The major topics discussed are all relevant to interfacing brightly phosphorescent and non-luminescent coinage metal complexes of [Ag(I) and Au(I)] with biopolymers and thermoresponsive gels for making hybrid nanomaterials with an explanation on syntheses, characterization and their significance in biomedical fields. Experimental results and ongoing work on determining outreaching consequences of these hybrid nanomaterials for various biomedical applications like cancer therapy, bio-imaging and antibacterial abilities are described. In vitro and in vivo studies have been performed on majority of the discussed hybrid nanomaterials and determined that the cytotoxicity or antibacterial activity are comparatively superior when compared to analogues in literature. Consequential differences are noticed in photoluminescence enhancement from hybrid phosphorescent hydrogels, phosphorescent complex ability to physically crosslink, Au(I) sulfides tendency to form NIR (near-infrared) absorbing AuNPs compared to any similar work in literature. Syntheses of these hybrid nanomaterials has been thoroughly investigated and it is determined that either metallic nanoparticles syntheses or syntheses of phosphorescent hydrogels can be carried in single step without involving any hazardous reducing agents or crosslinkers or stabilizers that are commonly employed during multiple step syntheses protocols for syntheses of similar materials in literature. These astounding results that have been discovered within studies of hybrid nanomaterials are an asset to applications ranging from materials development to health science and will have striking effect on environmental and green chemistry approaches.

Water-soluble Pt(II) phosphors exist predominantly for photophysical studies. However, fewer are known to be candidates for cisplatin derivatives. If such a molecule could exist, it would be efficient at not only destroying the cancerous cells which harm the body, but the destruction would also be traceable within the human body as it occurred. Herein, research accomplished in chemistry describes the photophysical properties of a water-soluble phosphor. Spectroscopically, this phosphor is unique in that it possesses a strong green emission at room temperature in aqueous media. Its emission is also sensitive to the gaseous environment. These properties have been expanded to both analytical and biological applications. Studies showing the potential use of the phosphor as a heavy metal remover from aqueous solutions have been accomplished. The removal of toxic heavy metals was indicated by the loss of emission as well as the appearance of a precipitate. The gaseous sensitivity was elicited to be used as a potential cancerous cell biomarker. In vivo studies were accomplished in a wide variety of species, including bacteria (E. coli), worms (C. elegans), small crustaceans (Artemia), and fish (D. rerio and S. ocellatus). The phosphor in question is detectable in all of the above. This fundamental research lays the foundation for further expansion into bioinorganic chemistry, and many other possible applications.

Mycobacterium avium causes disseminated infection in humans with immunodeficiency, pulmonary infections in individuals with predisposing lung conditions (e.g., pneumoconiosis), and cervical lymphadenitis in children. Twenty-five to fifty percent of late stage AIDS patients are infected with M. avium. M. avium has been recovered from drinking water and strains from water share identical DNA fingerprints with isolates recovered from patients exposed to the water. Further, M. avium is resistant to chlorine, a disinfectant commonly used in municipal water supplies. Because of the slow growth of M. avium, measuring its susceptibility to disinfectants is laborious and reaction to a potential problem is delayed. Thus, there exists a need for a rapid test to measure the antimycobacterial disinfectant capability of chlorine containing water samples. The objective of this research was to develop a rapid and quantitative assay for the viability of mycobacteria using firefly luciferase as a reporter gene for disinfection survival studies. Derivatives of M. avium strains MD1 and A5, Mycobacterium smegmatis strain VT307 and Mycobacterium bovis BCG strain Pasteur carrying the firefly luciferase gene (pLUC10) were constructed. In pLUC10-carrying strains of M. avium strain A5 and M. smegmatis strain VT307, a direct correlation was shown between the quantity of light produced and the number of cells recovered as colony forming units. In disinfection studies of both pLUC10-carrying derivatives of M. avium strain A5 and M. smegmatis strain VT307, survival, as measured in colony forming units, correlated with survival in relative light units. Luciferase measurements appear to offer a method for rapid enumeration of mycobactericidal disinfection capacity of chlorinated water. / Master of Science

