L’hydrogénation du monoxyde et du dioxyde de de carbone permet la valorisation du gaz de synthèse issu des ressources fossiles et renouvelables. Cette thèse porte sur la conception de nouveaux catalyseurs pour la synthèse d’alcools et d’oléfines à partir du monoxyde et du dioxyde de carbone. Les caractérisations ont démontré la formation de particules bimétalliques CoCu dans les catalyseurs mixtes à base de cobalt et de cuivre réduits et l’enrichissement de la surface externe par le cuivre. Ces particules bimétalliques contiennent probablement les sites actifs pour la synthèse d’alcools à partir du gaz de synthèse. Les supports (SiO2, Al2O3 et nanotubes de carbone), ainsi que certains promoteurs, le fer en particulier, ont aussi une très forte influence sur les performances des catalyseurs. La promotion avec le fer permet aussi d’augmenter la productivité des catalyseurs à base de Rh pour la synthèse d’éthanol. La formation d’interfaces entre le fer et le rhodium améliore la sélectivité de cette réaction en éthanol. La conversion du monoxyde de carbone dépend principalement de la dispersion du rhodium. Les catalyseurs Fe/ZrO2 promus par le potassium ont montré une sélectivité très importante pour la synthèse d’oléfines à partir du dioxyde de carbone. Cette augmentation de la sélectivité a été attribuée à la synergie entre le fer oxydé et les espèces Fe0/χFe5C2 qui interviennent dans cette réaction. / Catalytic hydrogenation of carbon monoxide and carbon dioxide leads to valorisation of syngas which can be produced from fossil and renewable resources. This thesis addresses design of new catalysts for synthesis of alcohols and olefins from syngas containing carbon monoxide and carbon dioxide. Catalyst characterization has demonstrated formation of bimetallic particles in copper-cobalt mixed supported catalysts and enrichment of metallic particles with copper on the outer surface in the reduced catalysts. Comparison with catalytic data suggests that these bimetallic particles probably contain the active sites for the synthesis of alcohols from syngas. The supports (SiO2, Al2O3 and carbon nanotubes), and some promoters, especially iron, also have a very strong influence on the catalyst performance. Promotion with iron also increases productivity of Rh catalysts in the synthesis of ethanol from syngas. The formation of interfaces between the iron and rhodium seems to improve the selectivity of this reaction to ethanol, while carbon monoxide conversion principally depends on rhodium dispersion. The Fe/ZrO2 catalysts promoted with potassium showed a very important selectivity for the synthesis of olefins from carbon dioxide. This increase in selectivity was attributed to the synergy between iron and oxidized species Fe0/χ-Fe5C2 which are involved in this reaction.

L’objectif est d’étudier par la méthode d’échange ionique à l’argent de verres silicatés la coloration induite etla réalisation de guides d’ondes planaires. Deux méthodes de modélisation de l’échange ionique sont présentées pour évaluer les paramètres de l’échange qui sont le coefficient de diffusion, la forme du profil et la mobilité des ions. Cette technique purement thermique permet la réalisation de guides d’onde à gradient d’indice, l’ajout d’un champ électrique permet d’obtenir un profil à saut d’indice. Différentes compositions de verre sont étudiées dans le but de déterminer la variation d’indice induite par la polarisabilité de l’ion argent plus forte que les ions sodium ou lithium initialement présents dans les verres. A la suite de l’échange ionique, un recuit peut être effectué dans le but de précipiter l’argent en nanoparticules métalliques qui possèdent des propriétés d’absorption intéressantes permettant de colorer les verres : la résonance plasmon de surface (RPS). Le mécanisme de formation de ces nanoparticules dépend de la température et de l’effet redox de l’environnement. L’irradiation effectuée par un laser pulsé nanoseconde des verres échangés permet la précipitation locale des nanoagrégats d’argent à la surface des verres. L’irradiation pulsée en régime femtoseconde permet une interaction dans le volume du verre, soit avec des nanoparticules déjà présentes dans le but de modifier la couleur localement, soit avec des verres échangés dans lequel des défauts sont générés pour ensuite favoriser la formation de nanoparticules par recuit. La modélisation de la résonance plasmon de surface effectuée permet d’évaluer le mécanisme de croissance des nanoparticules dans les verres. Les méthodes de caractérisation utilisées sont la microscopie électronique à balayage, la microscopie électronique en transmission, la spectrophotométrie UV/Visible, la photoluminescence et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. / The main purpose is to study by the method of silver ionic exchange of silicate glasses the induced coloring and the realization of planar waveguides.Two methods of modelization of Ionic exchange are presented to estimate the exchange parameters which are diffusion coefficient, profile’s shape and ions mobility. This purely thermal method allows the realization of graded index waveguide, the addition of an electric field allows to obtain a step index profile. Various glass compositions are studied with the aim of determining the index variation induced by a polarizability of silver ions stronger than those of sodium/lithium ions initially contained in glasses. Following the Ionic exchange, an annealing can be made with the aim of precipitating silver in metallic nanoparticles which possess interesting properties of absorption allowing to color glasses : the Surface Plasmon Resonance (SPR). The nanoparticles formation mechanism depends on temperature and on redox effect of the medium. The irradiation made with a pulsed laser in nanosecond regime of exchanged glasses allows the local formation of silver nanoaggregates onto the glass surface. The pulsed irradiation in femtosecond regime allows an interaction into the glass volume, either with already present nanoparticles with the aim of modifying the color locally, or with exchanged glasses in which the defects are generated to favor then the formation of nanoparticles by annealing. The modelization of Surface Plasmon Resonance allows the evaluation of the nanoparticles growth mechanism in glasses. The used methods of characterization are Scanning Electron microscopy, Transmission Electron Microscopy, UV/Visible Spectroscopy, Photoluminescence and Fourier Transform Infrared Spectroscopy.

