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Applications des lasers impulsionnels en biologie : résolution spatiale et génération de contraste Pierre-François LENNE Institut Fresnel - Marseille

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Applications des lasers impulsionnels en biologie :

résolution spatiale etgénération de contraste

Pierre-François LENNEInstitut Fresnel - Marseille

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The cell

5 nm

5 nm

2 nm

10 µm

Mitochodrion

Energy Production

RoughEndoplasmicReticulum

Protein production

DNA contains the informationfor the production of proteins

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PlanI- Introduction - Rappels

• Résolution spatiale

• Microscopie de fluorescence excitée par l’absorption de 1 et 2 photons

II- Réduction du volume de détection et résolution sub-longueur d’onde : la microscopie STED

III- Le contraste vibrationnel : la microscopie Raman stimulée CARS

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The Airy pattern radius fromthe central peak to the firstminimum is given by : NA

Rairy 222.1 λ

=

θsinnNA =

Object plane Image plane

θ

Tube lens

)(22.1

objectivecondensorairy NANA

R+

Conventional contrast in optical microscopy

Airy pattern

Condensor

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RésolutionCritère de résolution :

NANArxyλλ 61.0222.1 ==

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Fluorescence Microscopy

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1P Fluorescence Microscopy

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1P Confocal Microscopypinhole

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2P Fluorescence Microscopy

1-photon 2-photon

I2P~(Iexc)2

molec s/molec = 10 GM

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Ordre de grandeurs :Microscopie à 2 photons avec laser continu vs impulsionnel

•Laser continu focalisé dans un échantillon de fluorescéine de 10 µM produit 20000 photons/s. Efficacité de détection 5 % 103 photons/s détectés.

•Laser impulsionnel

)/()()( 22 τRtIgtIF p=∝

mWtI 1)( =

Facteur de formeDurée de l’impulsion

Taux de répétition

510)/( =τRgp

108 photons/s détectés.

fs 100 MHz, 80 R gaussien), (profil 66.0 === τpg

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Resolution in Fluorescence Microscopy

Wide Field Confocal 1P 2P λ=0.5µmNA=1.2n=1.33

0.25µm / 0.16µm / 0.263µm

0.92µm / 0.65µm /1.07µm2)(

2NA

nrzλ= ( )24.1

NAnrz

λ=

NArxyλ4.0=NArxy

λ61.0=NArxyλ7.0=

( )23.2NA

nrzλ=

Wide Field 1P Confocal

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Avantages de la M2P•Excitation localisée

photoblanchîment et photodestruction réduits

• Faible absorptionImagerie en profondeur (tissus)

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II- Réduction du volume de détection et résolution sub-longueur d’onde : la microscopie STED

Excitation Stimulated emission depletion

STED

+ =

~ 100 nm

~ 100 nm

Confocal microscopy + STED

T.A. Klar, PNAS USA 97, 2000

Non linear Optics: Stimulated emission depletion

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STimulated Emission Depletion - STED

Utilisation d’une non linéarité entre intensité d’excitation et émission de fluorescence

λ

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STimulated Emission Depletion - STED

Ti:Saph76 MHz

OPO + SHGEX0.2 ps560 nm

STED40 ps765 nmstrecher

EX STED

Fluo

λ

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STimulated Emission Depletion - STED

fluorescence relaxation

STED(40ps)

excitation pulse (0.2ps)

Cyclic process at a frequency of 40 MHz

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STimulated Emission Depletion - STED

E

vibSTEDSTED

FSTEDSTED

kNININdt

dN

kNININdt

dN

*0

*01

*0

11*

011

/

/

−−=

−+−=

σωσ

σωσ

h

hN1

ISTED

If σISTED<<kvib then N0*=0 and re-excitation is negligible

N0*

kvib)/(1 ωτσ hSTEDIExpN −∝

Strong non-linear dependence of N1 with ISTED Non linear Depletion

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STimulated Emission Depletion - STED

97 nm FWHM , Z depth and XY !!! = 670 zeptoliters = 0.67 attoliter

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STimulated Emission Depletion - STED

STEDConfoc

S. cerevisiae yeast cell

STEDConfoc

Latex beads 100 nm

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Exogenous fluorophoreNeed to be introduced in the living sample.QuenchingArises from a variety of competing processes that induce non-radiative relaxation of excited state electrons to the ground state.Photobleaching Occurs when a fluorophore permanently loses the ability to fluoresce due to pchemical damage and covalent modification.