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Les traitements modernes de radiothérapie administrent la dose nécessaire à l'éradication de la région tumorale par un enchaînement complexe de faisceaux personnalisés selon l'anatomie de chaque patient. La distribution de dose résultante présente donc de forts gradients qui visent à maximiser l'irradiation de la maladie tout en limitant l'exposition des tissus sains. Or, les déformations et mouvements anatomiques que présentent certains patients viennent modifier la géométrie attendue et peuvent réduire la qualité escomptée du traitement. Dans ce contexte, le besoin d'outils permettant la quantification de la dose en présence de déformations est grandissant. Utilisant à profit les qualités uniques démontrées des dosimètres optiques, la thèse présentée vise le développement d'une nouvelle génération de dosimètres pensée pour la dosimétrie déformable. Entre autres, il sera montré que le dosimètre développé permet une mesure simultanée de la dose et de la déformation, ce qui ouvre la voie à la validation expérimentale d'algorithmes de recalage d'images déformables. Les contributions de la thèse se déploient principalement selon trois volets : la caractérisation des défis liés à l'utilisation de différentes sources de signaux radioluminescents, en particulier la radiation Cherenkov et la scintillation ; le développement de techniques de détection adaptées, telles que l'imagerie polarisée, l'imagerie spectrale et la triangulation stéréoscopique ; puis le développement d'un dosimètre déformable utilisant ces signaux pour la mesure simultanée de la dose et de la déformation. D'abord, la directionalité de l'émission Cherenkov a été caractérisée de pair avec l'imagerie polarisée. Le rayonnement Cherenkov est une émission lumineuse directement produite dans l'eau, le milieu de référence, suite à son irradiation. Or, les photons optiques sont émis selon un cône dont l'angle et l'orientation sont déterminés par l'énergie du faisceau et sa direction, lesquels varient grandement dans un fantôme. Ainsi, l'imagerie polarisée a été étudiée comme solution à l'utilisation du signal Cherenkov pour des mesures précises de la dose. En utilisant l'imagerie polarisée, la contribution polarisée du signal a été associée à la directionnalité du rayonnement qui a alors pu être corrigée. Ainsi, des écarts lors de mesures de dose atteignant jusqu'à 60% avec les valeurs attendues ont été réduits à moins de 3% en moyenne. Il a d'ailleurs été montré que l'état de polarisation du signal Cherenkov peut être utilisé pour le discriminer d'un signal de scintillation. Ainsi, les deux premières études présentées au sein de cette thèse montrent que des mesures précises (< 3%) de la dose, directement dans l'eau (le milieu de référence), peuvent être réalisées en utilisant le signal Cherenkov combiné à l'imagerie polarisée. Concernant l'utilisation de caméras pour la mesure de signaux radioluminescents, il a été montré qu'il est possible d'allier la grande résolution spatiale de ces photodétecteurs à une résolution spectrale. Les caméras polychromatiques utilisant un patron de Bayer, par exemple, collectent la lumière avec plusieurs milliers de pixels sur lesquels des filtres colorés sont apposés de sorte à former une mosaïque. Ainsi, ces caméras mesurent la lumière selon un canal rouge, vert et bleu. En utilisant les techniques de dématriçage appropriées, il est possible d'interpoler l'information spectrale manquante à chaque pixel. Ainsi, le formalisme hyperspectral, initialement développé pour des mesures en un point, peut être appliqué à des mesures de plus grande résolution spatiale. Ainsi, il a été montré que l'utilisation d'un kernel bilinéaire pour le dématriçage d'une caméra polychromatique utilisant un filtre de Bayer permet d'isoler les signaux Cherenkov et de scintillation avec une précision de 1%. Enfin, un dosimètre déformable permettant la mesure simultanée de la dose et de la