Les nanostructures plasmoniques sont à l’origine de nombreuses avancées technologiques aussi bien en recherche analytique ou biomédicale que dans la production et le stockage d’énergie. L’intérêt pour cette nanotechnologie est motivé par l'adaptabilité des propriétés optiques et électroniques réalisable en manipulant la composition et la structure des particules métalliques. Contrairement aux matériaux macroscopiques, un minuscule changement de taille ou de morphologie peut entraîner un important changement dans la réponse optique des particules. Puisque l’efficacité des nanostructures pour le développement d’applications dépend fortement de leurs propriétés plasmoniques, un fin contrôle sur celles-ci est crucial. À cet effet, les nanoparticules creuses présentent un intérêt particulier en raison de la possibilité de moduler leur résonance plasmon de surface localisée (LSPR) par la manipulation du rapport de dimension entre la cavité et la coquille. L’approche la plus directe pour la synthèse de ce type d’architectures est la réaction de remplacement galvanique, dont la première étape est de préparer des nanoparticules de géométrie désirée qui serviront de gabarit sacrificiel, pour ensuite les oxyder avec un métal de potentiel de réduction plus élevé afin de produire une coquille creuse qui suivra la forme du gabarit. Cette approche de synthèse nécessite une maitrise de la cinétique de réaction typiquement obtenue en contrôlant le débit d’incorporation du réactif, par l’ajustement de la température du milieu réactionnel et/ou l’ajout d’un co-réducteur. Cette thèse décrit comment l'efficacité du remplacement galvanique peut être améliorée en contrôlant le degré d'hydratation et d'hydrolyse du précurseur d'ions métalliques (c.-à-d. leur spéciation) en utilisant le pH ou la concentration de ligand comme paramètres de contrôle. Dans ce travail, nous avons démontré que les espèces Au3+ hautement chlorées de forme AuCl4-q(OH)- q remplacent agressivement les nanoparticules Ag et conduisent à des structures brisées alors que les espèces fortement hydrolysées sont inactives en raison de leur potentiel de réduction plus faible à celui de l’argent. Toutefois, en utilisant des ions métalliques partiellement hydrolysés, nous avons pu obtenir des nanostructures creuses avec des parois lisses ou rugueuses. Par ailleurs, les propriétés optiques des nanoparticules creuses Ag-Au telles que les énergies de résonance plasmon et l'intensité des bandes d’extinction et de diffusion ont été analysées. Deux paramètres-clé pour modifier les propriétés optiques ont été étudiées, à savoir, la stœchiométrie atomique des métaux et la taille de la matrice sacrificielle utilisée. Nous avons démontré que la combinaison des deux approches offre de nombreuses possibilités pour le réglage des résonances plasmon. Finalement cette étude a été étendue à d’autres ions métalliques, tels que PdCl2-4- et PtCl2-4- , pour la formation de nanoparticules creuses Ag-Pd et Ag-Pt. / Plasmonic nanostructures are at the origin of many technological advances in analytical or biomedical sciences as well as for the production and storage of energy. The interest for this nanotechnology is motivated by the adaptability of optical and electronic properties achievable by manipulating the composition and structure of the particles. Unlike macroscopic materials, a tiny change in the size or morphology may result in a significant change in the optical response of particles. Since the efficiency of nanostructures for application development strongly depends on their plasmonic properties, a fine control over them is crucial. For this purpose, hollow nanoparticles are of interest because of their highly tunable localized surface plasmon resonance (LSPR) made possible by manipulating the dimension ratio between the cavity and the shell. The most direct approach for synthesizing this type of architecture is the galvanic replacement reaction, where nanoparticles of the desired geometry are first prepared as a sacrificial template and then oxidized with a metal ion of higher reduction potential producing a hollow shell which conforms to the shape of the template. This synthesis approach requires excellent control over reaction kinetics typically obtained by adjusting the rate of incorporation of the reagent, the temperature of the reaction medium, and/or by the addition of a co-reducer. This thesis describes how the efficiency of galvanic replacement can be improved by controlling the degree of hydration and hydrolysis of the metal ion precursor (i.e., the metal ion speciation) using pH or ligand concentration as control parameters. In this work, we have demonstrated that highly chlorinated Au3+ species in the forms of AuCl4-q(OH)- aggressively replace Ag nanoparticles and lead to broken structures while highly hydrolyzed species are inactive due to their lower reduction potential than that of the Ag nanoparticles. However, using partially hydrolyzed metal ions, we were able to obtain hollow nanostructures with smooth or rough walls. In addition, the optical properties of Ag-Au hollow nanoparticles such as the plasmon resonance energies and the intensity of the extinction and diffusion bands were analyzed. Two key parameters to modify the optical properties were studied, namely the atomic stoichiometry of the metals and the size of the sacrificial template. We have shown that the combination of the two approaches offers many possibilities for the tuning of plasmon resonances. Finally, this study was extended to other metal ions, such as PdCl2-4 and PtCl2-4 , for the formation of nanoparticles hollow Ag-Pd and Ag-Pt.

