Super-Resolution Fluorescence Microscopy Based on Physical ...

Résumé
Cette thèse présente un ensemble de méthodes de super-résolution pour la
microscopie optique, basées sur des modèles physiques. L’essentiel de ces
méthodes est appliqué à la localisation tridimensionnelle de molécules uorescentes.
La localisation est formulée à travers un problème d’estimation
de paramètres reposant sur un modèle physiquement précis de la réponse
impulsionnelle (PSF) du système. Avec une approche semblable, des méthodes
sont proposées pour l’ajustement du modèle aux mesures expérimentales,
ainsi que pour l’imagerie à profondeur de champs étendue.
L’observation de molécules individuelles au sein d’un ensemble dense
de uorophores a été rendue possible par la découverte de molécules pouvant
être activés ou commutés entre un état uorescent et un état sombre.
Une molécule uorescente peut être localisée à partir de son image avec
une précision nanométrique, par ajustement avec un modèle adéquat. Ce
concept est à la base des techniques de microscopie à localisation de uorescence
(FLM) telles que la microscopie à localisation par photo-activation
(PALM) et la microscopie optique à reconstruction stochastique (STORM),
basées sur un modèle Gaussien de la PSF. Tandis que l’image générée par un
uorophore isolé correspond à une section de la PSF du microscope, seule la
section dans le plan focal est correctement approximée par une Gaussienne.
En conséquence, les applications de FLM ont, pour la plupart, été limitées à
l’imagerie 2-D d’échantillons ns.
Dans la première partie de la thèse, il est démontré que la localisation
peut être étendue à trois dimensions sans perte de précision en s’appuyant
sur un modèle précis de la formation d’image au lieu de l’approximation
Gaussienne. La prise en compte d’aberrations provenant à la fois de
l’inégalité entre les indices de réfraction du milieu d’immersion et de
l’échantillon, ainsi que de déviations potentielles des autres paramètres du
système optique par rapport à leur valeur nominale, constitue un aspect
déterminant pour les modèles physiquement réalistes. Dans des conditions
expérimentales typiques, ces aberrations varient en fonction de la profondeur
dans l’échantillon, ce qui induit une dépendance par translation axiale
dans la PSF. Cette propriété est exploitée dans une approche à maximum
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