déformation a été développé. Le système comprend un fantôme cylindrique transparent au sein duquel un réseau de 19 scintillateurs a été intégré. Le système comprend également un ensemble de 2 paires de caméras stéréoscopiques qui permet le suivi en 3D de la position des extrémités de chacun des scintillateurs. En conséquence, le système permet le suivi de la déformation avec une exactitude et une précision de respectivement 0.08 mm et 0.3 mm. Le suivi 3D de la position permet aussi la correction des variations de signal qui ne sont pas proportionnelles à la dose, mais plutôt au couplage des fibres avec la caméra. Le dosimètre a également permis la mesure de la dose en accord à 1% près avec celle prédite par un logiciel de planification de traitement et un système dosimétrique complémentaire. Ainsi, la thèse a permis le développement d'un premier dosimètre mesurant simultanément la dose et la déformation, permettant une comparaison avec un algorithme de recalage d'image déformable. Ce faisant, l'exploration d'une nouvelle voie d'application de la scintillation a, de plus, mené à l'avancement des connaissances en dosimétrie optique. / Modern radiotherapy treatments deliver the dose to the target through a complex sequence of beams customized to the anatomy of each patient. The resulting dose distribution therefore has strong gradients that aim to maximize disease irradiation while limiting exposure of healthy tissue. However, the anatomical deformations and movements that some patients present modify the expected geometry and may potentially reduce the quality of the treatment. In this context, there is a growing need for tools able of measuring dose in the presence of deformations. Taking advantage of the unique qualities of optical dosimeters, the presented thesis aims at developing a new generation of dosimeters designed for deformable dosimetry. Enabling simultaneous measurements of dose and deformation, this dosimeter could also be used for the validation of deformable image registration algorithms. The contributions of the thesis are threefold: the characterization of the challenges related to the use of different sources of radioluminescent signals, in particular Cherenkov radiation and scintillation; the development of appropriate detection techniques, such as polarized imaging, spectral imaging and stereo triangulation; and then the development of a deformable dosimeter using these signals for the simultaneous measurement of dose and deformation. First, the directionality of Cherenkov emission was characterized using polarized imaging. Cherenkov radiation is a light emission directly produced in water, the reference medium for beam monitoring. Cherenkov photons are emitted in a cone whose angle and orientation are determined by the beam energy and direction, which vary greatly in a phantom. Thus, polarized imaging has been investigated as a solution enabling the use of Cherenkov emission for accurate dose measurements. By using polarization imaging, the polarized contribution of the signal was associated with the directionality of the radiation, which could then be corrected. Thus, deviations in dose measurements previously up to 60% from the expected values were reduced under 3% on average. It has also been shown that the polarization state of the Cherenkov signal can be used to discriminate it from a scintillation signal. Thus, the first two studies presented in this thesis show that accurate measurements, without disturbing the reference medium, can be made using the Cherenkov signal combined with polarization imaging. Concerning the use of cameras for the measurement of radioluminescent signals, it has been shown that it is possible to combine the high spatial resolution of these photodetectors with a spectral resolution. Polychromatic cameras using a Bayer pattern, for example, collect light with several thousand pixels on which colored filters are affixed to form a mosaic. Thus, these cameras measure the light according to a red, green and blue channel. By using appropriate demosaicing techniques, it is possible to interpolate the missing spectral information at each pixel. Thus, the hyperspectral formalism, initially developed for single point measurements, can be applied to higher spatial resolution measurements. Among others, the use of a bilinear kernel for dematrixing a polychromatic camera using a Bayer filter allows to isolate Cherenkov and scintillation