La construction de complexes polymétalliques de lanthanides préprogrammés et sophistiqués, de taille nanométrique, pour le développement de matériaux luminescents présentant des propriétés photophysiques nouvelles ou améliorées (double émission, transfert d'énergie intermétallique, etc.) est un des sujets de la chimie supramoléculaire des lanthanides suscitant énormément d'intérêt. La compréhension, le contrôle et la programmation de l'auto-assemblage de complexes de lanthanides est un défi majeur en raison de la difficulté à contrôler l'environnement de coordination de ces ions qui se caractérise par des nombres de coordinations importants et variables et peu de préférences stéréochimiques. Ainsi, la plupart des complexes polynucléaires de lanthanides décrits dans la littérature sont formés de façon fortuite plutôt que par conception rationnelle. Afin d'inclure les ions lanthanides dans des architectures polymétalliques de haute nucléarité tout en améliorant leurs propriétés photophysiques, nous nous sommes concentrés sur des études de complexation de ligands dissymétriques (tridentates anioniques, tétradentates chiraux) permettant de promouvoir la formation des assemblages. Nous avons par ailleurs commencé à explorer le potentiel d'une méthode synthétique originale de clusters oxo par réactivité redox de complexes divalents de lanthanides. Nous présentons ici la synthèse et les propriétés photophysiques de complexes stables émettant dans le proche infrarouge basés sur des ligands anioniques hydroxyquinoléine fonctionnalisé par des groupes carboxylates ou tétrazolates. En outre, nous pouvons montrer que l'utilisation de ligands chiraux possédant un groupement oxazoline favorise l'auto-assemblage diastéréosélectif de complexes de lanthanides homo- et hétéro-polymétalliques énantiopures émettant dans le visible et le proche infrarouge. Un complexe trinucléaire d'europium énantiopure a été caractérisé par cristallographie, celui-ci présentant une forte activité en polarisation circulaire de luminescence (CPL). Le ligand chiral oxazoline a permis d'obtenir une roue heptanucléaire d'europiums, le plus important assemblage polymétallique énantiopure. Enfin, nous avons pu préparer et caractériser des complexes de lanthanides divalents hautement réactifs basés sur un ligand tripode neutre possédant des groupements pyridine (tpa). Des résultats préliminaires montrent que ces complexes peuvent être des précurseurs très utiles pour isoler des clusters oxo polymétalliques. En particulier, la réaction d'un complexe de néodyme hautement réactif a conduit à isoler un cluster oxo volumineux et très intéressant par clivage de THF en présence de tpa. / The construction of preprogrammed, sophisticated and nanoscopic polymetallic lanthanide complexes for the development of luminescent materials that possess new or improved photophysical properties (dual emission, intermetallic energy transfer, etc.) is one of the hot topics in the lanthanide supramolecular chemistry. Understanding, controlling and programming self assembly of lanthanide complexes is a key challenge due to the difficulty in controlling the coordination environment of these ions which display high and variable coordination numbers with little stereochemical preferences. As a result of this, most of the polynuclear lanthanide complexes reported in literature are formed by serendipity rather than rational design. In order to include lanthanide ions in discrete high nuclearity polymetallic architectures with improved photophysical properties we have concentrated on complexation studies with dissymmetric chelating ligands (tridentate anionic ligands, tetradentate chiral ligand) with possibility of promoting assembly formation, and we started to investigate the potential of an original synthetic method using the redox reactivity of divalent lanthanides complexes for the synthesis of oxo clusters. Here we present the synthesis and photophysical properties of NIR emissive stable complexes obtained with hydroxyquinoline based tridentate dianionic ligands functionalised with carboxylic acid and tetrazole groups. Moreover we show that the use of a chiral tetradentate ligand possessing oxazoline ring promotes the diastereoselective self assembly of enantiopure homo- and hetero-polymetallic lanthanide complexes emitting in the visible and NIR range. An original enantiopure trinuclear europium complex was crystallographically characterised and we found that it displays a high circularly polarized luminescence (CPL) activity. The chiral oxazoline based ligand also led to the synthesis of the largest enantiopure polymetallic assembly of europium, a heptanuclear wheel. Finally we were able to prepare and characterize highly reactive complexes of divalent lanthanides with a neutral tripodal pyridine based ligand and very preliminary results show that these complexes can be useful precursors for the isolation of polymetallic oxoclusters. Notably, the reaction of the highly reactive neodymium complex led to the isolation of a very interesting large neodymium oxo cluster by cleavage of THF in the presence of the ligand tpa.

