Les groupements protecteurs photolabiles sont utilisés pour de nombreuses applications, notamment en neuroscience pour la libération de neurotransmetteurs avec un contrôle spatio-temporel très fin. La démocratisation des lasers pulsés infrarouges a permis la mise au point de nouveaux composés sensibles à l’excitation à deux photons, de plus en plus efficace. Cependant, l’ingénierie moléculaire des cages n’est pas la seule méthode qui peut être utilisée pour améliorer l’efficacité des de ces composés. Mon travail de thèse a ainsi abordé cette problématique sous l’angle de la nanostructuration de groupements protecteurs photolabiles sensibles à l’excitation à deux photons. Nous avons débuté cette étude avec des composés de petite taille (dimère et tétramère) basés sur des groupements photosensible type ortho-nitrophénéthyle. Nous avons ensuite fonctionnalisé des dendrimères de type polyamidoamine, cependant les propriétés photophysiques et photochimiques de ces nouveaux composés suggèrent que des interactions intramoléculaires perturbent l’efficacité de la réaction de photolibération. Des dendrimères partiellement fonctionnalisés ont ensuite été envisagés. / Photosensitive protecting groups have been used for many applications, including neuroscience for the release of neurotransmitters with an amazing spatio-temporal control. New compounds sensitive to two-photon excitation were developed with the spread out of pulsed infrared lasers. However, cages molecular engineering is not the only way to improve such compounds. This manuscript focuses on nanostructuration to improve the overall efficiency of two-photon sensitive protecting groups. We started our study with small compound as dimer and tetramer based on the ortho-nitrophenethyl architecture. Next, polyamidoamine dendrimers were tested, but photophysics and photochemistry properties of these new compounds suggest that intramolecular interactions disturb photochemical reaction. Synthesis of partially functionalized dendrimer was considering in a next step.

L’étude des phénomènes biologiques et notamment du rôle des protéines au sein d’un mécanisme cellulaire est un défi pour les biologistes. L’avènement de la microscopie de fluorescence à excitation biphotonique et des techniques « super-résolutives » a permis l’amélioration des performances des techniques de microscopie classiques et l’application l’imagerie in vivo pour l’analyse des tissus biologiques. Ces techniques requièrent cependant l’emploi de sondes aux propriétés photophysiques optimisées en complément de la spécificité vis-à-vis de la ou des cible(s) biologique(s). L’epicocconone, une molécule naturelle profluorescente de la famille des azaphilones, est employée en protéomique pour la détection des protéines sur gel d’électrophorèse. Ce composé a la faculté de réagir avec les amines des résidus lysine des protéines pour former un adduit covalent énaminone hautement fluorescent dans le proche infrarouge (610 nm) sous irradiation UV (395 nm) ou visible (520 nm). Différents analogues synthétisés au sein du laboratoire ont permis d’étudier la relation structure-fluorescence de ces composés capables de détecter non spécifiquement les protéines du milieu étudié. Afin d’améliorer la spécificité de ces molécules en vue d’applications en imagerie, la synthèse de sondes polyfonctionnelles, via une réaction de cycloaddition 1,3 dipolaire azoture-alcyne catalysée au cuivre, associant un analogue de l’epicocconone à un agent de reconnaissance possédant une affinité particulière pour une cible biologique a été étudiée. La synthèse d’analogues de l’epicocconone optimisés pour l’absorption biphotonique a également été réalisée lors de cette thèse. Les propriétés optiques linéaires et non linéaires de ces composés ont été étudiées afin de sélectionner le meilleur composé pour des applications en imagerie par microscopie de fluorescence à excitation biphotonique. Enfin, la réactivité particulière des azaphilones a servi de point de départ au développement d’une stratégie d’identification et d’isolement de nouvelles molécules naturelles azaphiles grâce à l’utilisation de sondes à produits naturels capables de cibler spécifiquement ce type de composés. / Understanding biological processes that involve proteins is a challenge for biologists. Two-photon excitation and super-resolution microscopy have improved drastically bioimaging techniques allowing in vivo deep tissue analysis. However those techniques require the use of optimized and selective fluorescent probes. Epicocconone is a natural profluorescent azaphilone widely used in proteomics for detecting proteins on electrophoresis gels. This compound can react reversibly with primary amines from lysines forming a covalent enaminone adduct that emits near infrared fluorescence light (610 nm) upon UV (395 nm) or visible (520 nm) excitation. Different analogues, that non-selectively bind to proteins, were previously synthesized in order to understand the structure-fluorescence relationship. The synthesis of polyfunctionnal probes was studied using copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition to connect the epicocconone scaffold to a recognition moiety, which can specifically recognise one biological target. New analogues optimized for two-photon absorption were synthesized. Their linear and non-linear optical properties were determined to select the most suitable molecule for two-photon excitation microscopy.In a last part, the particular reactivity of azaphilones was also regarded as a useful strategy for designing probes which could react specifically with azaphilic natural products in order to identify and isolate new ones

