La pression rencontrée par les organismes sur Terre varie de la pression atmosphérique à 110 MPa atteinte dans la fosse la plus profonde de l'océan. Même si Escherichia. coli n’est pas naturellement résistante à la pression, elle capable d'acquérir une résistance et même supporter un choc de pression de 2 GPa (~20 000 atm). L'une des réponses intéressantes d’E. coli à un choc sous létal de pression (100 MPa) est l'induction d'une réponse SOS dépendante de RecA due à des lésions double brins de l’ADN. La pression elle-même n'est pas capable de compromettre l'intégrité covalente de l'ADN. Des criblages ont permis d’isoler des souches d’E. coli résistantes à la pression qui révèlent qu'une endonucléase de restriction (ER) de type IV, Mrr, est le seul facteur responsable du clivage de l'ADN. Cette enzyme cible uniquement l'ADN méthylé et l’expression d’une MTase étrangère, M.HhaII, est également capable d'induire une réponse SOS dans des souches de E. coli en présence de Mrr. Ici, nous démontrons en utilisant des techniques de fluctuations d’intensité de fluorescence, in vivo et in vitro que Mrr est un présent sous la forme d’un tétramère dans les cellules non stressées. La pression est capable de dissocier Mrr en dimères actifs qui peuvent lier l'ADN et cliver à certains sites cryptiques. En revanche, la MTase HhaII favorise la forme dimeric de Mrr liée à l’ADN en raison de la méthylation de nombreux sites de haute affinité. Une analyse mutationnelle et un modèle d’homologie 3D de la protéine entière révèle la base structurelle probable du changement entre la forme tétramérique inactive à la forme dimérique active. Nous avons mis en pace un système permettant de faire de la microscopie sous pression (in vitro and in vivo) et nos résultats préliminaires ont confirmé notre modèle d’activation de Mrr. / The pressure encountered by organisms on Earth varies from the atmospheric pressure to 110 MPa as reached in the deepest trench of the ocean. Although Escherichia coli is not naturally resistant to high pressure, it is capable of acquiring pressure resistance and withstanding a pressure shock up to 2 GPa (~20,000 atm). When exposed to a sub-lethal pressure shock (100 MPa) E. coli induces a RecA-dependent SOS response due to DNA double strand breaks. Pressure itself is not capable of compromising the covalent integrity of the DNA. Instead, screens for pressure-resistance E. coli mutants have revealed that a Type IV restriction endonuclease, Mrr is the only factor responsible for DNA cleavage. This enzymes targets only methylated DNA and expression of a foreign methyltransferase, M.HhaII, is also capable of inducing an SOS response in strains harboring Mrr. Here, we demonstrate using fluorescence fluctuation techniques in vivo and in vitro that Mrr is present as a tetramer in unstressed cells and that pressure dissociates Mrr into active dimers that can bind DNA and cleave at some cryptic sites. In contrast, the M.HhaII MTase pulls the Mrr tetramer-dimer equilibrium to the dimer-bound DNA form probably due to the methylation of many high-affinity sites. Mutational analysis associated with a 3D homology model of the full-length protein reveals the probable structural basis for the switch from an inactive tetramer to an active dimer. We set up a system that allows microscopy experiments (in vitro and in vivo) under pressure and preliminary results have confirmed our model of Mrr activation.

