as explained previously.
L’optimisation simultanée de ces trois paramètres n’est réellement possible qu’en augmentant le nombre de degrés de libertés. C’est pourquoi il est nécessaire de construire les fonctions
Par exemple, selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les fonctions
avec T la transmission de la structure pour une onde plane éclairée sous incidence
with T the transmission of the structure for a plane wave illuminated under incidence
avec E l’amplitude du champ électrique à l’interface supérieure de la structure,Δθ l’intervalle angulaire choisi pour l’optimisation du champ, typiquement entre 0.2 et 1.5 degrés.with E the amplitude of the electric field at the upper interface of the structure,Δθ the angular interval chosen for field optimization, typically between 0.2 and 1.5 degrees.
Enfin, après la détermination des fonctions
- la première absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et à l’angle d’incidence en RTI, et - la deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et au deuxième angle d’incidence en RTI.
- the first resonant absorption at the illumination wavelength
and at the angle of incidence in RTI, and - the second resonant absorption at the illumination wavelength
and at the second angle of incidence in RTI.
Comme mentionné plus haut, l’optimisation est telle que
Cette optimisation est effectuée par le biais d’un logiciel de simulation et d'optimisation de couches minces optiques comme par exemple Optilayer.This optimization is carried out using optical thin layer simulation and optimization software such as Optilayer.
De manière préférentielle, la fonction de mérite
Cette forme de fonction de mérite présente un nombre suffisant de degrés de liberté suffisant pour optimiser simultanément les trois paramètres influant sur le facteur d’exaltation réel de la lame optique.This form of merit function has a sufficient number of degrees of freedom to simultaneously optimize the three parameters influencing the actual exaltation factor of the optical plate.
L’optimisation consiste typiquement à trouver les épaisseurs optimisées et le nombre
Selon un mode de réalisation préféré, l’optimisation est telle que
Concernant la phase de fabrication matérielle, le dépôt de chaque couche mince est réalisé au moyen de toute technique connue de l’homme de l’art, par exemple par une des techniques suivantes : évaporation sous vide, pulvérisations sous vide, procédé sol-gel, enduction centrifuge, dépôt chimique en phase vapeur, dépôt par plasma.Concerning the material manufacturing phase, the deposition of each thin layer is carried out using any technique known to those skilled in the art, for example by one of the following techniques: vacuum evaporation, vacuum spraying, sol-gel process, centrifugal coating, chemical vapor deposition, plasma deposition.
L’invention offre ainsi la possibilité d’une production de lames optiques à exaltation de champ électromagnétique dont les caractéristiques peuvent être aisément adaptées en fonction des paramètres d’imagerie requis par le système de microscopie.The invention thus offers the possibility of producing optical slides with electromagnetic field enhancement whose characteristics can be easily adapted according to the imaging parameters required by the microscopy system.
Comme indiqué plus haut, l’épaisseur, le nombre et le type de matériau sont des caractéristiques de l’empilement selon l’invention qui peuvent être adaptées au cas par cas, en fonction notamment des paramètres d’imagerie du système et des conditions d’éclairage souhaitées ou imposées. On privilégiera des matériaux optiquement transparents dans la bande spectrale utilisée pour mener l’étude, dont les valeurs de dispersion de l’indice de réfraction et du coefficient d’absorption sont connues et maitrisées. De telles caractéristiques doivent permettre, à un angle d’incidence optimisé et une longueur d’onde d’illumination prédéterminés de la lame optique en régime de réflexion totale, une absorption optique à tolérance angulaire améliorée dans la couche supérieure de l’empilement optimisé, exaltant ainsi le champ électromagnétique évanescent à l’interface dudit empilement.As indicated above, the thickness, number and type of material are characteristics of the stack according to the invention that can be adapted on a case-by-case basis, depending in particular on the imaging parameters of the system and the desired or imposed lighting conditions. Optically transparent materials in the spectral band used to conduct the study will be preferred, whose refractive index and absorption coefficient dispersion values are known and controlled. Such characteristics must allow, at a predetermined optimized angle of incidence and illumination wavelength of the optical plate in total reflection mode, optical absorption with improved angular tolerance in the upper layer of the optimized stack, thus enhancing the evanescent electromagnetic field at the interface of said stack.