Depuis une vingtaine d'années, la recherche dans le domaine des nanoobjets pour de l'imagerie et de la thérapie devient de plus en plus importante. En effet, les nanoparticules présentent de nombreux avantages par rapport aux composés moléculaires : leur temps de résidence dans le système sanguin est plus long ; la nanoparticule peut contenir une grande quantité de molécules actives ; les nanoparticules peuvent contenir plusieurs fonctionnalités grâce à leur multimodalité ; et elles peuvent s'accumuler dans les zones cibles grâce à un ciblage passif ou actif. Dans ce cadre, nous proposons une nouvelle structure hybride AGuIX® de taille inférieure à 5 nm, constituée d'une matrice de polysiloxane à la surface de laquelle sont greffés des complexes de gadolinium et des ligands libres. Ces nanoparticules ont été développées pour des applications en imagerie (IRM, scintigraphie, fluorescence) ainsi que des applications en thérapie (radiothérapie). Le but de la thèse consiste d'une part à maîtriser le mécanisme de synthèse, caractériser les nanoparticules par le développement de techniques originales et enfin à exploiter les propriétés multimodales de la nanoparticule afin de proposer plusieurs solutions en imagerie et en thérapie. Les tests biologiques montrent un fort potentiel des nanoparticules pour des applications biologiques. Dans un premier temps, les nanoparticules ont été couplées à des photosensibilisateurs afin d'induire un autre mode de thérapie : la PDT. Ce couplage a permis de travailler sur les mécanismes physiques opérant dans ce modèle. Afin de proposer une dualité en imagerie, les particules AGuIX® ont été marquées par différents isotopes radioactifs. Pour cela, la nanoparticule a été modifiée par l'ajout de ligands spécifiques complexant certains isotopes. Cette étude a abouti également sur le recherche d'un autre mode de thérapie possible avec les AGuIX® : la curie thérapie / Nanoparticles research has become one of the most promising way for biological applications. They present alternative solutions to the traditional diagnostic and therapeutic methods thanks to (i) their appropriate size and surface which can enhance circulation time in the blood, (ii) their large compartments able to contain considerable amounts of imaging or drugs agents, (iii) their multimodality which makes them potential multifunctional nanoplatforms for both diagnosis and therapy (theranostic), (iv) their capacity to target disease by their appropriate size and surface of by specific targeting moieties grafted on their surface. We propose a new sub-5 nanometer nanoparticles multimodal nanoparticle (called AGuIX®), composed of a polysiloxane network surrounded by gadolinium chelates and free chelates. They have previously demonstrated their efficiency for multimodal imaging and theranostic applications, especially MRI, scintigraphy and fluorescence imaging and radiotherapy. The aim of the thesis was to characterize the synthesis and the nanoparticles in order then to explore the multi-possibilities of therapy and imaging of these nanoparticles AGuIX®. Original characterizations technics were developed. The intrinsic measured properties of AGuIX® solutions fulfill the conditions for potential clinical applications, a wide series of biological tests have been performed. Then first, the coupling of the AGuIX® with another therapy method was explored: PDT effect with photosensitizers grafting on the surface of the nanoparticles. A good understanding of the mechanism was studied. The multimodality of imaging was tested by the labeling with radioactive elements on the surface of the nanoparticles. It was necessary to use a specific ligand in order to obtain high labeling yield. The coupling MRI/scintigraphy is one of the major field in order to have an imaging agent with high resolution and high sensitivity. This study was the opportunities to try to couple another therapy technic: brachytherapy

Les systèmes moléculaires à base de cations lanthanides luminescents possèdent des propriétés photophysiques très intéressantes pour les applications en bioimagerie optique (résistance au photoblanchiment, bandes d’émission fines, temps de vie de luminescence longs). La lumière émise peut couvrir une large gamme spectrale, selon le cation lanthanide choisi. Cependant, les lanthanides ont des coefficients d’extinction faibles. Il est donc nécessaire d’utiliser une voie de sensibilisation indirecte - l’effet d’antenne, avec un chromophore placé à proximité du lanthanide. De plus, afin d’amplifier le signal émis, plusieurs cations métalliques peuvent être introduits dans la molécule. Dans cette thèse, nous avons cherché à développer de nouveaux agents potentiels d’imagerie à base de systèmes polynucléaires de lanthanides. Notre objectif a été de programmer l’assemblage de complexes supramoléculaires tridimensionnels et d’améliorer les propriétés optiques pour les applications biologiques. Pour ce faire, nous avons choisi d’employer des ligands tripodaux composés d’une ancre centrale triaminotriptycène et de trois bras possédant les sites coordinants. Ces