Cette thèse traite de la conception, la synthèse et la caractérisation de chromophores dipolaires D-π-A pour l’imagerie de fluorescence et l’imagerie photoacoustique.La première partie est consacrée à la synthèse et à l’étude de nouveaux fluorophores émettant à l’état solide dans le proche infrarouge, pour l’imagerie de fluorescence biphotonique. Afin d’améliorer les propriétés optiques à l’état solide, nous avons exploré différentes pistes en modifiant d’abord le groupement D donneur d’électron, puis le groupement A accepteur et enfin le pont π conjugué de nos structures dipolaires.La seconde partie concerne l’imagerie photoacoustique. Cette imagerie, basée sur une excitation optique et une détection acoustique, nécessite une forte absorption dans le proche infrarouge. Une des stratégies pour effectuer ce décalage bathochrome de l’absorption a été incorporation de groupements thiophènes à faible aromaticité, afin d’augmenter la délocalisation du système π. Parallèlement, nous avons aussi étudiés des hémicyanines, présentant de fortes absorptions au-delà de 650 nm.Enfin, les colorants ont été formulés en nanoparticules organiques afin d’acquérir une solubilité aqueuse pour leur application en imagerie. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : la nanoprécipitation des colorants en présence d’un agent tensioactif, ainsi que l’encapsulation des colorants dans une matrice polymérique amphiphile stabilisée par une couche de silice. Les meilleurs chromophores ont permis l’acquisition d’images de cellules par microscopie biphotonique ainsi que d’images photoacoustiques de circuits microfluidiques et de la microvascularisation de souris in vivo. / This thesis is focused on the conception, synthesis and characterization of dipolar dyes D-π-A for fluorescence imaging and photoacoustic imaging.The first part aim to synthesize and to study new fluorophores emitting in the solid-state in the near-infrared for fluorescence imaging with two-photon excitation. In order to improve the optical properties in the solid-state, we first explored various electron donating groups D, then acceptors A and finally we modified the π bridge. In a second part, we focused on dyes for photoacoustic imaging. This technique is based on an optical excitation and an acoustic detection. It requires a strong absorption in the biological window. To red shift the absorption we incorporated a thiophene bridge with low aromaticity to increase the delocalization. We also studied several hemicyanines with strong absorption above 650 nm.Finally, dyes were formulated as water-soluble nanoparticles for their final application for imaging. Two types of nanoparticles were studied: nanoprecipitated dyes stabilized by a surfactant to increase the colloidal stability or encapsulated dyes in a amphiphilic polymer matrix stabilized with a silica shell. Those nanoparticles enabled cells imaging with biphotonic florescence imaging as well as photoacoustic imaging of a microfluidic chip and of the microvascularisation of mice ears in vivo.

Les techniques de super-résolution offrent un nouvel aperçu de la description de l'organisation moléculaire dynamique de la membrane plasmique. Parmi ces techniques, la microscopie par déplétion d'émission stimulée (stimulated emission depletion, STED) dépasse la limite de diffraction optique et atteint une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Il est une technique polyvalente qui peut être combinée avec d'autres techniques telles que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (fluorescence correlation spectroscopy, FCS), fournissant des résolutions spatiales et temporelles élevées pour explorer les processus dynamiques qui se produisent dans les cellules vivantes. Ce projet de doctorat vise à mettre en œuvre un microscope STED, puis à combiner ce module STED avec la technique FCS pour les applications biologiques. Des études théoriques du STED et de la technique combinant STED et FCS ont permis dans les aspects spatio-temporels. Une solution analytique pour la fonction d'autocorrélation FCS a été dérivée dans l'état de déplétion STED incomplet. et un nouveau modèle d'ajustement FCS a été proposé. La méthode de variation du volume d’observation FCS (spot variation FCS, svFCS) a démontré sa capacité à identifier la présence de nanodomaines limitant la diffusion latérale des molécules dans la membrane plasmique. L’approche STED-FCS permet d’étendre l’application de la svFCS à l'échelle nanométrique afin d’évaluer la persistance plus ou moins importante de tels nanodomaines. Dans ce contexte, des simulations préliminaires de Monte Carlo ont été réalisées figurant des molécules diffusant en présence d'auto-assemblage/désassemblage dynamique des nanodomaines. / Super-resolution techniques offer new insight into the description of the dynamic molecular organization at the plasma membrane. Among these techniques, the stimulated emission depletion (STED) microscopy breaks the optical diffraction limit and reaches the resolution of tens of nanometer. It is a versatile setup that can be combined with other techniques such as fluorescence correlation spectroscopy (FCS), providing both high spatial and temporal resolutions to explore dynamic processes occurring in live cells. This PhD project aims at implementing a STED microscope, and then at combining this STED module with FCS technique for biological applications. Detailed theoretical studies on STED and the combined STED-FCS technique in spatio-temporal aspects were performed. An analytical solution for FCS autocorrelation function was derived in the condition of incomplete STED depletion and a new FCS fitting model was proposed to overcome this problem. The spot variation FCS (svFCS) method has demonstrated its capability to identify the presence of nanodomains constraining the lateral diffusion of molecules at the plasma membrane. The STED-FCS can extend the svFCS approach to the nanoscale evaluating the long-lasting existence of such nanodomains. Within this frame, preliminary Monte Carlo simulations were conducted mimicking molecules diffusing in the presence of dynamic self-assembling/disassembling nanodomains.