Claims (15)
- la sélection d’un premier matériau diélectrique présentant un indice de réfraction
et d’un deuxième matériau diélectrique présentant un indice de réfraction tel que - la sélection d’une longueur d’onde dite d’illumination
et d’un angle d’incidence dit optimal en fonction dudit dispositif de microscopie par réflexion totale interne auquel ladite lame optique est destinée - la conception d’une première structure comprenant un premier empilement de couches minces diélectriques disposé au dessus d’une couche dite substrat (SB) transparente dans une région spectrale prédéterminée comprenant ladite longueur d’onde d’illumination
ledit premier empilement comprenant de couches minces successives et alternées du premier matériau diélectrique et du deuxième matériau diélectrique, une première épaisseur respective de chaque couche mince diélectrique et ledit nombre de couches minces diélectriques étant adaptés de manière à ce que la première structure présente une absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination et à l’angle d’incidence optimal en régime de réflexion totale interne - la détermination d’une première fonction
représentative d’une valeur d’une transmission de la première structure dans la région spectrale prédéterminée en fonction d’un nombre de couches minces diélectriques et d’une épaisseur de chaque couche mince diélectrique, et la détermination d’une deuxième fonction représentative d’une intensité d’un champ électrique évanescent généré par la lame optique en régime de réflexion totale interne à la longueur d’onde d’illumination et à l’angle d’incidence optimal en fonction d’un nombre de couches minces diélectriques et de ladite première épaisseur de chaque couche mince diélectrique - la conception de ladite lame optique qui comprend un deuxième empilement de couches minces diélectriques dit empilement optimisé disposé au dessus du substrat (SB), l’empilement optimisé comprenant un nombre
de couches minces diélectriques successives et alternées du premier matériau diélectrique et du deuxième matériau diélectrique, chacune des couches présentant une épaisseur dite optimisée respective,
- the selection of a first dielectric material having a refractive index
and a second dielectric material having a refractive index such as - the selection of a so-called illumination wavelength
and a so-called optimal angle of incidence depending on said total internal reflection microscopy device for which said optical slide is intended - the design of a first structure comprising a first stack of thin dielectric layers arranged above a so-called substrate (SB) layer transparent in a predetermined spectral region comprising said illumination wavelength
said first stack comprising of successive and alternating thin layers of the first dielectric material and the second dielectric material, a first respective thickness of each dielectric thin layer and said number of thin dielectric layers being adapted so that the first structure exhibits resonant absorption at the illumination wavelength and at the optimum angle of incidence in total internal reflection mode - the determination of a first function
representative of a value of a transmission of the first structure in the predetermined spectral region as a function of a number of dielectric thin layers and a thickness of each dielectric thin layer, and determining a second function representative of an intensity of an evanescent electric field generated by the optical blade in the total internal reflection regime at the illumination wavelength and at the optimum angle of incidence depending on a number of dielectric thin layers and said first thickness of each dielectric thin layer - the design of said optical blade which comprises a second stack of thin dielectric layers called optimized stack arranged above the substrate (SB), the optimized stack comprising a number
of successive and alternating thin dielectric layers of the first dielectric material and the second dielectric material, each of the layers having a respective so-called optimized thickness,
- une couche dite substrat (SB) transparente dans une région spectrale prédéterminée
- un empilement dit optimisé disposé (EO) au dessus du substrat (SB) et comprenant un nombre
de couches minces diélectriques successives et alternées ( d’un premier matériau diélectrique et d’un deuxième matériau diélectrique, chacune des couches présentant une épaisseur dite optimisée respective, les épaisseurs optimisées et le nombre de couches minces diélectriques étant adaptés de manière à ce que ladite lame optique présente au moins :- une première absorption résonnante à une longueur d’onde dite d’illumination
et à un premier angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, et - une deuxième absorption résonnante à la longueur d’onde d’illumination
et à un deuxième angle d’incidence en régime de réflexion totale interne, avec .
- une première absorption résonnante à une longueur d’onde dite d’illumination
- a so-called substrate (SB) layer transparent in a predetermined spectral region
- a so-called optimized stack arranged (EO) above the substrate (SB) and comprising a number
of successive and alternating thin dielectric layers ( of a first dielectric material and a second dielectric material, each of the layers having a respective so-called optimized thickness, the optimized thicknesses and the number of thin dielectric layers being adapted so that said optical blade has at least:- a first resonant absorption at a so-called illumination wavelength
and at a first angle of incidence in total internal reflection mode, and - a second resonant absorption at the illumination wavelength
and at a second angle of incidence in total internal reflection mode, with .
- a first resonant absorption at a so-called illumination wavelength
- le premier matériau diélectrique présente un indice de réfraction
- le deuxième matériau diélectrique présente un indice de réfraction
- the first dielectric material has a refractive index
- the second dielectric material has a refractive index
- une lame optique (LO) selon l’une quelconque des revendications 8 à 13,
- une source de lumière (SL) adaptée pour émettre un faisceau lumineux (Lin) présentant la longueur d’onde d’illumination
- un dispositif optique (Obj) adapté pour mettre en forme le faisceau lumineux (Lin) de manière à ce qu’il illumine ladite lame optique avec ledit angle d’incidence optimisé
- un détecteur (Det) adapté pour détecter un rayonnement de fluorescence (FL) émis lorsqu’un échantillon (E) est déposé en correspondance d’une région d’une surface (SE) de ladite lame optique où sont produites des ondes évanescentes (OE) par une réflexion totale interne dans ladite lame optique du faisceau lumineux (Lin) mis en forme, ledit rayonnement de fluorescence (Fl) étant excité par lesdites ondes évanescentes (OE).
- an optical blade (LO) according to any one of claims 8 to 13,
- a light source (SL) adapted to emit a light beam (L in ) having the illumination wavelength
- an optical device (Obj) adapted to shape the light beam (L in ) so that it illuminates said optical blade with said optimized angle of incidence
- a detector (Det) adapted to detect fluorescence radiation (FL) emitted when a sample (E) is deposited in correspondence of a region of a surface (SE) of said optical plate where evanescent waves (OE) are produced by total internal reflection in said optical plate of the shaped light beam (L in ), said fluorescence radiation (Fl) being excited by said evanescent waves (OE).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2301673A FR3146214B1 (en) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | Optical slide for total internal reflection microscopy, total internal reflection microscopy device comprising such a slide and method of manufacturing such a slide |
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| FR2301673A FR3146214B1 (en) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | Optical slide for total internal reflection microscopy, total internal reflection microscopy device comprising such a slide and method of manufacturing such a slide |
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|---|---|---|---|
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