ligands ont ensuite été modifiés de façon à optimiser les propriétés physico-chimiques. Par ailleurs, la synthèse de nouvelles plateformes centrales a été également effectuée afin de poursuivre leur développement dans le futur. La synthèse et la caractérisation de ligands tripodaux L1 et L2 et de leurs complexes avec des lanthanides ont été réalisées. Des études détaillées de spéciations avec les ligands L1 et L2 ont permis de démontrer la stabilité thermodynamique des systèmes tétranucléaires formés en préférence avec les lanthanides légers. Des études spectroscopiques ont caractérisé leur luminescence dans le visible et dans le proche infrarouge. D’autre part, nous avons préparé et caractérisé des nouveaux composés en combinant un chromophore porphyrinique et des récepteurs complexant les lanthanides. Ces sondes bimodales peuvent trouver une application dans l’imagerie et la thérapie photodynamique. / Molecular systems based on luminescent lanthanide cations have very valuable photo-physical properties for applications in optical bioimaging (resistance to photobleaching, sharp emission bands, and longue luminescence lifetimes). The emitted light can cover a wide spectral range, according to the chosen lanthanide cation. However, the lanthanides have low extinction coefficients and must be sensitized indirectly via the antenna effect by using a chromophore located in proximity. The luminescence intensity per molecule can be also increased by accommodating several lanthanides within a single compound. In this thesis, we report on the development of new potential imaging agents based on polynuclear systems with lanthanides. The main goal was to program supramolecular well-defined tridimensional complexes in order to enhance their optical properties for biological applications. To do this, we have chosen to employ tripodal ligands composed of a central triaminotriptycene anchor and three arms with coordinating sites. Moreover, these ligands have been functionalized to improve their physicochemical properties. In view of future developments, the synthesis of new central platforms was also performed. The synthesis and characterization of tripodal ligands L1 and L2 and their complexes with lanthanides were carried out. Detailed speciation studies with L1 and L2 show a high thermodynamic stability of tetranuclear systems formed preferably with lighter lanthanides. In addition, spectroscopic studies reveal that the sensitization of luminescence is achieved in the visible as well as in the near infrared. Furthermore, we have prepared and characterized novel compounds by combining a porphyrin chromophore and a receptor for lanthanide complexation. These bimodal probes may find applications in imaging and in photodynamic therapy.

La polarisation de la lumière, bien que connue depuis fort longtemps, pourrait être plus exploitée. Cependant, de plus en plus d’entreprises de pointe dans les domaines de la sécurité et la transmission d’information commencent à l’utiliser. Une raison de la sous-exploitation actuelle de la polarisation vient des méthodes de polarisation, qui ont une transmission de la lumière limitée (généralement jusqu’à 45%). Afin d’outrepasser cette limite physique, un moyen est d’utiliser des matériaux fluorescents émettant une lumière polarisée. Cependant, la synthèse et la purification de tels matériaux sont compliquées et obtenir les deux énantiomères n’est pas toujours possible. Ce travail se concentre sur une nouvelle méthode de synthèse, plus simple, utilisant des nano-structures hybrides ou inorganiques hélicoïdale, et des luminophores organiques pouvant interagir ensemble. L’agrégation chirale des chromophores autour des structures formera ainsi des nano-objets fluorescents chiraux. Le premier chapitre explique comment la chiralité est aujourd’hui présente dans tous les domaines et à toutes les échelles, des molécules aux objets du quotidien. Nous y étudierons également l’induction de la chiralité à différentes échelles. Le second aspect de ce travail, l’interaction lumière-matière, sera également mis en avant, aussi bien concernant l’absorption que l’émission lumineuse, mais aussi en quoi l’assemblage des molécules peut affecter ces propriétés. Nous nous pencherons également sur les cas très particuliers du dichroïsme circulaire et de la luminescence circulairement polarisée. Pour finir, nous verrons quels sont les matériaux actuels existant pour obtenir ces propriétés et quels sont leurs inconvénients. Afin d’outrepasser ces défauts, nous avons choisi d’utiliser deux systèmes. Le premier, constitué de nano-hélices organiques dans une coque de silice a pour avantage d’utiliser à la fois une induction de chiralité par assemblage des chromophores organiques, mais aussi une seconde induction de la chiralité à l’échelle moléculaire. L’inconvénient étant que ce système n’est pas très robuste à un changement d’environnement. Pour résoudre cet inconvénient, nous n’avons conservé, dans un second temps, que la coque de silice afin de l’utiliser comme patron pour supporter le greffage covalent de luminophores à