La synthèse des protéines est un mécanisme central de la vie cellulaire dont la compréhension est un enjeu du domaine biomédical. Les études en molécule unique permettent d’observer chaque système réactionnel individuellement et donnent accès à des évènements asynchrones difficilement observables en mesure d’ensemble, tels la traduction de protéines.Cette thèse présente les premiers résultats en molécule unique sur la traduction par un ribosome eucaryote (mammifère). Nous observons les systèmes traductionnels grâce à des marqueurs fluorescents liés à des oligonucléotides pouvant s’hybrider sur les séquences d’ARN traduites. L’observation de ces marqueurs est faite par microscopie de fluorescence en onde évanescente (TIRF), les ARN étant fixés sur une lamelle de microscope. En lisant l’ARN, le ribosome détache les marqueurs, et leurs instants de départs donnent des informations sur le passage du ribosome à différentes positions sur l’ARN. Cette méthode permet d’obtenir des données cinétiques sur un grand nombre de systèmes traductionnels en parallèle pouvant alors être interpolées par des lois de probabilité. Nous obtenons par cette méthode des mesures de la cinétique in vitro de l’élongation eucaryote et nous observons un délai dû à une initiation non-canonique. En effet, nous complexons le ribosome sur l’ARN grâce à une structure de type IRES. Dans nos conditions d’expérience, l’incorporation d’un acide aminé prend environ une seconde tandis que cette structure induit un retard à la traduction de plusieurs dizaines de secondes. Ces résultats ouvrent des perspectives d’étude cinétique dans des cas plus complexes tels le franchissement de structures secondaires de l’ARN. / Protein synthesis is a central mechanism of cellular life and understanding it is a challenge in biomedical research. Single molecule studies permit each reactive system to be observed individually and provide access to asynchronous events difficult to observe in ensemble experiments, such as protein translation.This thesis presents the first results on single molecule eukaryotic (mammalian) translation. We observe the translational systems using fluorophores linked to oligonucleotides annealed to the RNA translated sequences. The observation of these fluorophores is done by total internal reflection fluorescence microscopy, the RNA being attached to a microscope slide. When reading the RNA, the ribosome unzips the fluorescent oligonucleotides and their departure times provide information about the position of the ribosome at different locations on the RNA strand. This method provides kinetic data on a large number of parallel translational systems that can be fitted using probability laws.With this method, we measure the in vitro kinetics of eukaryotic elongation and we reveal a delay due to a non-canonical initiation of the ribosome. Indeed, in our experiments, the ribosome is initially complexed on an RNA structure called Internal Ribosome Entry Site. In our experimental conditions, each incorporation of an amino acid in the nascent protein takes about one second while the IRES structure induces a delay of several tens of seconds on the first incorporation. These results open new perspectives for kinetic studies in more complex configurations such as the passage of the ribosome through RNA secondary structures.

L’objectif de cette thèse est de définir la chorégraphie de ségrégation des deux chromosomes circulaires de Vibrio cholerae, c’est à dire le positionnement de l’information génétique au cours de la croissance de la cellule, ainsi que les mécanismes dirigeant ces ségrégations. Il a longtemps été supposé que les bactéries étaient trop petites pour avoir une organisation intra-cellulaire, et le manque de techniques appropriées ne permettait pas d’infirmer cette hypothèse. Or la taille des chromosomes comparée à celle de la bactérie impose une compaction et aujourd’hui, de nouvelles techniques de microscopie et d’analyse génétique permettent d’affirmer que les chromosomes bactériens étudiés jusqu’à maintenant ont tous une organisation et une chorégraphie de ségrégation précises et différentes selon les espèces. Toutes les espèces étudiées à ce jour ont un chromosome circulaire unique : la réplication du chromosome commence à une origine unique bidirectionnelle, les deux fourches de réplication se déplacent le long des deux bras de réplication (ou réplichores) et finissent la réplication au terminus, diamétralement à l’opposée de l’origine de