Quenching and Photobleaching

Typical example of photobleaching (fading) observed in a series of digital images captured at different time points for a multiply-stained culture of bovine pulmonary artery epithelial cells. - Nuclei stained with 4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI; blue fluorescence)- Mitochondria stained with MitoTracker Red (red fluorescence)- Actin cytoskeleton stained with phalloidin derivative (green fluorescence)

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III- Contraste vibrationnelCoherent Anti-Stokes Raman Microscopy

CARS

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Three-Dimensional Imaging by Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, Phys. Rev. Lett. 82, 4142, 1999

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Spontaneous Raman Scattering

Anti-Stokes

Stokes

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ωωP ωASωS

ΩR ΩR

PS=σR IPσR=10-31 – 10-29cm2/molecule

NB: σF-1P=10-16cm2/moleculeσF-2P=10-49cm4.s/molecule

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Stimulated Raman Scattering

ωpωpωs

ωas

Ωr

If ωp-ωs=Ωr resonant effect:ωas is enhanced

FCARS

E-CARS

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CARS versus Spontaneous Raman

wavelength

Laser ωp

Spontaneous RAMAN

Stokes ωs

AntiStokes ωas

Stokes ωs

AntiStokes ωas

ΩR ΩR

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From the theory…

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From the theory…2

)()( ASNL

AS PI ωω ∝

*2)3( )()()( SSPPASNL EEP ωωχω =

SPAS ωωω −= 2

ICARS∝ N2F

ks

-ks

kp kp

kAS

)2( spAS kkkk −−=∆

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F-CARS and E-CARS…

From Cheng et al, J. Opt. Soc. Am. B 19 1363 (2002)

FCARS

E-CARS

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F-CARS and E-CARS

Melanine beadsin agarose gelS: 10450 cm-1(957nm)P: 11177 cm-1(894nm)P:20mWS:10mW Agarose/glass interface

0.75µm

0.28µmPolystyrene beadsin agarose gelS: 11009 cm-1(908nm)P: 14054 cm-1(711nm)

From Cheng and Xie J. Phys. Chem. B, 108, 827 (2004)

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Spectral shape…Electronic state

tpt

tNR

RspR

R

iA

iA

Γ−−++

Γ+−−Ω=

ωωχ

ωωχ

2)()3()3(

ΩR ΩR

ωS

ωS

ωPωP

ωP

ωP

ωS

ωAS ωASωAS ωPωP

R)3(χ Far from two photons absorption

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Spectral width

CARS line profile as a function of the pulse widthΓR=10cm-1

Resonant and non resonant CARSAs function of pulse width

From Cheng and Xie J. Phys. Chem. B, 108, 827 (2004)

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From the experiment…

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CARS Set Up

Nd:Vd VERDI 10W

MIRASaphirTitane

(Maître)

MIRASaphirTitane

Esclave

PulseSelect

PulseSelect

SynchroLock

APD

Platine PZT XYZ

Echantillon

Objective Microscope NA1.2

FiltreM

BS

M

M

M

Delai

(λ/2)+Glan

ωP+ωSωAS

PZT

Filtres

Monochromateur

Télescope

APD

Filtres

Objective Microscope NA 0.5

E-CARS

F-CARS

M BS

APDAPD

ωPωS

ωAS

Rétroréflecteur

BS : séparatrice 50/50M : MiroirPZT : PiézoélectriqueAPD : Photodiode à avalanche

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CARS Set Up

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Imaging polystyrene beadsC=C 1600cm-1 (ωp750nm-ωs850nm) ωAS

x

z

ωP

ωAS

ωS

15

10

5

0

Y (µ

m)

151050X (µm )

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

CA

RS

In

ten

sity (

no

rm)

151050X (µm)

∆X = (7.458 ± 0.129) µm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

CA

RS

Inte

nsity (

norm

)

20151050Z (µm)

∆Z = (6.2028 ± 0.0911) µm

∆X=7µm ∆Z=6.3µmF-CARS - 6µm beads

E-CARS – 0.1µm beads ∆X=0.57µm ∆Z=1.5µm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

CAR

S In

tens

ity (n

orm

)

2 0151 050Z (µm )

FWHM = 1.52 µm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

CAR

S In

tens

ity (n

orm

)

2.01.51.00.50.0X (µm)

FWHM=574 nm

1.5

1.0

0.5

0.0

Y (µ

m)

1.51.00.50.0 X (µm)

400 kHzP: 160µWS: 80µW

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Temporal detuning

Delay between ωp and ωs pulses(in ps)

CARS signal at 660nm

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Lipid membranes…

Polar

2µm

E-CARS spectrum of a multilamellar layer of DOPC on a clean glass coverslip. Thepump beam was fixed at 13990 cm-1

(714nm).CARS signal from the lipids peaks at 2849 cm-1, (symmetric CH2 vibrational mode).

