Academic literature on the topic 'Microscopie électronique – Tomographie'

Ce travail a été consacré au développement dans le domaine de nanomatériaux de différents modes de travail en microscopie électronique compatibles avec une approche tomographique. Il s'agit du mode champ clair parallèle, des modes champ sombre annulaire et champ clair en mode balayage du faisceau, du mode imagerie filtrée (qui apporte la sélectivité chimique) ou encore de la tomographie à froid. Pour un système donné, le choix du mode est dicté par la nature de l'échantillon et l'information qu'on souhaite obtenir. Un ajustement approprié et pointu de tous les paramètres intervenant dans les différentes étapes de l'analyse a été nécessaire pour chacun de ces modes Une attention particulière a été donnée au couplage des méthodes tomographiques avec les autres modes de microscopie électronique, en particulier la haute résolution qui est plus sensible à la structure cristallographique. Ceci nous a permis d'obtenir une description complète des nano-objets en termes de morphologie, structure cristalline et composition chimique. Une grande partie du travail a été dédiée à l'étude de nanomatériaux d'intérêt en catalyse, où les applications exploitant les effets nanométriques sont multiples : les nanomatériaux carbonés (SiC, nanotubes de carbone dopés), nanoparticules individuelles ou organisées en super-réseaux (Ce02, Pt), nanostructures coeur-couronne (Au-Ag). Finalement, l'implémentation de la tomographie analytique s'est révélée être d'un intérêt crucial pour l'étude de ces systèmes: elle nous a permis de dépasser la « simple » acquisition d'images à 3D en nous donnant la possibilité de distinguer dans l'espace la distribution des éléments chimiques qui constituent l'échantillon étudié
In the general frame of studying nanomaterials, this thesis is devoted to the exploration of the various electron microscopy modes that allow tomographie recording. These recording modes range from the parallel bright field mode to the bright and dark field annular scanning modes. Filtered imaging as well as low temperature recording have been explored in depth. Strong attention has been paid to the determination of the optimized parameters and procedures that must be used in each mode according to the nature of the sample under study and ta the nature of the properties to be characterized. Lt was shown that a synergy could be obtained from the concomitant use of other microscopy modes with the tomographie ones. The 3D reconstruction of nano-objects allowed reaching very rich descriptions of the objects, up to the point of quantitatively measuring parameters otherwise not reachable, such as porosities or specifie surfaces. Because of this ability, various materials of interest in the fields of catalysis have been studied, carbon based materials: Sic, doped carbon nano-tubes; isolated or self-organized nano-particles: CeO2 Pt; core-shell nano-particles: Au-Ag. The use of filtered imaging for reconstructing 3D images of nano-objects paved the way for the chemical analysis of nano-objects with a 3D chemical resolution of the order of 5nm

La cryo-microscopie électronique à particules isolées est une modalité d’imagerie permettant d’estimer la structure 3D de molécules. L’obtention d’un volume 3D est effectué par des algorithmes de reconstruction tomographique après acquisition par un microscope électronique à transmission d’un ensemble d’images de projection de l’objet observé. Les méthodes de reconstruction tomographique existantes permettent de déterminer la structure des molécules avec des résolutions proches de l’angström. Cependant la résolution est dégradée lorsque les molécules observées sont déformables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse contribuent au développement de méthodes de traitement informatique des données (projections) dans le but de prendre en compte les déformations de l’objet observé dans le processus de reconstruction tomographique ab initio. Les problématiques principales abordées dans ce mémoire sont l’estimation des paramètres de projection basée sur la réduction de dimension non-linéaire, la détection des arêtes erronées dans les graphes de voisinages pour l’amélioration de la robustesse au bruit des méthodes de réduction de dimension, et la reconstruction tomographique basée sur un modèle paramétrique du volume
