Thèse Imagerie de l'Activité Électrique et Mécanique de Cellules à l'Aide d'Un Microscope Quantique à Centres Azote-Lacune dans le Diamant H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
Direction de la thèse : François TREUSSART ORCID 0000000217550688
Début de la thèse : 2025-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet vise à exploiter les centres NV dans le diamant comme capteurs quantiques pour étudier des systèmes biologiques, en particulier l'activité neuronale. Ces centres, sensibles aux champs électriques, magnétiques et à la température, combinés à la biocompatibilité du diamant, offrent une approche innovante pour sonder des phénomènes à l'échelle cellulaire.
L'équipe LuMIn développe un microscope quantique à diamant (QDM) basé sur la résonance de spin détectée optiquement (ODMR) des centres NV. Cet instrument devrait permettre de mesurer des champs électriques avec une résolution spatio-temporelle exceptionnelle (<1 µm, 1 ms), surpassant les technologies existantes. L'objectif est notamment d'imager l'activité électrique de neurones en culture et de mieux comprendre le rôle de l'électrodiffusion des neurotransmetteurs dans la transmission synaptique.
Un premier prototype de QDM a été conçu, combinant une fine couche de diamant dopé NV, un microscope optique inversé, des dispositifs laser et micro-ondes pour manipuler les spins, ainsi qu'un système de détection et de traitement des signaux. Les premières expériences ont montré qu'il était possible de cultiver des neurones sur des nanopiliers de diamant et elle ont aussi permis de définir des conditions optimales de mesure des champs électriques. Des tests sont en cours pour imager des champs appliqués via des électrodes.

Le projet de thèse proposé vise à surmonter plusieurs verrous identifiés : améliorer les propriétés quantiques de la couche dopée, stabiliser la charge négative des centres NV, et optimiser la sensibilité du capteur. En parallèle, le projet étend l'approche à la mesure de contraintes mécaniques dynamiques exercées par les cellules, en s'appuyant sur le fait que ces contraintes agissent comme des champs électriques effectifs dans le Hamiltonien décrivant le centre NV.

Pour la détection électrique, une structuration en nanopiliers (250 nm de diamètre, pas de 2 µm) a été développée afin d'augmenter la collection de la fluorescence et de guider la croissance neuronale. Cette géométrie devrait permettre de détecter des champs bien plus faibles que ceux générés par un potentiel d'action. Pour la détection de déformations mécanique, une configuration plus adaptée est envisagée, avec des centres NV situés à la base des nanopiliers afin de mesurer directement les contraintes induites par les forces cellulaires. Cette approche constitue une alternative prometteuse aux techniques classiques de microscopie de forces de traction, qui reposent sur l'analyse indirecte de déformations de substrats souples. Le capteur diamant permettrait une mesure directe, plus rapide et potentiellement plus sensible des forces cellulaires. Les estimations indiquent une sensibilité de l'ordre de 100 pN, largement suffisante pour détecter les forces typiques exercées par des cellules comme les cardiomyocytes.

En résumé, ce projet ambitionne de développer un outil de mesure quantique innovant pour l'imagerie des champs électriques et des contraintes mécaniques à l'échelle cellulaire, ouvrant de nouvelles perspectives pour la compréhension fine de processus biologiques.

Une première version du capteur, constitué d'un réseau de nano-piliers de diamant contenant des centres NV- couplé à un « microscope quantique » (doté de l'optoélectronique et des dispositifs microondes nécessaires à la manipulation quantique, ainsi que d'un détecteur matriciel avancé) [3,4] a été mise au point durant la thèse de Gizem YAPICI (2023-2026). Cette dernière est en train de s'achever par la validation de l'instrument consistant à imager un champ électrique d'amplitude connue.
La thèse vise à étendre la détection des paramètres biologiques dynamiques à celle des contraintes mécaniques exercées par des cellules sur leur substrat de culture. Pour cette étude nous utiliserons des cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines obtenues dans le cadre d'une collaboration locale.