Ce travail concerne l'ingénierie de nouveaux systèmes supramoléculaires à base de ligands phosphorés fluorescents en vue de la réalisation des nouveaux matériaux optiques et de la détection de métaux lourds. Deux nouvelles séries de chromophores de type donneur-accepteur contenant des motifs phénylacétylène et une fonction oxyde ou sulfure de phosphine ont été synthétisées en utilisant le couplage de Sonogashira comme étape clé. Elles possèdent des rendements quantiques de fluorescence élevés ainsi qu'un transfert de charge efficace à l'état excité. Les oxydes de phosphine fluorescents présentent également des propriétés intéressantes en absorption à deux photons et en optique non linéaire. Nous avons également synthétisé des nouveaux ligands bidentes de type oxyde ou sulfure de phosphine pour la détection de métaux lourds polluants. Les chélates d'oxydes de phosphine complexent efficacement le plomb et le cadmium dans un mélange CH3CN/CHCl3. Ils offrent également la possibilité de la détection par fluorescence par absorption à deux photons. Les chélates de sulfures de phosphine présentent de très bonne sensibilité et sélectivité pour le mercure dans un milieu partiellement aqueux. D'autre part, les chélates d'oxydes de phosphine permettent une bonne sensibilisation des ions lanthanides par un transfert d'énergie du ligand vers le métal complexé. Une étude complète du transfert d'énergie de l'un des ligands vers l'ion europium a été réalisée.

L’avènement des lasers impulsionnels nanosecondes à femtosecondes a permis un développement rapide de techniques permettant de sonder et/ou de transformer les matériaux à l’échelle locale par des processus d’absorption non linéaire. Ce saut technologique a vu l’émergence de nombreuses applications associées au phénomène de confinement spatial. La stéréolithographie 3D par photopolymérisation biphotonique constitue un exemple typique d’application à forte valeur ajoutée qui offre de prometteuses perspectives en terme d’écriture à l’échelle nanométrique. Un enjeu fondamental constitue alors l’élaboration de nouveaux photoamorceurs très réactifs et activables à deux photons. Dans ce contexte, ce manuscrit présente une étude photophysique et photochimique de deux séries de photoamorceurs biphotoniques ‘Donneur/Accepteur’ intégrants des stilbènes comme relais électroniques avec pré-organisation dans des structures bichromophores. Les processus primaires photoinduits, les mécanismes de photoamorçage, la photoréactivité à l’echelle locale sont décrits et étudiés méthodiquement. Enfin, le potentiel appliqué de cette nouvelle génération de photoamorceurs est mis en évidence en microfabrication multiphotonique à travers l’élaboration de structure 3D à l’échelle µm. / The advent of pulsed laser technologies has promoted the rapid growth of new emerging research domains which aim at probing and/or transforming materials at local scale using non linear absorption processes. A large range of applications takes benefit of the inherent spatial containment observed in non linear absorption processes so as to control photoreactions at nm-scale. The field of multiphoton fabrication (or stereolithography) addresses this fundamental issue and has developed rapidly so that it is no longer a rapid prototyping technology but a real manufacturing technique that is commercially available. The development of multiphoton stereolitography also requires highly reactive two-photon activable (2PA) initiators whose design and elaboration are the subject of considerable molecular engineering research. In this context, the present manuscript describes the photophysical and photochemical properties of two series of 2PA initiators. Such novel D--A structures have be designed by associating distinctive Donor and Acceptor groups into stilbene arms used as ‘electron relay’ and organized into a (multi)branched architecture. The photoinduced primary processes, the global photoinitiating mechanisms as well as the photoreactivity are described methodically. We finally demonstrate the applied potential of this new type of two-photon initiators in multiphoton stereolitography.