sa surface. Dans le second chapitre, la méthode de synthèse des nano-structures sera présentée. De même le choix des différents luminophores utilisés dans ces travaux sera justifié, et leur voie de synthèse, expliquée. Enfin, les différentes méthodes de caractérisation seront détaillées. Le troisième chapitre portera sur les résultats obtenus lors de l’intégration de chromophores non-chiraux dans les hélices hybrides, ou leur de greffage sur les structures inorganiques. Nous y verrons l’importance à la fois de l’assemblage intermoléculaire, mais aussi de l’interaction avec un environnement chiral, pour l’induction de chiralité dans le but d’obtenir dichroïsme circulaire et luminescence circulairement polarisée. Les différents chromophores utilisés y sont présentés et comparés permettant la mise en évidence des principaux facteurs aidant à l’induction de chiralité pour chaque type de structure. Enfin, un dernier chapitre s’intéressera à des systèmes plus complexes utilisant des molécules présentant en solution des propriétés chiro-optiques, ou ayant la capacité de s’agréger en nano-structures ayant de telles propriétés, et ce afin de savoir si leurs propriétés sont ajustables grâce à l’utilisation des hélices hybrides pour leur imposer une agrégation spécifique. Une dernière approche a également été étudiée, en synthétisant des quantum-dots carbonés fluorescents à partir des nano-structures hybrides. Ces quantum-dots, s’ils conservent la forme de la structure initiale, pourraient posséder un dichroïsme circulaire et une luminescence circulairement polarisée sans besoin de les complexer avec une molécule chirale. / The polarization of light, despite being known since long time, is recently at the center of renewed interest. More and more high technology companies in the fields of safety and information transmission are starting to exploit this property. One bottleneck for their use comes from the limitation in the light transmission of current methods of polarization (typically up to 45%). In order to overpass this physical limitation, one possible approach would be to use fluorescent materials emitting polarized light. However, the synthesis and purification of such materials is complex and obtaining both enantiomers is not always possible. The current work focus on a new synthetic pathway, possibly simpler and more versatile, using chiral hybrid or inorganic nano-helices and organic fluorophores interacting together. The aggregation of chromophores around the template will form chiral fluorescent nano-objects. The first chapter explains how chirality is present in many fields and at every scale, from molecules to daily objects. We will discuss the way of inducting or transferring chirality. The second facet of this work, light-matter interactions, will also be explained, concerning both absorption and emission of light, but also on how molecular assembly can affect these properties. We will study into detail the very particular case of circular dichroism and circularly polarized luminescence. Finally, we will see the existing systems that are used to obtain these properties and the drawback of these materials. In this work, we chose to use two systems. The first, constituted of organic nano-helices in a silica shell, has the advantage of using the organic template confined in chiral nano-space to induce chirality to the organic chromophores in interaction with them molecularly, but also through aggregation due to the confinement. The disadvantage being that this system is not robust toward environmental changes. The alternative approach is to use the silica shell as an inorganic template for the covalent grafting of fluorophores onto its surface. In the second chapter, the method for the synthesis of nano-structures is described, along with an explanation on the choice and synthesis of the chromophores used in this study. Finally, the characterization processes used are detailed. The third chapter will focus on the results we obtained when integrating achiral chromophores into hybrid helices or by grafting then onto the silica surface. We will see the importance of the intermolecular assembly and of the interaction with a chiral environment to obtain circular dichroism and circularly polarized luminescence through chiral induction. Various fluorophores are presented and compared allowing the understanding of the key parameters for chirality induction of each type of structure.In the last chapter, more complex systems are studied using molecules presenting chiroptical properties in solution state or having the ability to form self-assemblies showing such properties. The objective will be to tune the chiroptical properties of these chromophores, by the use of hybrid helices to force a specific organization. The last part will focus on the synthesis of fluorescent carbon based quantum dots using hybrid structures. These quantum dots, can retain the shape of the original structure and show circular dichroism or circularly polarized luminescence without needing to form a complex with an external source of molecular chirality.