Single particle cryo-electron microscopy is a technique that allows to estimate the 3D structure of biological complex. The construction of the 3D volume is performed by computerized tomography applied on a set of projection images from transmission electron microscope. Existing tomographic reconstructionalgorithms allow us to visualize molecular structure with a resolution around one angstrom. However the resolution is degraded when the molecules are deformable. This thesis contributes to the development of signal processing method in order to take into account the deformation information of the observed object for the ab initio tomographic reconstruction. The main contributions of this thesis are the estimation of projection parameters based on non-linear dimensionreduction, the false edges detection in neighborhood graphs to improve noise robustness of dimension reduction methods, and tomographic reconstruction based on a parametric model of the volume

Les microtubules (MTs) sont des constituants hautement dynamiques du cytosquelette, impliqués dans de nombreux processus cellulaires tels que la division cellulaire ou le transport d'organites. Leur comportement dynamique est régulé par différents facteurs tels que les +TIPs, qui présentent la particularité de cibler les extrémités en croissance des MTs. Une de ces protéines, EB1, cible de façon autonome ces extrémités et y recrute un grand nombre d'autres +TIPs. Néanmoins, les mécanismes moléculaires impliqués dans cette reconnaissance restent imprécis. Afin de mettre en évidence une caractéristique structurale présente à l'extrémité des MTs en croissance et préférentiellement reconnue par EB1, nous avons utilisé deux approches de cryo-microscopie électronique. Nous avons tout d'abord utilisé une approche d'analyse par particules isolées, dans le but de comparer les reconstructions 3D de MTs assemblés en présence de GTP ou de GMPCPP, analogue lentement hydrolysable du GTP. Par la suite, nous avons utilisé la cryo-tomographie électronique couplée au marquage d'EB1 avec des nanoparticules d'or fonctionnalisées. Nos résultats nous permettent de proposer un modèle de ciblage impliquant une relocalisation de l'extrémité C-terminale d'EB1 lors de la fermeture des feuillets en tube. Cette relocalisation permettrait de recruter les autres +TIPs, et entraînerait une perte d'affinité d'EB1 pour la paroi des microtubules. La comparaison de ces résultats avec des études récentes effectuées par d'autres équipes, et concernant le rôle de l'hydrolyse du GTP dans la liaison d'EB1 avec les MTs, nous permet de proposer un modèle global incluant l'ensemble de ces données
Microtubules (MTs) are highly dynamic cytoskeleton polymers, involved in many cellular processes, including cell division and intracellular transport. Their dynamic behavior is regulated by numerous factors, such as +TIPs that preferentially target MT growing ends

Au début du XXIème siècle, la Microscopie Electronique à Transmission en mode Environnemental (ETEM) est devenue l’une des techniques les plus fiables de caractérisation de nanomatériaux dans des conditions simulant leur vie réelle. L’ETEM est maintenant en mesure de suivre l’évolution dynamique des nanomatériaux dans des conditions variables comme l’exposition à des températures élevées, l’observation en milieux liquide ou gazeux à diverses pressions. Parmi différents domaines de recherche et développement concernés, la catalyse peut bénéficier de manière significative des avancées permises par la microscopie électronique environnementale. Cette thèse, dédiée au développement de l’ETEM au laboratoire MATEIS, a commencé avec l’étude du système catalytique Pd-alumine. Les nanoparticules de Pd déposées sur alpha -Al2O3 et delta-Al2O3 sont très utilisées en physicochimie avec un impact environnemental important : en particulier dans le domaine de l’hydrogénation sélective, pour la synthèse de polymères ou l’hydrogénation de CO2 pour la production de méthane. Nous avons tout d’abord effectué des analyses 2D aux différentes étapes du processus de synthèse du catalyseur : imprégnation du précurseur, séchage et chauffage pour la calcination dans l’air à la pression atmosphérique. La motivation de cette approche a été de comparer des analyses post mortem avec des traitements en ETEM où l’évolution des nanoparticules peut être mesurée in situ et pas seulement « avant » et « après ». De manière générale, les études