Les performances de la microscopie biphotonique sont fortement corrélées au développement de marqueurs fluorescents spécifiques. Dans le cadre d'un précédent travail, les dérivés triphénylamines (TP) substitués par des groupements cationiques vinyl-pyridinium, se sont révélés être des candidats particulièrement intéressants : bonne solubilité dans l'eau, taille réduite, photostabilité élevée, forte brillance moléculaire, exaltation de fluorescence en présence d'ADN, émission dans le rouge... L'objectif du travail présenté a consisté à la fois à mieux comprendre l'origine de ces propriétés assez rarement réunies et à explorer les voies d'optimisation potentielles. Dans ce but, nous avons mis en place un banc de microscopie de fluorescence à deux photons résolue en temps. Différents dérivés ont été étudiés de façon à établir des corrélations entre leurs structures et leurs propriétés. De même, différents environnements ont été considérés (tampon, ADN naturel et de synthèse). Nous avons pu mettre en évidence que les dérivés TP interagissent spécifiquement avec l'ADN, vraisemblablement via une insertion dans le petit sillon du double brin d'ADN. Cette insertion entraine une très forte restriction des mouvements intramoléculaires ainsi qu'un changement d'environnement du fluorophore (passage d'un environnement aqueux propice à des effets dits de " quenching" à un environnement organique) : il en résulte, à la fois, une réduction du taux de relaxation non radiative et une augmentation du taux de relaxation radiative. Afin de pouvoir caractériser ces interactions fluorophore-ADN à l'échelle nanométrique, des études complémentaires de microscopie à effet tunnel (STM) sous UHV ont également été entreprises sur ces dérivés. Nous avons par ailleurs essayé de tirer parti des interactions spécifiques TP-ADN pour immobiliser l'ADN sur des substrats d'or atomiquement plans.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la synthèse et l'étude des propriétés spectroscopiques et électrochimiques de systèmes donneur-accepteur conçus pour des applications variées telles que l'électrofluorochromisme, l'absorption à deux photons et le photovoltaïque. La s-tétrazine a été choisie comme accepteur pour sa forte affinité électronique, ses propriétés émissives remarquables et sa capacité à s'organiser via des interactions intermoléculaires de type &#61552--stacking. La triphénylamine a été sélectionnée comme donneur pour son faible potentiel d'ionisation, ses propriétés spectroscopiques (fortes absorption et émission) et la modulation facile de ses propriétés par changement de substituants. Sept dérivés de triphénylamine ont été synthétisés ainsi que dix-huit nouveaux composés multichromophoriques à base de tétrazine et de triphénylamine présentant cinq liens différents et des substituants variés. Ils ont été caractérisés par électrochimie et spectroscopie (stationnaire et résolue en temps). L'étude de la modulation de leurs propriétés photophysiques par le changement de l'état rédox a ensuite été réalisée. Dix composés présentant un lien permettant la conjugaison entre la triphénylamine et la tétrazine ont été synthétisés et caractérisés par électrochimie et spectroscopie. Compte-tenu de leurs propriétés, six d'entre eux ont été testés en absorption à deux photons et deux ont étés retenus pour être utilisés comme donneurs dans une cellule photovoltaïque organique. Par ailleurs, deux réactions ont été étudiées en détail pour expliquer la formation des produits obtenus, inattendus à un premier abord.

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.