La microscopie de molécule unique (single-molecule microscopy, SMM) regroupe un ensemble de techniques pour la biologie moléculaire et cellulaire permettant de visualiser le mouvement de molécules biologiques individuelles. Néanmoins, les techniques SMM imposent de fortes contraintes en ce qui concerne les luminophores utilisés. Récemment, un nouveau luminophore appelé «particule à conversion ascendante» (upconverting nanoparticles, UCNP) a attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de son émission efficace de lumière visible après une excitation par de la lumière infrarouge. Cette propriété fait des UCNPs un luminophore très intéressant pour les applications biologiques : l'excitation infrarouge permet d'éliminer l’autofluorescence, généralement associé à une excitation dans la gamme du visible. De plus, la photostabilité extrême des UCNP et l’absence de photoclignotement sont également de précieux atouts pour les expériences SMM. L’objectif de cette thèse était d’adapter les UCNPs aux applications SMM, avec le but ultime d’exploiter leurs propriétés uniques pour améliorer les performances des expériences SMM. Au cours du projet, les protocoles de dispersion des UCNPs dans des tampons aqueux ont été optimisées pour conserver une bonne monodispersité des particules; l'efficacité des UCNPs dans les expériences de transfert résonant d'énergie en particule unique a été estimée; des protocoles pour l'imagerie d'UCNPs uniques ont été développés; et la preuve de concept de l'utilisation des UCNPs dans des expériences de suivi de molécules uniques à la surface de cellules vivantes a été réalisée. Finalement, ces résultats forment une base solide pour de futures expériences SMM utilisant les UCNPs. / Single-molecule microscopy (SMM) is a powerful set of techniques for molecular and cell biology that allows visualizing the movement of individual biological molecules, but has strict requirements towards the utilized luminophores. Recently, a new luminophore called upconverting particles (UCNPs) gained attention of the research community due to their efficient emission of visible light upon excitation with infrared light. This property makes UCNPs a valuable luminophore for biological applications due to the elimination of autofluorescence background, commonly associated with regular visible light excitation. Extreme photostability of UCNPs and absence of sporadic photoswitching are also valuable for SMM experiments. The objective of this thesis was to adapt UCNPs to SMM applications, with the ultimate goal of exploiting their unique properties towards superior performance of SMM experiments. During the project, protocols for dispersing UCNPs in aqueous buffers were streamlined to provide superior particle monodispersity; the efficiency of UCNPs in single-molecule resonance energy transfer experiments was estimated; protocols for single-molecule imaging with UCNPs were developed; and a proof-of-concept system for targeted single-molecule tracking with UCNPs in live cells was demonstrated. Overall, these findings will serve as a foundation towards robust SMM assays based on UCNPs.

The objective of this study is to perform Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating on the ceramic samples from different parts of the Laodikeia by using Infra Red Stimulated Luminescence (IRSL) on polyminerals. As a first step, a literature survey has been done about the dating system and the methodology of dating. The calibration of the system was done before carrying out the experiments. The six ceramic samples were collected from the site and dated. The mineral compositions of the samples were examined by X-ray Diffraction Analysis, which showed that all samples contain quartz, feldspars, calcites and together with other minerals. The equivalent dose was found by using Multiple Aliquot Additive Dose (MAAD) and Multiple Aliquot Regenerative Dose (MARD) techniques using Infra Red diode array of the system that gave the IRSL ages for samples. Alpha counter measured the dose components of uranium and thorium contributions to the annual dose. The potassium concentration was determined by Atomic Emission Spectrometry. The cosmic ray component of annual dose was evaluated by the Al2O3:C Thermoluminescence Dosimeter (TLD) discs which have been placed and kept for 8 and 11 months in the site. From the data the IRSL ages were calculated for six ceramic samples LDKY-1, LDKY-2, LDKY-3, LDKY-4, LDKY-5 and LDKY-6 with the help of the OSL system software. The IRSL ages for these samples, in the given order, are 737 &plusmn / 60, 1563 &plusmn / 120, 1445 &plusmn / 110, 1602 &plusmn / 120, 1034 &plusmn / 80 and 1034 &plusmn / 80 years by using MAAD technique. The IRSL ages for the same samples are 870 &plusmn / 60, 1550 &plusmn / 120, 1440 &plusmn / 110, 1600 &plusmn / 120, 1030 &plusmn / 80 and 1030 &plusmn / 70 years by using MARD technique.