faites en ETEM en 2D donnent un aperçu limité sur la morphologie des objets et la distribution spatiale des nanoparticules supportées. Nous avons développé une nouvelle approche d’acquisition rapide pour collecter dans des temps très courts des séries d’images sous différents angles de vue pour la tomographie électronique, la rapidité de cette acquisition étant un prérequis pour appréhender correctement la morphologie d’un nano-système au cours de son évolution dynamique in situ. La technique a ensuite été utilisée pour l’étude de plusieurs systèmes où une acquisition tridimensionnelle rapide est indispensable, notamment sur un sujet concernant un enjeu sociétal important, la dépollution des moteurs diesel : l’oxydation de la suie a été étudiée in situ sur des supports à base de zircone entre 400 et 600°C et une pression de 2 mbar d’oxygène à différents degrés de combustion, ce qui a permis d’extraire des données cinétiques telle que l’énergie d’activation du processus. La tomographie électronique rapide a été également appliquée à des matériaux sensibles au faisceau électronique, comme des nanocomposites polymères et des objets biologiques, montrant le large spectre d’applications possibles pour cette technique, qui constitue un pas important vers la caractérisation operando 3D de nanomatériaux en temps réel
In the beginning of the XXIst century, Environmental Transmission Electron Microscopy has become one of the reliable characterization techniques of nanomaterials in conditions mimicking their real life. ETEM is now able to follow the dynamic evolution of nanomaterials under various conditions like high temperature, liquid or various gas pressures. Among various fields of research, catalysis can benefit significantly from Environmental Microscopy. This contribution starts with the study of the Palladium-Alumina catalytic system. Pd nanoparticles supported by α-Al2O3 and δ-Al2O3 are of an important physicochemical and environmental interest, particularly in the field of selective hydrogenation in petrochemistry, for the synthesis of polymers or CO2 hydrogenation for methane production. We first performed 2D analyses at different steps of the synthesis process, then the same synthesis steps were performed under in situ conditions. The motivation of this approach was to compare post mortem treatments with ETEM observations. In general, 2D data provide limited insights on, for example, the morphology and position of supported nanoparticles. We have then developed a new fast acquisition approach to collect tomographic tilt series in very short times, enabling to reconstruct nano-systems in 3D during their dynamical evolution. Taking advantage of this approach, we have determined the activation energy for soot combustion on YSZ oxidation catalysts for diesel motors from volumetric data extracted from in situ experiments. Fast electron tomography was also applied to electron beam sensitive materials, like polymer nanocomposites and biological materials, showing the wide spectrum of possible applications for rapid 3D characterization of nanomaterials

Les terminaisons axonales sont spécialisées pour coordonner la fusion des vésicules synaptiques (VS) à l’influx calcique lors de l’arrivée d’un potentiel d’action. L’organisation de ces terminaisons est encore mal connue. Nous avons étudié la structure de ces terminaisons par des techniques innovantes de microscopie électronique, afin de comprendre comment les VS peuvent être stabilisées dans le bouton axonal et à la zone active (le site de fusion). Pour éviter les artéfacts induit par les fixateurs aldéhydiques sur l’ultrastructure cellulaire, nous avons immobilisé des tranches d’hippocampes de rongeur par congélation sous haute pression. Nous avons ensuite utilisé la tomographie électronique pour analyser la répartition des VS et le cytosquelette avec une très haute résolution tridimensionnelle (~5 nm). Après congélation sous haute pression, les terminaisons synaptiques sont plus larges et la répartition des VS est moins dense qu’après fixation aldéhydique. L’analyse en tomographie électronique indique que les VS sont prises dans un réseau de filaments, notamment composé de synapsin. A la zone active, les VS ancrées à la membrane ne sont pas en hémifusion avec la membrane mais apposées et connectées avec elle par des filaments latéraux. Dans les souris déficientes pour Munc13, les VS ne sont pas ancrées à la membrane plasmique mais sont à quelques nanomètres de distance. Les protéines Munc13 apparaissent donc nécessaires pour l’ancrage («docking») des VS à la membrane plasmique. Ces résultats montrent l’organisation des VS dans le bouton et à la zone active et posent la question de savoir comment elles bougent dans ce maillage de filaments