Une grande partie des chimistes puisent leur inspiration auprès de la biologie. C’est le cas des chercheurs en chimie supramoléculaire, qui travaillent sur l’élaboration de récepteurs moléculaires synthétiques capables d’effectuer des reconnaissances moléculaires envers des substrats d’intérêt biologiques. Le but est ainsi de mimer l’activité des protéines naturelles, en vue d’applications cliniques.L’unité cyclotribenzylène (CTB) est une structure de symétrie C3 qui possède des propriétés complexantes intéressantes. Un CTB relié à une deuxième unité complexante par trois bras espaceurs constitue la famille des hémicryptophanes. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur l’élaboration de récepteurs moléculaires basés sur cette unité CTB. Dans un premier temps nous avons développé une nouvelle méthode de synthèse d’hémicryptophane énantiopurs à l’échelle du gramme en vue d’effectuer des reconnaissances stéréosélectives de neurotransmetteurs chiraux. Nous avons ensuite développé des récepteurs CTB et hémicryptophanes combinant la chiralité du CTB et du groupement binaphtol. La configuration absolue des unités chirales ont été déterminées par une méthode de corrélation chimique. Ces récepteurs ont été utilisés pour réaliser des expériences de reconnaissance stéréosélective de saccharide et de bonnes diastéréosélectivités ont été obtenues. Enfin, nous avons travaillé sur l’élaboration d’une voie de synthèse d’hémicryptophanes fluorescents capables de subir des excitations bi-photoniques dans le but d’effectuer des expériences de suivi dans l’espace et dans le temps de substrats d’intérêt biologiques en milieu in-vivo. / Biology is an inspiration for chemists. Especially for the field of supramolecular chemistry, which one of the aim is to develop synthetic molecular receptors capable of molecular recognition to biological substrates, to mimic the activity of natural proteins for clinical applications.Cyclotribenzylene unit (CTB) is a C3-symmetry structure which present interesting recognition properties. When a CTB is connecting to another molecular unit by three spacers arms, it forms an hemicryptophane receptor. During this thesis, we worked on elaboration receptors based on CTB unit. First, a new way of enantiopure hemicryptophane synthesis on gram scale has been developed for stereoselective recognition of chiral neurotransmitters. Then receptors based on chirality of CTB and binaphthol unit has been developed. Assignment of absolute configuration of chiral unit was determined by a chemical correlation. Stereoselective recognition of carbohydrates by these receptors revealed good diastereoselectivity. Finally, a synthetic pathway leading to fluorescent hemicryptophanes was developed for bi-photonic excitation in order to realize in-vivo experiments of tracking biological substrates.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes à base de lanthanide pour la microscopie optique biphotonique. Cette technique d’imagerie complémentaire à l’IRM et au scanner permet une analyse rapide et facile de tissus épais. Afin de permettre l’observation en profondeur, l’absorption et l’émission de la sonde doit se situer dans la zone de transparence biologique [700 – 1200 nm]. L’absorption à deux photons (ADP) est un phénomène d’optique linéaire de troisième ordre par lequel l’état excité est atteint par absorption simultanée de deux photons. De fait, l’excitation à énergie moitié se situe dans la zone de transparence biologique. Les sondes envisagées combineraient les propriétés optiques uniques des lanthanides, telles que des bandes d’émission très étroites allant du visible à l’infrarouge et des durées de vie de luminescence longues, et les avantages de l’ADP, permettant une excitation dans l’IR et une résolution tridimensionnelle. Dans ce contexte, cette thèse décrit l’élaboration de complexes d’europium et d’ytterbium à ligands macrocycliques stables en milieu aqueux et dont la luminescence peut être sensibilisée à deux photons. Ces complexes ont permis l’imagerie de la vascularisation de cerveaux de souris par microscopie biphotonique dans le proche infrarouge. La seconde approche consiste à encapsuler un complexe luminescent dans des nanoparticules desilice formées par la technique sol-gel (collaboration A. Ibanez, institut Néel, Grenoble) afin de protéger le complexe du milieu biologique. Enfin la dernière approche consiste à greffer des complexes de lanthanides à la surface d’une particule de silice par chimie organométallique de surface. Ces travaux ont conduit à la formation de nano-objet très brillants dans le rouge et le proche infrarouge, détectables à l’échelle de l’objet unique par microscopie à deux photons. / Two Photon Scanning Laser Microscopy (TPSLM) has evolved as an emerging bio-imaging technique widely used in academic research and in medical diagnosis. This technique requires the design of bioprobes specially optimized for such purpose. A particular attention is actually devoted bio-probes featuring both two-photon absorption (TPA) and emission in the near infra-red (NIR) spectral range [700 – 1200 nm], also called biological window that is particularly promising for thick tissues imaging. In this context, europium complexes emitting in the red (615 nm) has been recently sensitized by two photon antenna effect and used for TPSLM in cells combining the advantages of lanthanide emission (sharp line and long lived) and those of TPA. Based on this preliminary results, this thesis describe the design of europium and ytterbium complexes which have an improved stability in water and good emission properties sensitized by TPA. Theses complexes allow the imaging of mice’s brain vascularisation in the NIR. An another approach to stabilize lanthanide complexes was also used by encapsulating theses fluorophores in silica nanoparticle (collaboration with A. Ibanez, Institut Néel, Grenoble). Then the last approach consists on the grafting of the chromophores on silica sphere using surface organometallic chemistry methods. The nanoparticles obtained by both way are really luminescent in the red or infrared and can be imaged as single nanoparticle by TPSLM.