Optically Stimulated Luminescence (OSL) is the luminescence emitted from a previously irradiated insulator (or a wide band gap semiconductor) upon exposure to light. The OSL signal intensity is a function of the radiation dose absorbed by the sample and thus can be used as the basis of a radiation dosimetry method. In the literature, OSL studies on natural fluorites are rather limited. In order to promote the material for radiation dosimetry, OSL properties of natural fluorites of different origin were examined in this study. For this purpose, dose-response, reproducibility, thermal stability and fading of the OSL signals were analyzed. In order to find a relation between OSL and TL signals, TL signals and the effect of OSL measurements on TL signals were examined. Thermal activation energies of the light sensitive TL peaks and the OSL signals were also calculated using different methods and the results were compared. Also, absence of the thermal quenching was shown. Finally, TR-OSL signals were measured to have an opinion about the recombination centers. As a result of these studies, it is possible to conclude that natural fluorites show promising features to be used as an environmental dosimeter with regard to a suitable OSL signal, range of linearity, repeatability in response, as well as being readily available at a low cost.

L'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) est une technique de choix pour l'imagerie moléculaire, soit la visualisation d'événements biologiques à l'échelle moléculaire. En effet, elle est non invasive et possède une haute résolution. Cependant, elle manque de sensibilité. L'utilisation d'agents de contraste commerciaux, qui sont pour la plupart des chélates de Gd(III), peut pallier à ce problème lors d'examens cliniques mais ils ne sont pas assez efficaces en vue de l'imagerie moléculaire. Leur efficacité, définie par leur relaxivité, peut être améliorée en optimisant les paramètres qui la gouvernent, comme le nombre de molécules d'eau coordinées, la vitesse d'échange de l'eau ou la dynamique de rotation du complexe. Deux stratégies sont envisagées pour améliorer la sensibilité : la première est de rassembler un grand nombre de complexes de Gd(III) possédant une haute relaxivité dans une seule entité ; la seconde est la conception de sondes bimodales IRM/imagerie optique, permettant de tirer profit à la fois de la haute résolution de l'IRM et de la très bonne sensibilité de l'imagerie optique.Ce travail de thèse a consisté à incorporer des agents de contraste à base de Gd(III) possédant des propriétés de relaxivité améliorées dans des systèmes macromoléculaires ou des nanobjets. Pour cela, des complexes ayant des paramètres de relaxivité optimisés connus au laboratoire ont été fonctionnalisés pour être greffés sur des quantum dots, pour le caractère bimodal et sur des oligonucléotides afin de réaliser des sondes ADN. L'utilisation de billes de silice a permis d'incorporer des complexes de Gd(III) de manière non covalente et d'obtenir à la fois une relaxivité par Gd(III) et par particule très élevée. L'incorporation simultanée de complexes d'Yb(III) permet également d'obtenir une sonde bimodale avec une émission dans le proche infrarouge. Tous ces systèmes ouvrent la possibilité au développement de sondes IRM avec des propriétés optimisées, prometteuses pour l'imagerie moléculaire. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a widely used diagnostic method in medicinal practice. It is the ideal technique for molecular imaging, which allows biological events to be observed at the molecular scale thanks to its high resolution. However it has a very low sensitivity. Commercial contrast agents can palliate this lack of sensitivity, but their efficiency, defined as relaxivity, is too low for molecular imaging. The relaxivity of Gd(III) chelates depends on parameters such as the hydration number, the exchange rate and the rotational dynamics of the complex, which can be optimized to improve the relaxivity. Two strategies can be considered to improve the sensitivity: the first one is to gather a high number of complexes demonstrating an optimized relaxivity on a nanoobject ; the second one is the design of a bimodal probe MRI/Optical imaging to combine the high resolution of MRI and the high sensitivity of optical imaging.In this work we present the incorporation of gadolinium chelates into macromolecular systems and two different types of nanoobjects. Gd(III) chelates with improved relaxometric properties have been functionalized and grafted onto quantum dots for the design of a bimodal probe and into oligonucleotides for the conception of a DNA probe. The non-covalent incorporation of Gd(III) in silica spheres allows both a high relaxivity per Gd(III) and per particle. The simultaneous incorporation of Yb(III) complexes emitting in the near infrared permits the design of a bimodal probe. All of these systems lead to the development of a new class of promising probes for molecular imaging.