réplication sur la carte du chromosome. Peu d’espèces ont été étudiées, et Vibrio cholerae émerge progressivement comme un nouveau modèle : son génome est réparti sur deux chromosomes, et la chorégraphie de plusieurs chromosomes dans une cellule n’a jamais été décrite. De plus, cette espèce semble être au croisement évolutif entre Caulobacter crescentus et Escherichia coli : Vibrio cholerae a d’une part une morphologie en croissant, des systèmes de partition aux origines et un positionnement de l’origine du chromosome I, semblables à C. crescentus, et d’autre part un système de compaction du terminus et un set de gènes impliqués dans la maintenance du chromosome ayant co-évolué, qu’on ne retrouve que dans peu d’espèces proches d’E. coli. Une autre caractéristique intéressante de V. cholerae est que le chromosome II semble avoir été acquis récemment et n’est donc peut être pas gouverné par les mêmes mécanismes que le chromosome I, comme en témoignent le positionnement de son origine et son terminus, inédits pour des chromosomes bactériens. Parmi les Vibrios (environ 60 espèces principalement retrouvées dans les environnements aquatiques), certaines espèces sont des pathogènes dévastateurs pour les poissons, le corail, les crustacés ou les fruits de mer. Mais la plus documentée est Vibrio cholerae, car elle provoque chez l’Humain une maladie provoquée par l’ingestion d’eau contaminée qui peut être mortelle si le patient n’est pas réhydraté à temps. Bien que facilement traitable, le choléra fait encore de nombreuses victimes dans les pays en développement où les structures de santé et les règles d’hygiène font parfois défaut. Ainsi l’étude de Vibrio cholerae présente un intérêt médical, mais également par extension aux autres Vibrios, un intérêt environnemental non négligeable. / The aim of this thesis is to define the segregation choreography of the two circular chromosomes of Vibrio cholerae, which is the positionning of the genetic information during cell growth, as well as the mecanisms directing those segregations. It was supposed for a long time that bacteria were too small to have a intra-cellular organization and the lack of appropriate tools could not prove this hypothesis wrong. The size of the chromosomes compared to the size of the cell means there has to be a compaction and today, new tools for microscopy and genetic analysis allow us to affirm that all bacterial chromosomes studied so far have an organization and a segregation choreography which are precise and different between specie. Most bacterial specie studied to this day have a unique circular chromosome : the replication of the chromosome starts at a unique and bidirectionnal origin, both replication forks move along the two replication arms (or replichores) and end the replication at the terminus which is diametrically to the opposite of the origin on the chromosome map. A few specie have been studied, and Vibrio cholerae progressively emerges as a new model : its genome is divided between two chromosomes, and the choreography of several chromosomes in a cell has never been described. Moreover, this species seems to be at the crossover between Caulobacter crescentus and Escherichia coli : Vibrio cholerae as on one hand, a crescent shape, partition systems positionned at both origins and a positionning of the chromosome I origin similar to C. crescentus, and on the other hand a compaction system of the terminus and a set of genes involved on the maintenance of chromosomes that one only finds in very few specie closely related to E. coli. An other interesting characteristic of V. cholerae is that the chromosome II seems to have been acquired recently and thus might not be governed by the same mecanisms as the chromosome I, as shown by the positionning of its origin and terminus which are completely new to bacterial chromosomes. Among Vibrios (about 60 species mostly found in aquatic environments), some species are devastating pathogens for fish, coral, crustacean and shellfish. But the most documented one is Vibrio cholerae, because it induces a disease in humans caused by the ingestion of contaminated water, which can be deadly if the patient is not rehydrated on time. Although easily treatable, cholera still makes a lot of victims in developing countries where health structures and basic hygiene sometimes lack dramatically. The study of Vibrio cholerae has a medical interest, but also by extention to other Vibrios, a non-negligible environmental interest.