Depuis les années 60, la génération d’acide fort de Brönsted par un processus photoinduit à un photon est utilisée dans des nombreux domaines de recherche de plus en plus nombreux. Cependant, de tels acides peuvent-être facilement obtenus par voie biphotonique ce qui présente de nombreux avantages comme par exemple : une meilleure réactivité via une excitation direct du photoacide, l’utilisation possible d’une atmosphère non contrôlée, l’utilisation de microlasers à impulsions sub-nanosecondes peu couteux, mais aussi l’augmentation de la résolution spatiale des micro-objets 3D fabriqués. La génération d’acide se fait généralement par transfert d’électron entre un sensibilisateur et un générateur de photoacide (PAG). Une approche prometteuse consiste à associer, sur une même molécule, un PAG et un chromophore actif à deux photons. Il a donc semblé intéressant de développer de nouveaux PAG capables, par excitation biphotonique, d’amorcer directement la photopolymérisation. Nous avons choisi de préparer des systèmes capto-datifs stilbéniques, de nature neutre ou ionique. Aussi, une série de PAG neutres substitués par des groupements diphénylamino- donneur et iminosulfonates -cyanés accepteurs a été synthétisée. Nous avons également commencé, mais non achevé, la synthèse de PAG neutres portant des groupements iminosulfonates -trifluorométhylés. Puis, nous avons cherché à synthétiser des PAG ioniques substitués soit par un groupement éthoxy soit par un groupement diphénylamino soit par un groupement julolidine. Néanmoins, la dernière étape de la synthèse est pour l’instant un verrou synthétique. / Since the 60’s, the generation of strong Brönsted acids by a one-proton photoinduced process has been used in more and more research areas. Recently, it has been shown, that such acids are easily obtained by a two-photon process. This offers many advantages such as: i) a better reactivity owing to a direct excitation of the photoacid, ii) the possible use of a non-controlled atmosphere, iii) the use of inexpensive microlasers with sub-nanosecond impulsions, iv) the increase of spatial resolution in 3D microfabrication. The acid generation generally proceeds through a photo-induced electro transfer from an excited sensitizer to the photoacid generator (PAG). A promising approach should be the introduction on a single molecule of both a PAG and a two-photon active chromophore moiety. In this context, we have developed new PAGs able to initiate photopolymerisation through a two-photon activation process. The syntheses were focused on stilbenic push-pull systems having either a neutral or an ionic nature. A series of neutral PAGs bearing a diphenylamino donor group and an α-cyano iminosulfonate acceptor moiety has been synthesized. The preparation of neutral PAGs bearing iminosulfonate α-trifluoromethylated groups were not yet completed. The syntheses of ionic PAGs substituted by an ethoxy group, a diphenylamino group or a julolidine one, could not be completed either.