La grande majorité des essais cliniques de transfert de gènes in vivo utilise des vecteurs viraux. Si ces derniers sont efficaces, ils présentent des risques immunogènes, toxiques, voire mutagènes avérés. Les vecteurs synthétiques (non viraux), par leur grande modularité et leur faible toxicité représentent une alternative très prometteuse. Le principal frein à leur utilisation est leur manque d’efficacité. L’objectif majeur de ce travail de thèse a été de comprendre le mécanisme de transfert de gènes associé à différents complexes vecteurs synthétiques/ADN plasmidique, ce qui est indispensable pour une conception rationnelle de nouveaux vecteurs. Nous avons étudié, sur cellules en culture, le mécanisme de transfert de gènes associé à deux lipides cationiques ; le BGTC (bis(guanidinium)-tren-cholesterol) et la DOSP (DiOleylamine A-Succinyl-Paromomycine) qui sont connus pour être des vecteurs efficaces in vitro. Nous avons ainsi pu visualiser par microscopie électronique leurs voies d’entrée, leurs remaniements structuraux ainsi que leur échappement endosomal qui représente une étape clé du processus de transfert de gènes. L’identification non ambigüe des lipoplexes tout au long de leur trafic intracellulaire a été rendue possible grâce au marquage de l’ADN par des nanoparticules de silice dotées d’un cœur de maghémite (Fe2O3) dense aux électrons. Cette stratégie de marquage a également été appliquée à l’étude du mécanisme d’action d’un autre vecteur synthétique de type polymère, le copolymère à blocs non ionique P188 ou Lutrol. Contrairement à la plupart des vecteurs synthétiques, celui-ci présente une efficacité de transfection in vivo chez la souris par injection in situ pour le tissu musculaire ou en intra trachéale dans le poumon. En revanche, il est totalement inefficace in vitro. Nous avons montré que le Lutrol permet une augmentation de l’internalisation d’ADN par les cellules mais n’induit pas son échappement endosomal, ce qui expliquerait son absence d’efficacité in vitro. D’autres voies d’entrée sont alors à envisager in vivo pour comprendre son mécanisme d’action
The vast majority of clinical trials of gene transfer in vivo use viral vectors. Although they are effective, they induce immunogenic, toxic or mutagenic risks. Due to their high modularity and low toxicity, synthetic vectors (non viral), represent a promising alternative despite their lack of effectiveness. The major objective of this work was to understand the mechanism of gene transfer using two prototypic synthetic vectors, in the context of a rational design of new vectors. We studied on cultured cells, the mechanism of action of two cationic lipids; BGTC (bis(guanidinium)-tren-cholesterol) and DOSP (DiOleylamine A-Succinyl-Paromomycine) formulated with plasmid DNA (lipoplexes) which are in vitro efficient vectors. We have been able to visualize by electron microscopy, their intracellular pathways, their structural alterations and their endosomal escape, the latter being a key step in the process of gene transfer. The unambiguous identification of lipoplexes throughout their intracellular trafficking has been made possible thanks to the labelling of DNA by core-shell silica nanoparticles with an electron dense maghemite core (Fe2O3). The labeling strategy has also been applied to study the mechanism of action of a nonionic block copolymer (P188 or Lutrol). Interestingly, these synthetic vectors have an in vivo transfection efficiency in mice lung and muscle tissue while they are totally inefficient in vitro. We have shown that Lutrol induces an increase of DNA internalization into cells and fails to trigger endosomal escape, which would explain the lack of in vitro efficacy. These findings suggest that the in vivo mechanism of action of Lutrol would involve other internalization pathways