Ce travail présente la mise en œuvre du test par faisceau laser TPA pour l’étude de la sensibilité au phénomène SEB dans les diodes schottky en carbure de silicium. Le contexte de l’étude est décrit par un état de l’art du SEB sur les MOSFETs et Diodes en Silicium et en carbure de silicium. Une étude technologique et structurelle des composants en SiC a permis de dégager les avantages du SiC par rapport au Si conventionnel et a permis d’analyser les dégâts causés par le faisceau TPA. L’utilisation du montage expérimental sur la plateforme ATLAS dédié spécifiquement au test de matériaux à grand gap a permis de mettre en place une méthodologie de test sur des diodes schottky en SiC. L’efficacité de cette méthodologie est prouvée par l’obtention de résultats expérimentaux très originaux. La susceptibilité au SEB induit par la technique laser TPA a été démontrée. Les mesures SOA ont permis d’évaluer la robustesse des diodes schottky SiC face aux événements singuliers. Une modélisation analytique a été menée afin de comprendre la cause du mécanisme du SEB et la localisation des défauts induits par le faisceau TPA. / This work presents the implementation of the TPA laser beam testing to study the SEB phenomenon in silicon carbide Schottky diodes. The context of the study is described by a state of the art of SEB on Si and SiC MOSFETs and Diodes. Technological and structural study of SiC components has identified the benefits of SiC compared to conventional Si and permits to analyze the damage caused by the TPA beam. Using the experimental setup of the ATLAS platform dedicated specifically to test large gap materials has set up a test methodology on SiC Schottky diodes. The effectiveness of this methodology is demonstrated by obtaining original experimental results. Susceptibility to SEB induced by TPA laser technique has been demonstrated. SOA measurements were used to assess the robustness of SiC Schottky diodes to single event effects.An analytical modeling was conducted to understand the cause of the SEB mechanism and the location of defects induced by the TPA beam.