La sensibilité des propriétés quantiques des centres azote-lacune (NV-) dans le diamant à des paramètres environnementaux tels que la température et le champ électromagnétique, combinée à la biocompatibilité du matériau, offre des possibilités d'applications inédites pour la caractérisation fonctionnelle de systèmes biologiques [1,2]. L'équipe du LuMIn développe un capteur quantique, exploitant la résonance de spin détectable optiquement (ODMR) de centres NV- dans le diamant pour imager l'activité électrique de neurones en cultures avec une résolution spatio-temporelle (<1 µm, 1 ms) supérieures à celle de toutes les technologies existantes.

Le capteur NV-diamant actuel est constitué d'une couche d'épaisseur <1 µm fortement dopées en centres NV (à la concentration de 1 ppm) en surcroissance sur un substrat de diamant ultrapur (dépôt en phase vapeur) fabriquée par le laboratoire LSPM (CNRS, Villetaneuse), l'ensemble atteignant une épaisseur de 80 µm après polissage, pour une observation en configuration de microscopie inversée, des cellules mises en culture par-dessus. L'enrichissement du diamant en 12C permet d'allonger la durée de cohérence de la phase (T2*) du spin électronique du NV- et ainsi d'obtenir une meilleure sensibilité. Cependant les échantillons fournis jusqu'à présent ne donnent pas entière satisfaction et nous nous tournons vers un autre partenaire (Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Freiburg, Allemagne) pour la fourniture d'échantillons plus performants.

Un premier objectif de la thèse consistera ainsi à valider les meilleures performances des échantillons du LSPM et de l'IAF dans le cadre de notre application, en mesurant notamment leur sensibilité à un champ électrique connu d.c. et a.c. appliqué avec des électrodes : études en régime d'excitation continue des centres NV- (cw-ODMR), puis en régime impulsionnel (franges de Ramsey ou échos de Hahn).

Le deuxième objectif sera la nanostructuration et la stabilisation de la charge négative du centre NV (qui sera menée au C2N). La lithographie par faisceau d'électrons, associée à une gravure ionique réactive, sera utilisée pour structurer des réseaux de nanopiliers. Pour la détection du champ électrique, le centre NV doit être aussi proche que possible de la source. Nous visons à obtenir des piliers de 1 µm de haut dont seule la partie supérieure de 500 nm sera dopée. Pour la détection de contraintes, le nanopilier seront structurés en nitrure de silicium (Si3N4) par dessus la couche active de diamant, et nous envisagerons de graver la couche de diamant (dopée avec des centres NV sur 500 nm d'épaisseur) entre les piliers afin d'obtenir des nanopiliers en Si3N4 avec du diamant dopé NV à leur base et nulle part ailleurs. Enfin, comme la charge négative du centre NV peut être piégée par des défauts de surface (entraînant la perte des propriétés quantiques), nous fonctionnaliserons la surface du diamant par un élément électronégatif, en particulier le fluor [10,11] (via un plasma de CF4), ou l'oxygène, et nous identifierons ensuite les liaisons C-F ou C-O par spectroscopie de photoémission X.

Le troisième objectif sera d'observer les activités biologiques. Le microscope quantique est déjà équipé d'une enceinte d'incubation permettant l'imagerie de cellules vivantes. Des neurones primaires d'hippocampe de souris (disponible au LuMIn) seront mis en culture sur les capteurs diamant sélectionnés. Si aucune activité spontanée n'est détectée, une stimulation sera effectuée à l'aide d'électrodes externes. Pour l'imagerie de l'activité contractile de cardiomyocyte, nous tirerons parti d'une nouvelle collaboration avec G. Pidoux du laboratoire « Signalisation et physiopathologie cardiovasculaire » de l'Inserm, UMR-S 1180, situé à la faculté de pharmacie de l'Université Paris-Saclay (à environ 500 mètres de LuMIn). Il s'est engagé à nous fournir des cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines [12] et à mettre au point le protocole permettant de les cultiver sur les nanopiliers de diamant. Une stimulation externe sera nécessaire.