Le lagon de la Nouvelle Calédonie (Pacifique Sud-Ouest), est drainé par les entrées fluviales et océaniques sous la pression de l’érosion des sols ultramafiques (enrichies en Nickel et Cobalt). Le but de cette thèse était de mieux comprendre les sources et la variabilité spatio-temporelle de la matière organique dissoute colorée (MODC) et fluorescente (MODF) le long de continuum rivière-côte-lagon-large en zone lagonaire tropicale du Pacifique dans un contexte de changement climatique et d’anthropisation locale (activité minière). Les côtes Est et Ouest calédoniennes ont été échantillonnées pendant 1 an et demi et pendant la campagne CALIOPE 3 (côte Est) lors d’un épisode El Niño fort (2015-2016), ponctués de forts épisodes pluvieux. L’analyse parallèle factorielle (PARAFAC) des matrices d’excitation-émission de fluorescence (MEEFs) a abouti à l’indentifications de 5 fluorophores : humique-like marin, 2 tyrosine-like, et tryptophane-like d’origine autochtone issus des compartiments phytoplanctoniques et bactériens, et un fluorophore humique-like d’origine allochtone provenant des rivières drainant les côtes. La MODC à 350 et 442 nm suivait une dynamique fortement dépendante des apports fluviaux pouvant être découplée de la dynamique de la MODF. La MODF sur la côte Est suivait un cycle saisonnier (saison sèche/humide) contrairement à la côte Ouest dépendante de d'évènements pluvieux sporadiques. Des fluorophores (humique, tyrosine et tryptophane-like) ont montré des affinités avec certains métaux traces (Nickel, Manganèse, Cobalt) ce qui a permis de développer une expérience de quenching de fluorescence pour déterminer le pouvoir complexant de la MODF naturelle. / New Caledonia (South-West Pacific) is a tropical area under strong environmental pressure (climate change and local anthropogenic forcing). The aim of this thesis was to gain a better understanding of the colored (CDOM) and fluorescent (FDOM) dissolved organic matter dynamic in the New Caledonia Lagoon where strong ultramafic erosion pressure is associated with trace metals (i.e., nickel, manganese and cobalt). 3D spectrofluorimetry was used to characterize the CDOM/FDOM. The West and East coasts were sampled during one year and a half in a context of El Niño (2015-2016), interrupted by strong rainy events (storms) and during CALIOPE 3 cruise (East coast). A parallel factor analysis (PARAFAC) of EEMF led to the identification of 5 fluorophores: marine humic-like, 2 tyrosine-like and tryptophan-like peaks (T2 peak) from the biological balance between phytoplankton and bacterioplankton and a terrestrial humic-like from rivers draining caledonian coast. The CDOM signal at 350 and 442 nm had a strong dependency on river inputs accentuated during storms and revealed photodegraded CDOM. The FDOM signal in the East showed a seasonal cycle (wet/dry season) contrary to the West coast depending on sporadic rainy events. Data acquired during the CALIOPE 3 were coupled with trace metal concentrations, biogeochemical parameters, and plankton communities. Some fluorophores displayed a preferential association with nickel and cobalt. The complexation capacities of these fluorophores toward trace metals were revealed by a quenching experiment that allowed to derive complexation constants.

Cette thèse s’inscrit dans le développement et l’évaluation de nouvelles plateformesmoléculaires pour une application en imagerie optique par fluorescence. Nous avons cherché àdévelopper de nouveaux outils multifonctionnels et modifiables à façon. Cette approche estnécessaire car l’introduction d’un fluorophore peut fortement influencer les propriétés ducomposé final. Cela signifie que l’introduction du fluorophore sur l’agent sélectionné doit avoirêtre réalisé dès le départ. Pour cela deux axes principaux ont été étudiés; le premier consiste àutiliser des BODIPY pour le développement d’agents thérapeutiques traçables pour uneapplication principalement in vitro; le deuxième cible sur la conception de plateformes à based’AzaBODIPY compatibles avec l’imagerie in vivo.Dans la première partie deux fluorophores à base de 3,5-dichloro-BODIPY ont été identifiéscomme plateformes prometteurs. Ils ont été fonctionnalisés sélectivement par un agent or(I)-phosphine, un thiosucre et un phosphonium afin de pouvoir étudier l’influence du positionnementde chaque substituant sur les propriétés finales. Nous avons pu démontrer qu’unefonctionnalisation sélective et spécifique est possible avec ces substituants fragiles ; cela nous apermis de développer 12 agents théranostiques à base d’or(I). Les propriétés photophysiques etbiologiques ont ensuite été évaluées; pour cela nous avons déterminé leurs propriétés antiprolifératives (3 lignés cellulaires), la balance hydrophile, l’accumulation d’or dans les cellules etla localisation des composés des composés par microscopie confocale. Cette stratégie deplateforme multifonctionnelle nous a permis de développer un panel de composés traçables ayantdes activités mixtes ainsi que des distributions cellulaires distinctes. Cette étude a permisl’identification et la sélection de trois ou quatre composés qui feront l’objet d’une étudeapprofondie.Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons développé des plateformes multifonctionnellescompatibles avec l’imagerie in vivo; pour cela nous avons poursuivi deux approches différentes.La première était l’utilisation de 1,7-di(phenol)3,5-di(phenyl)-azaBODIPY, suivi par safonctionnalisation sur les groupements OH afin de développer un traceur bioconjugablefluorescent dans le proche infrarouge (NIR-I). Malheureusement ce traceur possède despropriétés optiques très défavorables. Nous avons alors développé une approche innovante baséesur la fonctionnalisation de l’atome de bore. En s’appuyant sur cette approche deux traceursfortement fluorescents dans le proche infrarouge et solubles dans l’eau ont été développés. Cesfluorophores ont été conjugués sur un anticorps innovateur afin de permettre l’imagerie optiquedu ligand PD-L1. Les traceurs se sont montrés stables pour au moins 48h dans le plasma murin etpossèdent de très bonnes propriétés optiques. Comme preuve de concept nous avons conduitune étude préclinique in vivo. Cette étude a montré que les traceurs sont fortement fluorescents(NIR-I) et ne possèdent pas de toxicité imminente.La méthodologie développée pendant cette thèse présente un grand potentiel pour des étudesallant plus loin et des futures applications ; il est possible d’appliquer les principes et outilsdéveloppés sur d’autre fluorophores ; la méthodologie permet une fonctionnalisation très richeavec une grande variété de substituants d’intérêt. Son utilisation n’est pas limitée aux applicationsbiologiques, biochimiques et médicinales. / The objective of this thesis was the development and evaluation of new molecular platformsfor optical fluorescence imaging applications. This work sought to develop new tools that caneasily be modified and adapted to the specific needs of the intended use. This is required asthe fluorophore will influence the final properties and should thus be incorporated beforestructural optimization of the selected agent rather than at the very end. Two main axes wereexplored; the use of BODIPYs for the development of trackable therapeutic agents that areprimarily intended for in vitro applications and the use of azaBODIPYs for the design of an invivo compatible fluorescent platform.In the first part two fluorophores on the basis of a 3,5-dichloro-BODIPY were identified aspromising platforms. These platform molecules were selectively functionalized using a gold(I)-phosphine moiety, a thiosugar and a phosphonium to explore their selective functionalizationand investigate the influence of each substitutents position on the final properties. Weshowed that a site-specific, selective functionalization with these fragile substituents ispossible and developed 12 gold(I)-bearing therapeutic agents. We evaluated thephotophysical properties of all obtained compounds which was followed by a characterizationof their biological properties (antiproliferative properties on 3 cancer cell lines, lipophilicbalance and cellular gold accumulation as well as fluorescence imaging on 3 cell lines for upto 24h). We succeeded in developing a panel of closely related trackable compounds thatdisplay mixed activity in cells and distinct cellular localization. This investigation permitted theselection of three to four hits that will be studied further.In the second part we developed an in vivo-compatible multifunctional platform following twostrategies: the first was the use of 1,7-di(phenol)-3,5-di(phenyl)-azaBODIPY and thefunctionalization of the hydroxy groups for the development of a bioconjugable NIR-I probe.Unfortunately the developed probe displayed very unfavourable optical properties; wetherefore developed a new strategy that is entirely based on the functionalization of the boronatom. Using this approach we successfully synthesized 2 watersoluble, strongly fluorescent(NIR-I) molecular platforms that were conjugated to an innovative antibody to image the PD-L1 ligand. The developed probes displayed excellent optical properties, are stable for at least48h in mice plasma and were validated in a preclinical study on mice. The developed probesdisplayed strong fluorescence in vivo and showed no acute toxicity.The developed methodology shows great potential for further investigations and futurestudies; it can be transposed onto other closely related fluorophores and permits versatilefunctionalization with a large variety of compounds of interest. Its use is thus not limited tobiological, biochemical and medical applications.