La fluorescence excitée à deux photons est actuellement largement utilisée pour l'imagerie de tissus biologiques, mais la faible sensibilité des fluorophores utilisés en microscopie confocale (excitation à un photon) à une excitation à deux photons (ADP) rend nécessaire la conception et la synthèse de nouveaux fluorophores spécifiques pour la microscopie de fluorescence par excitation bi-photonique (MFEB). Mon travail de thèse a ainsi porté sur l'ingénierie moléculaire (conception, synthèse et caractérisations) de nouveaux fluorophores pour la MFEB. Nous nous sommes particulièrement intéressés à des systèmes unidimensionnels (1D) de petite taille comportant des systèmes π étendus autour d'un cœur rigide (dicétopyrrolopyrrole ou DPP) et entourés de différents systèmes électro-actifs. Nous avons modifié par la suite les fluorophores précédents de manière à pouvoir les conjuguer à des molécules d'intérêt biologique, comme des protéines. Ces fluorophores bio-conjugables ont été greffés sur un peptide du virus HIV étudié au laboratoire : TAT (Trans-Activator of Transcription). L'imagerie par microscopie biphotonique a été effectuée avec succès sur des cellules HeLa. Nous nous sommes ensuite tourné vers la mise au point de nouvelles sondes multimodales pour associer la MEBP à une autre modalité d'imagerie : la résonance magnétique nucléaire et la microscopie électronique (imagerie corrélative). Pour ce faire nous avons développé des colorants fluorescents par excitation bi-photonique comportant une entité paramagnétique ou dense aux électrons (nanoparticules de magnétite, ion gadolinium III ou atomes lourds comme le platine et l'or).

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la synthèse et l’étude des propriétés spectroscopiques et électrochimiques de systèmes donneur-accepteur conçus pour des applications variées telles que l’électrofluorochromisme, l’absorption à deux photons et le photovoltaïque. La s-tétrazine a été choisie comme accepteur pour sa forte affinité électronique, ses propriétés émissives remarquables et sa capacité à s’organiser via des interactions intermoléculaires de type &#61552--stacking. La triphénylamine a été sélectionnée comme donneur pour son faible potentiel d’ionisation, ses propriétés spectroscopiques (fortes absorption et émission) et la modulation facile de ses propriétés par changement de substituants. Sept dérivés de triphénylamine ont été synthétisés ainsi que dix-huit nouveaux composés multichromophoriques à base de tétrazine et de triphénylamine présentant cinq liens différents et des substituants variés. Ils ont été caractérisés par électrochimie et spectroscopie (stationnaire et résolue en temps). L’étude de la modulation de leurs propriétés photophysiques par le changement de l’état rédox a ensuite été réalisée. Dix composés présentant un lien permettant la conjugaison entre la triphénylamine et la tétrazine ont été synthétisés et caractérisés par électrochimie et spectroscopie. Compte-tenu de leurs propriétés, six d’entre eux ont été testés en absorption à deux photons et deux ont étés retenus pour être utilisés comme donneurs dans une cellule photovoltaïque organique. Par ailleurs, deux réactions ont été étudiées en détail pour expliquer la formation des produits obtenus, inattendus à un premier abord. / This work deals with the synthesis and the spectroscopic and electrochemical studies of donor-acceptor systems which have been designed for electrofluorochromism, two-photon absorption and photovoltaics. s-Tetrazine has been chosen as the acceptor for its high electron affinity, its emission properties and its ability to structure a layer thanks to intermolecular interactions (&#61552--stacking). Triphenylamine has been selected as the donor for its low ionization potential, its spectroscopic properties (high absorption and emission) and the easy modulation of its properties by changing the substituents. Seven triphenylamine derivatives have been synthesized as well as eighteen new multichromophoric compounds based on tetrazine and triphenylamine which have five different links and various substituents. They have been characterized by electrochemistry and spectroscopy (stationary and time-resolved). The study of the modulation of the photophysic properties with the controle of the redox state has been then done. Ten compounds having a conjugating link between the tetrazine and the tetrazine have been synthesized and characterized by electrochemistry and spectroscopy. Given their properties, six of them have been tested in two-photon absorption and two of them have been selected to be used as a donor in an organic solar cell. Moreover two reactions have been examined in depth in order to explain some unexpected synthesis results.