Développer de nouveaux fluorophores ayant une forte section efficace d’absorption à deux photons (ADP) et des propriétés d'émission dans le rouge lointain est important, en particulier pour l’imagerie in-vivo profonde. Cette gamme de longueur d'onde correspond en effet à la fenêtre de transparence optique des tissus. Cette thèse étudie le potentiel de nouveaux fluorophores émettant dans rouge construits sur un noyau fluorène pour la microscopie à deux photons in-vivo, en privilégiant l'imagerie du système vasculaire, d'une part, et la mesure optique de la pression d'oxygène dissous, d'autre part.Ainsi, une famille de chromophores asymétriques a été conçue et synthétisée. La plupart des chromophores présentent une forte émission dans le proche IR, induite par l'agrégation. De plus, une stratégie de co-protection basée sur un système micellaire / silice a été utilisé pour préparer des nanoparticules avec un intérieur apolaire et conserver les propriétés optiques des chromophores dipolaires en solution aqueuse. Des mesures de fluorescence excitée à deux photons ont été menées en solvant organique et en suspension aqueuse. Les agrégats et les nanoparticules ont été utilisés avec succès en imagerie biphotonique du système vasculaire sur petit animal en utilisant un modèle de tumeur à l'intérieur de la peau de l'oreille de la souris. Les nanoparticules de silice montrent une coloration exceptionnelle du système vasculaire qui en fait de parfaits marqueurs du système vasculaire.Dans un deuxième temps, quatre nouveaux chromophores, absorbant à deux photons, ont été synthétisés et leurs propriétés photo physiques à un et à deux photons ont été étudiées. Le chromophore le plus adapté a ensuite été greffé de manière covalente par chimie click, à un complexe de palladium avec un ligand porphyrine, cœur phosphorescent dont l’émission est sensible à la présence d’oxygène. Deux composés contenant quatre ou huit absorbeur à deux photons ont été obtenus et étudiés. Les résultats démontrent que l'incorporation d'un chromophore ADP approprié peut effectivement augmenter les propriétés d’ADP du système, ce qui permet une sensibilité efficace vis-à-vis de l'oxygène. / The development of fluorophores with efficient two-photon absorption (TPA) and emission properties in the far red/NIR is important, especially for in depth in-vivo optical imaging as this wavelength range corresponds to the optical transparency window of tissues. This thesis investigates the potential of new red emitting fluorophores containing a fluorene ring for in-vivo two-photon microscopy focusing on vascular imaging on one hand and on oxygen pressure measurement on the other hand.A new series of asymmetrical fluorene-based chromophores were designed and synthesized. Their structure-property relationships were systematically investigated. It was found that most of chromophores exhibit aggregation-induced emission behaviors in the NIR region. In addition, a micelle/silica coprotection strategy was proposed to prepare nanoparticles with a less polar interior, which can be used to conserve optical properties of dipole chromophores in aqueous solution. The two-photon excited fluorescence (TPEF) measurements indicate that they all display obvious TPA activities in organic solvent and aqueous suspension. Both the NIR-emissive aggregates and nanoparticles have been successfully used for TPEF imaging of blood vessels inside mouse ear skin. The silica nanoparticles show outstanding staining of the vascular system making them perfect blood pool markers.On a second part, four new fluorene-based two-photon absorbing chromophores have been synthesized and their one- and two-photon photophysical properties were investigated. The optimum chromophore was successfully attached covalently to an oxygen responsive phosphorescent Pd-porphyrin complex by click chemistry. Two new compounds contain four or eight TPA chromophores donor connected to the phosphorescent core. The result demonstrate that the incorporation of a suitable TPA chromophore can effectively enhance the TPA of the system, allowing efficient sensitivity towards oxygen.

La structuration des réseaux neuronaux est un processus fondamental qui assure le bon fonctionnement du cerveau. Afin de comprendre la formation et l’activité de ces réseaux, nous souhaitons développer une méthode qui permette de contrôler in vivo sous l’action de la lumière l'expression de gènes ciblés impliqués dans ce phénomène,à l’échelle d’une cellule neuronale individuelle. Pour ce faire, nous utilisons une réaction de photo-clivage permettant de libérer de façon contrôlée un inducteur d’expression de gène sous l’action de la lumière, à l’aide de groupements photo-labiles sensibles aux excitations bi-photoniques développés au laboratoire et favorables aux applications in vivo. Afin de photo-réguler l'expression des gènes in vivo et avec un contrôle spatiotemporel élevé, nous combinons le système d’expression de gène inductible par la tétracycline « Tet-on » à une variété de précurseurs photo-activables d’analogues de tétracycline que nous avons synthétisés. Ceci devrait nous permettre de disposer d’un système efficace pour l’expression in vivo d’un gène d’intérêt par excitation lumineuse,et plus précisément dans le but de photo-réguler le gène Kir2.1 impliqué dans la régulation de l’activité électrique des neurones. / The structural neural network’s is a fundamental process that ensures the proper functioning of the brain. To understand the formation and activity of these networks, we are developing a method which spatio-temporally controlled in vivo, the expression of targeted genes involved in this process at individual neuron cells scale by light. To achieve this in vivo tests, it is necessary to work with methods which are orthogonal to their cellular environment. Photochemical activation by photo-cleavage of an inert biological precursor offers a unique orthogonal way to attain this spatio-temporal control. Therefore, we have recently developed a new family of photoremovable group which are sensitive to two-photon (TP) excitation sensitive, in order to irradiate at favorable wave-lengths for in vivo applications. Moreover, to photo-regulate the expression of genes with high spatial and temporal resolution, we are combining the inducible gene expression system by tetracycline called « Tet-on » system to different photo-activable precursors of tetracycline analogs obtained by hemi-synthesis. All this, should allow us to get an effective system for the in vivo expression of a gene of interest by light excitation in order to photoactivate Kir2.1, a gene that cell autonomously silences the electrical activity of neurons in a subset of cells.