FLIM is branch of microscopy mainly used in biology which is quickly improving thanks to a rapid enhancement of instrumentation and techniques enabled by new sensors. In FLIM, the most precise method of measuring fluorescent decays is called TCSPC. High voltage PMT detection devices together with costly and bulky optical setups which scan the sample are usually required in TCSPC instrumentation. SPADs have enabled a big improvement in TCSPC measurement setup, providing a CMOS compatible device which can be designed in wide arrays format. However, sensors providing in-pixel TCSPC do not scale in size and in large array like the time-gated SPAD pixel sensors do. Time-gated pixels offer a less precise lifetime estimation, discarding any photon information outside a given time window, but this loss in photon-efficiency is offset by gains in pixel size. This work is aimed at the development of a wide field TCSPC sensor with a pixel size and fill factor able to reduce the cost of such devices and to obtain a high resolution time-resolved fluorescence image in the shortest time possible. The study focuses on SPAD and pixel design required to maximise the fill factor in sub 10 μm pixel pitch. Multiple pixel designs are proposed in order to reduce pixel area and so enable affordable wide array TCSPC systems. The first proposed pixel performs the CMM lifetime estimation in order to reduce the frame rate needed to stream the data out of the SPAD array. This pixel is designed in a 10 μm pitch and attains with the most aggressive design a fill factor of 10:17 %. A second design proposes an analogue TCSPC which consists in a S/H TAC circuitry. This simpler pixel can achieve a higher fill factor of 19:63% as well as smaller pitch of 8 μm thanks to the adoption of SPAD n-well and electronics area sharing. This last design is implemented in a 320 x 256 SPAD array in which is included part of a novel ADC aimed at reduction of the processing time required to build a TCSPC histogram. A more conventional analogue readout is used to evaluate the pixel performance as well as a more fine TCSPC histogram. The device was used to measure the fluorescence lifetime of green micro-spheres while the 2b flash ADC is used to demonstrate rapid resolution and separation of two different fluorescence decays.

Ce manuscrit détaille l’ensemble des travaux de recherches effectués au cours de mes trois années de thèse. Après un chapitre général portant sur les principes de la chimie supramoléculaire, et quelques unes de ces applications, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation des propriétés de molécules cages (cryptophanes et hémicryptophanes) pour aller vers la conception de sondes en imagerie médicale. Nous évoquons successivement le cheminement vers la synthèse d’un hémicryptophane apte à complexer le Gadolinium(III), pour une utilisation en tant qu’agent de contraste en IRM du proton, puis à l’élaboration de cryptophanes hydrosolubles adaptés à la RMN et l’IRM du 129Xe. Cette thèse s’achève sur la synthèse d’un nouvel hémicryptophane fonctionnalisé pour former des complexes avec le Terbium(III) et l’Europium(III) dont les propriétés de fluorescence sont prometteuses. / This book details all the research work that has been done during three years of Ph-D. After a chapter dedicated to the general principles of supramolecular chemistry, and some of its applications, we focalise on the use of cage-shapes molecules (cryptophanes and hemicrypto-phanes) in order to build probes for biological imaging. We successively mention the way toward the synthesis of a hemicryptophane able to complex Gadolinium(III), to use it it as a proton-MRI contrast agent, then toward the elaboration of hydrosoluble cryptophanes adapted to 129Xe NMR and MRI. This PhD manuscript ends with the synthesis of a new hemicryptophane functionnalized to form complexes with Terbium(III) and Europium(III), whose fluorescence properties are promising.

Waterborne disease is a significant contributor to the global burden of disease, in particular among high-risk populations in developing nations. State-of-the-art methods for the enumeration of microbial pathogens in drinking water sources have important limitations, including high initial cost, 24-48 hour delays in results, high staffing and facility requirements, and training requirements which all become especially problematic in the developing nation context. A number of alternative approaches to microbial water quality testing have been proposed, with the goal of decreasing the required testing time, decreasing overall costs, leveraging appropriate technology approaches, or improving sensitivity or specificity of the water quality testing method. One approach that may offer solutions to some of these limitations involves the deployment of sensor networks using fluorescent spectroscopy to detect intrinsic protein fluorescence in water samples as a proxy for microbial activity. In recent years, a number of researchers have found significant and meaningful correlations between indicator bacteria species and the protein fluorescence of drinking water samples. Additionally, advances in the semiconductor industry could be used to drive down the cost of such sensors. This technology may also be extensible to other water quality parameters, including dissolved organic matter or the presence of fluorescent pollutants. In this thesis, a literature review describes the fundamentals of fluorescence spectroscopy, historical and recent work regarding the fluorescence of the amino acid tryptophan and associated bacterial fluorescence, possible mechanisms for this association, and potential applications of this technology for drinking water quality monitoring and waste water process control. Extensibility of the technology is also discussed. Next, experimental methodology in reproduction of similar results is described. Samples were taken from seven (7) surface water sources and tested using membrane filtration and an off-the-shelf fluorescence spectrometer to help examine the association between the presence of indicator bacteria and the tryptophan fluorescence of the water sample. The results, showing an association of R2 = 0.560, are compared to the results of recent similar experiments. Finally, two prototypes are described, including their design requirements and data from prototype testing. The results of the testing are briefly discussed, and next steps are outlined with the goal of developing a low-cost, in-situ microbial water quality sensor using fluorescence spectroscopy principles.