Mon travail de thèse a porté sur l'étude du confi nement des photons et des électrons dans plusieurs systèmes. Tout d'abord, j'ai étudié un nouveau type de nanocristaux semiconducteurs pour obtenir -à température ambiante- une source e fficace de photons uniques polarisés. Ensuite, j'ai développé une technique d'excitation à deux photons pour des polaritons de microcavités semiconductrices. Ces nanocristaux semiconducteurs présentent la particularité d'avoir une coquille semiconductrice allongée en sulfure de cadmium (CdS) autour d'un coeur sphérique en séléniure de cadmium (CdSe). Depuis plus de dix ans, les nanocristaux semiconducteurs sont connus pour être des émetteurs efi caces de photons uniques à température ambiante. Leur photoluminescence sou rait de deux défauts : le clignotement, qui est une alternance entre des états allumés et éteints, ainsi qu'une très faible polarisation de leur émission. Lors de mon étude, en agissant sur les paramètres géométriques des nanocristaux (diamètre du c÷ur et longueur de la coquille) j'ai obtenu l'émission de photons uniques fortement polarisés (taux de polarisation linéaire supérieur à 80%) et montré le lien entre la polarisation et le rapport d'aspect des nanocristaux. De plus, en ajustant fi nement l'épaisseur de la coquille, j'ai démontré la possibilité de supprimer drastiquement le clignotement, tout en gardant une source de photons uniques de très haute qualité (g(2) < 0:2). Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, je me suis intéressé au couplage fort lumière-matière dans des microcavités et micropiliers semiconducteurs. J'ai développé et caractérisé un nouveau type d'excitation pour les polaritons basé sur une absorption à deux photons. Dans le cas des micropiliers, où les polaritons sont con nés dans un système 0D, nous avons démontré un e et laser sous pompage à deux photons. La relaxation du système et les interactions entre polaritons sont comparées sous différentes géométries d'excitation.

La fluorescence excitée à deux photons est actuellement largement utilisée pour l’imagerie de tissus biologiques, mais la faible sensibilité des fluorophores utilisés en microscopie confocale (excitation à un photon) à une excitation à deux photons (ADP) rend nécessaire la conception et la synthèse de nouveaux fluorophores spécifiques pour la microscopie de fluorescence par excitation bi-photonique (MFEB). Mon travail de thèse a ainsi porté sur l’ingénierie moléculaire (conception, synthèse et caractérisations) de nouveaux fluorophores pour la MFEB. Nous nous sommes particulièrement intéressés à des systèmes unidimensionnels (1D) de petite taille comportant des systèmes π étendus autour d’un cœur rigide (dicétopyrrolopyrrole ou DPP) et entourés de différents systèmes électro-actifs. Nous avons modifié par la suite les fluorophores précédents de manière à pouvoir les conjuguer à des molécules d’intérêt biologique, comme des protéines. Ces fluorophores bio-conjugables ont été greffés sur un peptide du virus HIV étudié au laboratoire : TAT (Trans-Activator of Transcription). L’imagerie par microscopie biphotonique a été effectuée avec succès sur des cellules HeLa. Nous nous sommes ensuite tourné vers la mise au point de nouvelles sondes multimodales pour associer la MEBP à une autre modalité d’imagerie : la résonance magnétique nucléaire et la microscopie électronique (imagerie corrélative). Pour ce faire nous avons développé des colorants fluorescents par excitation bi-photonique comportant une entité paramagnétique ou dense aux électrons (nanoparticules de magnétite, ion gadolinium III ou atomes lourds comme le platine et l’or). / Two-photon induced fluorescence is nowadays widely used for the imaging of biological tissues. The classical fluorophores used in confocal microscopy exhibit low sensitivity to two-photon excitation for the two-photon excitation microscopy (TPEM), led the researchers towards the development of new fluorophores, specifically engineered for TPEM. This manuscript describes our work on conception, synthesis and characterizations of new one-dimensional fluorophores based on dicétopyrrolopyrrole (DPP) central core, surrounded by various electro-active systems through π conjugated systems. We also modified such fluorophores to be able to conjugate them to molecules of biological interest, such as proteins. These bio-conjugable fluorophores were grafted on a peptide of HIV virus studied in our laboratory: TAT (Trans-Activator of transcription). The imaging by TPEM was successfully performed on HeLa cells. In addition we developed new multimodal probes for the correlative light electronic microscopy and for the correlative imaging fluorescence microscopy/ Magnetic resonance imaging (MRI). Theses multimodal probes associate a fluorescent moiety based on the DPP core associated to a paramagnetic or electron dense entity (magnetite nanoparticles, gadolinium III or heavy atoms such as platinum or gold).