Ce travail intitulé " Libération du monoxyde d'azote induite par deux photons à partir de complexes ruthénium-nitrosyle contenant des ligands de capacités push-pull différentes " a été consacré à l'étude des principaux facteurs qui déterminent l'efficacité des complexes ruthénium- nitrosyles (Ru(NO)) dans l'absorption à deux photons (ADP) et à l'amélioration de leur section efficace ADP par modification de la nature et de la structure de leurs ligands. A partir de complexes précédemment obtenus dans le groupe de recherche du Prof. I. Malfant, nous avons effectué diverses modifications structurales. Il a été montré que la substitution des ligands monodentes par la 2,2'-bipyridine dans les complexes de Ru(NO) conduit à une légère augmentation de la section efficace, mais cette modification diminue le rendement quantique du relargage du monoxyde d'azote NO. La partie synthétique du travail a principalement porté sur la modification du ligand. / The work "Two-photon induced photorelease of nitric oxide from ruthenium-nitrosyl complexes containing ligands of various push-pull capabilities" was devoted to the revealing of main factors that determine the efficiency of ruthenium-nitrosyl complexes in two-photon absorption (TPA) and the improvement of TPA cross-section through modification of the ligands nature and their structure. Starting from complexes previously obtained by the research group of Prof. I. Malfant, we have modified their structure in several directions. It was shown that substitution of monodentate ligands by 2,2'-bipyridine in ruthenium complexes with nitrosyl ligands leads to a slight increase of their TPA cross- section, however this modification decreases the quantum yield of the nitric oxide photo release. Synthetic part of the work was mainly aimed at the modification of the ligand.

Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d'impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d'impulsions THz par redressement optique d'impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l'impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l'absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d'accord de phase induite par les porteurs chauds. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d'impulsions laser femtosecondes mises en forme à l'aide d'un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d'une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience.

Ce travail porte sur deux sujets distincts qui illustrent les relations entre l'optique non linéaire et les matériaux organiques (en particulier ceux qui comportent des structures de taille micrométrique). Dans une première partie, nous nous intéressons aux propriétés optiques quadratiques de matériaux novateurs: des couches minces sol-gel incluant des nanocristaux organiques. Pour que ce type de matériau donne lieu à des processus non-linéaires quadratiques, un ordre non centrosymétrique macroscopique doit être créé en son sein. C'est pourquoi nous avons étudié la possibilité d'orienter ces nanocristaux en appliquant un champ électrique. À l'aide du signal de second-harmonique généré, nous pouvons suivre le processus de polarisation. Cela a permis de dégager les phénomènes qui interviennent dans la création et la relaxation de l'ordre polaire et de mettre en évidence les paramètres du matériau qui limitent l'efficacité et la stabilité de la réponse non-linéaire obtenue. Dans la deuxième partie, nous mettons à profit un processus non-linéaire du 3\ieme ordre, l'absorption à deux photons, pour fabriquer par polymérisation des objets tridimensionnels avec une résolution submicronique. Nous montrons qu'une approche d'ingénierie moléculaire des photoinitiateurs permet d'améliorer l'efficacité de ce processus, ce qui rend l'utilisation de lasers de puissance crête modérée envisageable pour la microfabrication. Une analyse de la cinétique de la polymérisation nous éclaire sur le rôle des caractéristiques de la résine (photoinitiateur et monomère) et des conditions d'irradiation (intensité lumineuse et temps d'exposition) sur la progression des réactions de polymérisation et la résolution spatiale des structures fabriquées.