Construction d'un microscope SERS dans le proche infrarouge : vers la détection de neurotransmetteurs

Abstract

Mon projet consiste en la construction d'un microscope Raman à des longueurs d'onde laser supérieures à 1 μm pour la détection de neurotransmetteurs (NTs) dans des échantillons biologiques. Cette approche combine les avantages de la spectroscopie Raman exaltée par la surface (SERS) et l'efficacité de pénétration des laser en proche infrarouge (NIR) dans les tissus pour permettre une détection sensible et spécifique des NTs. Les NTs sont des molécules de signalisation jouant des rôles essentiels dans le fonctionnement du cerveau et peuvent causer une gamme de troubles neurologiques tels que la maladie de Parkinson (PD) ou la maladie d'Alzheimer (AD). Cependant, les méthodes de détection conventionnelles sont limitées par leur sensibilité et leur sélectivité, ainsi que par la complexité des procédures de préparation des échantillons. En raison de la décroissance exponentielle du coefficient de diffusion des tissus cérébraux, des longueurs d'ondes d'excitation plus longues sont nécessaires en spectroscopie Raman pour des applications cliniques et physiologiques. De plus, les fluorophores et chromophores biologiques sont sensibles aux excitations dans la plage de longueur d'ondes visibles, il est donc préférable de travailler avec une longueur d'onde d'excitation dans le NIR pour minimiser la fluorescence de ceux-ci ainsi que le signal de fond d'auto-fluorescence des tissus. Cependant, les microscopes commerciaux sont limités à des longueurs d'onde plus faibles (typiquement < 785 nm). Par conséquent, la construction un microscope avec deux lasers dans le proche infrarouge soit 1064 nm et 1319 nm a été l’objet de cette maitrise. En combinant les fibres fonctionnalisées de nanoparticules métalliques et ce nouvel instrument, cette approche donnera lieu à des spectres SERS permettant d'identifier et quantifier divers NTs avec précision dans les tissus cérébraux. La microscopie NIR SERS présente un fort potentiel pour la détection de neurotransmetteurs dans des matrices biologiques complexes avec une bonne résolution spatiale. Bien que la mesure directe de NTs n’ait pas été réalisée en raison de défis techniques liés à la construction du microscope, son bon fonctionnement a été démontré par l'obtention d’un spectre SERS du méthylviologène. À 1064 nm, la résolution latérale est de 710 nm et la résolution axiale de 950 nm, tandis qu’à 1319 nm, la résolution latérale est de 880 nm et axiale de 1,17 μm. Ces résultats valident la capacité de l’instrument à détecter des analytes via SERS dans le NIR, ouvrant la voie à de futures études sur la signalisation des neurotransmetteurs. My project consists in the construction of a Raman microscope at laser wavelengths greater than 1 μm (NIR) for the detection of neurotransmitters (NTs) in biological samples. This approach combines the advantages of Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) spectroscopy and the tissue-penetrating efficiency of NIR lasers to enable sensitive and specific detection of NTs. NTs are signaling molecules which play critical roles in brain function and can cause a range of neurological disorders such as Parkinson’s disease (PD) or Alzheimer's disease (AD). However, conventional detection methods are limited by their sensitivity and selectivity, as well as the complexity of sample preparation procedures. Due to the exponential decay of the diffusion coefficient of brain tissue, longer excitation wavelengths are required in Raman spectroscopy. In addition, biological fluorophores and chromophores are sensitive to excitations in the visible wavelength range, so it is best to work with an excitation wavelength in the NIR to minimize the fluorescence of these as well as the tissue autofluorescence background. However, commercial microscopes are limited to shorter wavelengths (typically < 785 nm). Therefore, the construction of a microscope with two lasers in the near infrared, namely 1064 nm and 1319 nm, was the focus of this master's project. By combining functionalized fibers with metallic nanoparticles and this new instrument, this approach will lead to SERS spectra that allow the identification and quantification of various neurotransmitters (NTs) with precision in brain tissues. NIR SERS microscopy holds strong potential for the detection of neurotransmitters in complex biological matrices with good spatial resolution. Although direct measurement of NTs has not been carried out due to technical challenges related to the microscope's construction, its proper functioning was demonstrated by obtaining a SERS spectrum of methylviologen. At 1064 nm, the lateral resolution is 710 nm, and the axial resolution is 950 nm, while at 1319 nm, the lateral resolution is 880 nm, and the axial resolution is 1.17 μm. These results validate the instrument’s ability to detect analytes via SERS in the NIR, paving the way for future studies on neurotransmitter signaling.