Cette thèse porte sur l'élaboration de nanoparticules (NPs) à luminescence persistante pour l'imagerie optique dans le domaine du rouge profond et du proche infrarouge. Leur utilisation présente un avantage indéniable, l'étape d'irradiation pour obtenir l'état excité pouvant être réalisée avant injection, il est possible d'éviter tout stress des tissus et autres phénomènes d'autofluorescence. Dans les compositions chimiques étudiées, elles sont par ailleurs ré-excitables in vivo. Nous présentons une synthèse originale pour l'élaboration de " petites " NPs de ZnGa2O4 :Cr3+ par voie hydrothermale assistée par chauffage micro-onde qui peut être suivi d'un traitement thermique. Les caractérisations avancées des propriétés de luminescence persistante et la structure fine du matériau a montré une corrélation directe entre la luminescence et l'ordre local des cations dans la structure (répartition et distorsion des sites cationiques). Ainsi, nous avons montré l'effet bénéfique d'une calcination sans frittage sur l'amélioration des propriétés de luminescence. Nous avons également mis en évidence le gain apporté par l'ajout d'un codopant comme l'ion Bi3+ ou la modification de la matrice avec la substitution d'une partie des ions Ga3+ par des ions Ge4+. Les limites d'optimisation de ce matériau étant atteinte, une toute nouvelle voie a été ouverte dans cette thématique en dopant la matrice avec des ions Ni2+ pour déplacer la luminescence persistante dans le domaine du proche infrarouge. L'exploitation de cette nouvelle fenêtre pour l'imagerie optique devrait permettre d'imager plus profond dans les tissus avec un meilleur rapport signal/bruit. / This thesis aims to develop persistent luminescent nanoparticles (NPs) for optical imaging in the deep red and near infrared range. Their use has a clear advantage as the irradiation step can be performed before injection, avoiding tissue stress and other autofluorescence phenomena. The chemical compositions studied are also re-excitable in vivo. We propose an original way of synthesis for the elaboration of “small” ZnGa2O4:Cr3+ NPs. Hydrothermal synthesis assisted by microwave heating followed by a heat treatment is used to obtain the NPs. The extensive characterization of the persistent luminescence properties and of the material’s fine structure showed a direct correlation between luminescence and local cation order in the structure (distribution and distortion of cationic sites). Thus, we have shown the benefits of a heat treatment without sintering on the improvement of luminescence properties. We have also highlighted the enhancement provided by the addition of a codopant such as Bi3+ ions or the modification of the matrix by substituting a part of Ga3+ ions by Ge4+ ions. The optimization limits of this material being reached, doping the matrix with Ni2+ ions to move the persistent luminescence in the near infrared range, opens a new pathway in this research field. Exploiting this new window for optical imaging should allow imaging deeper into tissue with a better signal-to-noise ratio.

La présente thèse décrit la préparation de complexes de Cu(I) stables grâce à l’ingénierie moléculaire de ligands permettant d’éviter la formation de plusieurs espèces en équilibre. Dans le cas de ligands P-N, la stratégie proposée repose sur l’utilisation d’un ligand ayant des substituants permettant de masquer un centre métallique et ainsi d’empêcher les réactions avec des nucléophiles permettant la dissociation du ligand. Dans le cas des dérivés [Cu(NN)(PP)]+, l’approche synthétique développée repose sur l’utilisation de ligands phénanthrolines macrocycliques empêchant la formation des complexes homoleptiques [Cu(NN)2]+ correspondant. Des complexes stables et luminescents ont ainsi été préparés, les rendements quantiques d’émission allant jusqu’à 46% à l’état solide pour les meilleurs luminophores. / The present PhD thesis descibes the preparation of stable Cu(I) complexes through appropriate ligand design to prevent the formation of several species in equilibrium. In the case of dinucleating P,N-ligands, the proposed strategy is based on the use of a ligand with additional substituents to shield the metal centers and thus to prevent nucleophilic attacks leading to ligand dissociation. In the case of the [Cu(NN)(PP)]+ derivatives, the proposed synthetic strategy relies on the use of macrocyclic phenanthroline ligands preventing the formation of the corresponding homoleptic complexes [Cu(NN)2]+. Stable luminescent complexes have been thus prepared, the emission quantum yields being as high as 46% in the solid state for the best emitters.