La sonde atomique et la microscopie électronique ont été utilisées parallèlement afin d'étudier la microstructure et la composition des joints de grains rectilignes et dentelés d'un superalliage à base nickel Astroloy. Les microanalyses à la sonde atomique ont révélé une ségrégation de bore, molybdène et un peu de carbone aux joints homophases ou hétérophases, dentelés ou rectilignes. Un important enrichissement en chrome est également observé aux joints '/'. La quantification de la ségrégation intergranulaire a pu être réalisée en utilisant la sonde atomique tomographique. L'épaisseur de la zone ségrégée a pu être estimée à environ 5A pour les joints dentelés. Les mécanismes de ségrégation ont été étudiés. En décomposant étape par étape le traitement thermique, nous avons montré que la majeure partie de la ségrégation intergranulaire avait lieu pendant le refroidissement entre 1150°C et 800°C. Concernant la comparaison entre joints rectilignes et joints dentelés, les taux de ségrégation par unité de surface sont les mêmes. Seul un changement dans la répartition spatiale des atomes au joint a été observé. Une étude des interfaces /' et de la composition de la phase dans un superalliage monocristallin (mc2) flué nous a permis de proposer une interprétation de la formation des plaquettes ' sous contrainte

Les agrégats de suie émis par les processus de combustion dans les turbines aéronautiques contribuent à modifier le bilan radiatif de l'atmosphère et la qualité de l'air. La connaissance de leurs caractéristiques physiques et chimiques est indispensable pour évaluer leur rôle dans les processus physico-chimiques atmosphériques et leur impact sur l'environnement et la santé publique. Dans ce contexte, notre étude vise à déterminer la taille et la morphologie d'agrégats de suie aéronautique à partir de mesures expérimentales menées en microscopie électronique en transmission (MET) et en tomographie électronique.Nous avons réalisé des clichés MET d'agrégats de suie émis par des turboréacteurs aéronautiques. Nous avons établi une méthode pour caractériser la morphologie des agrégats en déterminant leur allongement, leur compacité et la tortuosité de leur contour en analysant leur projection. Nous avons également développé un logiciel de traitement et d'analyse des images MET qui permet de reconstruire en 3D un agrégat à partir de ses projections et l'analyse de ses caractéristiques dimensionnelles et morphologiques à partir de sa reconstruction. Les résultats obtenus nous ont permis d'étudier la validité des relations liant les caractéristiques microphysiques 2D et 3D proposées dans la littérature et d'en proposer de nouvelles pour les agrégats étudiés.Ces résultats constituent la première caractérisation morphologique 3D d'agrégats de suie aéronautique à partir d'analyses par MET et tomographie électronique. Ils montrent que les propriétés morphologiques de ces agrégats ne permettent pas d'utiliser la méthode d'ensemble pour déterminer la dimension fractale massique
Soot aggregates emitted by aircraft engines' combustion processes are involved in the modification of the global radiative budget and the air quality. The knowledge of their physical and chemical characteristics is a prerequisite to any evaluation of the way they may act in the atmospheric physical and chemical processes and their impact on the environment and public health. In this context, our study aims at determining the size and morphological characteristics of aircraft soot aggregates on the basis of experimental measurements by transmission electron microscopy (TEM) and electron tomography.We have acquired TEM pictures of soot aggregates emitted by aircraft engines. We have established a method to characterize the morphology of these aggregates by determining their elongation, their compacity and the tortuosity of their edge. This method is based on the analysis of their TEM projection. Besides, we have developed a software to process and analyse TEM pictures. It allows to reconstruct aggregates from their projections and to determine their size and morphological characteristics. Our results have lead us to study the validity of the relationships linking the 2D and 3D microphysical characteristics presented in the literature and to suggest new ones for the studied aggregates.These results constitute the first 3D morphological and size characterizations of aircraft soot aggregates using TEM and electron tomography. They highlight the fact that the morphological properties of these aggregates do not fulfil the hypotheses required for the use of the collective method to determine the mass fractal dimension