signals with an accuracy of 1%. Finally, a deformable dosimeter allowing the simultaneous measurement of dose and deformation has been developed. The system includes a transparent cylindrical phantom in which an array of 19 scintillators has been integrated. The system also includes a set of 2 pairs of stereo cameras that allows the 3D tracking of the position of each scintillator ends. As a result, the system allows the 3D tracking of the deformation with an accuracy and accuracy of 0.08 mm and 0.3 mm respectively. This 3D position tracking also allows the correction of signal variations that are not proportional to the dose, but rather to the coupling of the fibers with the camera. The dosimeter also allowed measurement of the dose in agreement within 1% of the dose predicted by a treatment planning software and a complementary dosimetric system. Thus, the thesis allowed the development of a first dosimeter measuring simultaneously the dose and the deformation, allowing a comparison with a deformable image registration algorithm. In doing so, the exploration of a new application of scintillation has also led to the advancement of knowledge in optical dosimetry

Le diagnostic précoce des cancers et le développement de la médecine personnalisée constituent des défis majeurs à l’heure actuelle. Ces enjeux exigent le développement de nouveaux outils capables de cibler des biomarqueurs pertinents afin de permettre un diagnostic à l’aide des techniques d’imagerie. L’objectif de ces travaux est d’élaborer de nouveaux agents de contraste innovants pour l’imagerie moléculaire des cancers. Pour ce faire, des nanoplateformes d’oxyde de fer fonctionnalisées avec de l’acide caféique et couplées à un anticorps marqué par un fluorophore ont été élaborées. Ces nanoplateformes ont été caractérisées grâce à différentes techniques et évaluées in vitro et in vivo. Une optimisation a été effectuée en utilisant des chaines PEG et un nouvel anticorps. L’ensemble de ces travaux a permis d’obtenir de agents de contrastes IRM de type T₂ ciblant les récepteurs à endothélines. A l’aide d’une nouvelle voie de synthèse, des nanoparticules d’oxyde de fer de tailles variables ont été développées et couplées à un peptide permettant le ciblage de la néoangiogenèse : le cycloRGD. Ces nanoparticules se sont révélées être d’excellents agents de contraste IRM de type T₂ conduisant un ciblage passif. Des nanoparticules à luminescence persistante ont également été synthétisées. Ces nanoplateformes, de 6 nm, offrent l’avantage de limiter l’absorption de la luminescence par les tissus et d’éviter l’excitation in situ, limitant ainsi l’autofluorescence des tissus. Enfin, l’association de ces deux types de nanoparticules à été étudié, conduisant à l’obtention de nanoparticules bimodales alliant imagerie IRM et luminescence persistante. / Early diagnosis of cancer and development of personalized medicine is a major challenge. These issues require the development of new tools which are able to target relevant biomarkers in order to access of diagnostic using imaging techniques. The objective of this work is to develop new contrast agents for molecular imaging of cancers. To this aim, the functionalized iron oxide nanoplateformes with caffeic acid were synthesized and coupled to an antibody labeled with a fluorophore. These nanoplateformes were characterized by different techniques and evaluated on in vitro and in vivo conditions. An improvement was made with the use of PEG chains and a novel antibody. Results of this work is the obtention of a T₂ MRI contrast agents targeting endothelin receptor. Using a new wayof synthesis, different sizes of iron oxide nanoparticles have been developed and coupled to apeptide for targeting the neoangiogenesis : the cycloRGD. These nanoparticles have proven to be excellent T₂ MRI contrast agents managing a passive targeting. Persistent luminescence nanoparticles were also synthesized. These 6 nm nanoparticles offer the advantage of limiting the absorption of luminescence by the tissues and prevent the excitation in situ, limiting the autofluorescence of the tissues. Finally, the combination of these two types of nanoparticles has been studied to obtain bimodal nanoparticles combining MRI and persistent luminescence imaging.

Thesis (doctoral)--Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen, 1933.

Thesis (doctoral)--Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen, 1933.