F-CARS image of erythrocyte ghost. Image was taken in the equatorial xy plane of the vesicle at a Raman shiftof 2845 cm-1.

From Potma et al, J. Raman. Spec. 34, 624 (2003)

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Lipid membrane and H20

E

E E

E5µm

F-CARS images of POPS multilamellar onions prepared at 27°C. ωp-ωs was tuned to 2845 cm-1 (C-H strech) and 3445 cm-1 (O-H strech). The number of bilayers was estimated to be 500.The pump frequency was fixed at 14212 cm-1 (704nm). P: 100 mW and S: 50 mW - repetition rate 80 MHz

POPS (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine) Adapted from Cheng et al PNAS 100, 9826 (2003)

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Cheng et al, Biophys. J. 83:502Living cells…C-H strech

NIH 3T3 cells in interphase. Aliphatic C-H stretching 2970 cm-1

Pump 14054 cm-1(711nm) and the Stokes 11184 cm-1(894nm). P: 40mW; S: 20mW

Interphase NIH3T3 cell mitochondriaF-CARS: C-H Strech

Fluo: mitotracker Red.

Adapted from Cheng et al Biophys. J. 83, 502 (2002)

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3D sectioning C-H strech

Three dimensional distribution of lipids in epithelial cells.CH2 stretching vibration (2845 cm-1).Lipid granules and plasma membranes.

http://bernstein.harvard.edu/research/cars.html

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Living cells…PO2- strech

F-CARS images of a NIH 3T3 cell in metaphase at different depths. PO2

-symmetric stretching vibrational frequency at 1090 cm-1.Pump 13593 cm-1(735nm) and Stokes 12503 cm-1(800nm). P: 40mW, S: 20mW, 400kHz

Page 42: Applications des lasers impulsionnels en biologie ...reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/Biologie-Lenne.pdf · Applications des lasers impulsionnels en biologie : résolution spatiale et

Intracellular hydrodynamics O-H strech 3300 cm-1

living D. discoideum cellsOH strech 3300 cm-1

OD strech 2800 cm-1

D2O H2OH2O

From Potma PNAS 98, 1577 (2001)

D2O

t=0H2O

ωP ωS3300 cm-1 OH strech

Permeability of the plasma membrane Pd=2.2 µm/sDw=5 µm2/s (10%-20% of the cell diameter)Dw>500 µm2/s (central cell region) Dw

Exceptionally low Dw due to the presence of densely packed actinfilaments in this region that provide an additional barrier in theprocess of water diffusion.

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- CARS addresses molecular intrinsic vibrational transition and does not requires staining with fluorophore or radioactivity.

-CARS is a coherent process which builds an anti-stokes wave on a large number of molecular bonds. This coherent process permits to obtain a signal orders of magnitude larger than spontaneous Raman scattering. Small laser powers (1mw) can be used which are compatible with bio-objects.

- CARS is selective of a certain molecular bond (by adjusting the detuning between laser and Stokes beam)

- CARS is a non linear process which takes place only at the focal point of the microscope lens (diffraction limited) . Therefore the confocal effect is automatic and permits 3D imaging of bio-objects.

- Working in IR limits the absorption and diffusion of bio- tissue. Image as far as 0.3mm in depth can be obtained in living tissues.

- CARS is an elastic process which does not store energy into the system. It is therefore insensible to bleaching as fluorescence is.

- Finally, CARS is not affected by endogenous fluorescence because the Anti-Stokes signal is at lower wavelength than the pump lasers.

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Institut Fresnel

STICCentre d’Immunologie de Marseille Luminy (CIML)

SDV

D. MarguetA.SergéM. FalletA. BonedL. WawrezinieckO. Wurtz

H. RigneaultF. BeloniN. DjakerP.-F. Lenne S. Monneret