Les matériaux émetteurs et les lasers solides sont largement employés dans le domaine de l’optique et des sciences des matériaux en tant que sources d’excitation, pour des mesures expérimentales, des applications médicales, de la mise en forme ou de la découpe de métaux…Récemment des valeurs d’efficacité laser prometteuses ont été obtenues à partir de céramiques transparentes qui résultent de procédés de mises en forme plus rapides et moins couteux de matériaux à l’état cristallisé.Les travaux de recherche proposés sont centrés sur une matrice cubique dopée par des ions Eu3+ de formule Y3NbO7. Les voies de synthèse sont optimisées pour obtenir une phase pure présentant des grains homogènes en taille et de morphologie sphérique. Les paramètres SPS tels que la montée en température, la température et la durée de frittage ainsi que la pression sont ajustés pour favoriser la densification des pastilles.La spectroscopie de luminescence des ions europium trivalents est employée pour optimiser les paramètres étudiés. Les émissions enregistrées couplées à la diffraction des rayons X et à la microscopie électronique en transmission soulignent l’existence de plusieurs environnements distordus autour des ions dopants dans le réseau de type fluorine lacunaire. La cristallisation rapide obtenue par SPS, couplée à la nature du niobate de terre rare, conducteur ionique, conduit à une démixtion de la solution solide de Y3NbO7 en deux fluorines distinctes. La composition finale de la pastille est conditionnée par le ratio cationique Nb/Y. / Emitting materials and all solid state lasers are widely used in the field of optical applications and materials science as a source of excitement, instrumental measurements, medical applications, metal shaping…Recently promising laser efficiencies were recorded on transparent ceramics which results from a cheaper and faster ways to obtain crystallized materials.This investigation is focused on the cubic Eu3+ doped Y3NbO7 matrix. The synthesis route is optimized in order to obtain a pure phase which presents a homogeneous morphology of spherical grains. Several SPS parameters as heating rate, temperature, duration time and pressure are adjusted in order to increase the densification of the pellets. Luminescence spectroscopy of trivalent europium ions is used to optimize these parameters. The emission data coupled with X-Ray diffraction analysis and electronic diffraction microscopy highlight the existence of several distorted environments of the doping element in the defective fluorite type Y3NbO7 host lattice. Indeed, the fast and high crystallization rate obtained after SPS coupled with the ionic conductivity of the matrix make possible a phase composition splitting into two fluorites. The final composition of the pellet is driven by the ratio between niobium and yttrium elements.

Ce travail est consacré à l'étude des processus de relaxation de l'énergie et des canaux de perte d'énergie dans les cristaux scintillateurs CsI:A (A = Tl, In). Dans le chapitre 1 les principaux processus d'interaction des rayonnements ionisants avec les solides luminescents sont discutés. Les méthodes expérimentales et techniques utilisées dans cette étude ainsi que les méthodes de synthèse, de caractérisation cristal, de pureté, etc sont présentées dans le chapitre 2. La deuxième section traite de la description des méthodes spectroscopiques d'analyse utilisées. Il comprend des techniques spécifiques d'investigation, telles que la spectroscopie en temps résolue, la méthode de thermoluminescence, la spectroscopie de photoluminescence excitée dans l'ultraviolet lointain, obtenues à l'aide des synchrotrons. L'étude des propriétés de luminescence des centres luminescents dans CsI:Tl et CsI:In est présentée dans le Chapitre 3 et permet de caractériser le paramètre Q. La spectroscopie d'excitation et d'émission de la luminescence (surface 3D) le type, la structure électronique et le rendement des centres luminescents liés aux ions dopants sont déterminés. Dans le chapitre 4, les propriétés de scintillation de CsI:Tl et CsI:In sont présentés. Le rendement de scintillation et la résolution énergétique sont meilleurs dans les cristaux CsI:Tl. L'étude des chaines de transfert d'énergie vers les centres luminescents et des pertes d'énergie sont décrits dans le chapitre 5. Cette approche de modélisation appliquée comprend une solution numérique des équations de population. Elle est suffisamment générale pour être utilisée dans le cas d'une grande variété de matériaux scintillateurs / This work is devoted to study of energy relaxation processes and energy loss channels in CsI :A scintillation crystals (A=Tl, In). Study of energy loss mechanisms in activated CsI scintillation crystals aims to answer the question, if the fundamental limit of scintillation yield in classical alkali halide scintillators has been reached. Concentration series of CsI:Tl and CsI:In single crystalline samples were grown by the Bridgman technique. Investigation of electron excited states in this system is done using luminescence spectroscopy methods. Analysis of the experimental results allows to come up with a general model of energy relaxation in CsI:A. The model includes the activator-induced and the intrinsic (STE) energy relaxation channels, and three possible charge states of the activators. A system of kinetic rate equations (compiled based on the energy relaxation model) allows simulating many scintillation properties of CsI:A system as a function of temperature and the activator concentration