L’augmentation de la pression intraoculaire (PIO) constitue un important facteur de risque dans l’apparition d’un glaucome, car elle est susceptible d’endommager de manière irréversible le nerf optique et de mener à une perte de la vision. Cependant, les médicaments actuellement utilisés pour réduire la PIO pénètrent difficilement dans l’oeil jusqu’à leur site d’action. En effet, plusieurs barrières physiologiques empêchent les corps étrangers d’y accéder. Il s’avère donc nécessaire de développer un système de relargage permettant d’améliorer la médication contre le glaucome. L’hypothèse de ce projet est basée sur l’utilisation des nanoparticules d’or (AuNP) en tant que vecteurs de médicaments, ainsi que sur leur propriété de liaison aux protéines du film pré-cornéen afin d’augmenter la biodisponibilité et l’efficacité des médicaments contre le glaucome. La synthèse et la purification d’AuNP stabilisées par différents groupements polyéthylène glycol (PEG) ont été mises au point et optimisées. L’étude de l’encapsulation du travoprost, molécule fortement hydrophobe utilisée actuellement pour traiter le glaucome, a été réalisée par spectroscopie UV-visible (UV-vis) et diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les propriétés mucoadhésives des AuNP ont été étudiées notamment par UV-vis, spectrofluorimétrie, ainsi que par une méthode de quantification colorimétrique. Le PEG constitue un environnement favorable permettant d’encapsuler le travoprost, alors que les mucines sont en mesure de se lier efficacement aux AuNP jusqu’à leur coeur métallique. Les AuNP stabilisées par du PEG monothiol de 2000 g/mol (PEG 2000-SH) sont plus mucoadhésives que celles stabilisées par un mélange de PEG 2000-SH et de PEG 1000 double thiol. Ces travaux répondent à une problématique actuelle qui est la faible biodisponibilité des médicaments contre le glaucome administrés par voie topique. À terme, si les propriétés mucoadhésives des AuNP se confirment, cette stratégie pourrait être utilisée pour des médicaments visant d’autres muqueuses (respiratoires, sexuelles, digestives ou bu / An increased intraocular pressure (IOP) is an important risk factor in the development of glaucoma because it can irreversibly damage the optic nerve, eventually resulting in vision loss. However, IOP-reducing drugs which are topically administrated do not permeate easily into the eye to reach their site of action. Indeed, many physiological barriers prevent the entrance of foreign bodies. It is thus necessary to develop a new drug release system in order to improve glaucoma medication. The hypothesis of this project is based on the use of gold nanoparticles (AuNP) as drug vectors and their properties to bind tear film proteins in order to increase the bioavailability and efficiency of IOP-reducing drugs used to treat glaucoma. The synthesis and purification of AuNP stabilized by different polyethylene glycol (PEG) groups were developed and optimized. The study of the encapsulation of travoprost, a highly hydrophobic drug currently used to treat glaucoma, was performed using UV-visible spectroscopy (UV-vis) and dynamic light scattering. The mucoadhesive properties of AuNP were assessed, in particular by UV-vis, spectrofluorimetry and by a colorimetric quantification method. Depending on the type of AuNP, mucins are able to efficiently interact with their metallic core or their surface. Moreover, the PEG groups coating the nanoparticles constitute a favorable environment for the travoprost, allowing the AuNP to encapsulate several molecules. AuNP stabilized by thiolated PEG having a molar weight of 2000 g/mol (PEG 2000-SH) are more efficient than AuNP stabilized by PEG 2000-SH plus dithiol PEG 1000 (AuNP double thiol). This research project proposes solutions countering the low bioavailability of topically-administered antiglaucoma drugs. Eventually, this strategy could be used to deliver other classes of drugs to other mucosal targets, such as respiratory, sexual, digestive or buccal ones.

L'objectif est d'étudier par la méthode d'échange ionique à l'argent de verres silicatés la coloration induite etla réalisation de guides d'ondes planaires. Deux méthodes de modélisation de l'échange ionique sont présentées pour évaluer les paramètres de l'échange qui sont le coefficient de diffusion, la forme du profil et la mobilité des ions. Cette technique purement thermique permet la réalisation de guides d'onde à gradient d'indice, l'ajout d'un champ électrique permet d'obtenir un profil à saut d'indice. Différentes compositions de verre sont étudiées dans le but de déterminer la variation d'indice induite par la polarisabilité de l'ion argent plus forte que les ions sodium ou lithium initialement présents dans les verres. A la suite de l'échange ionique, un recuit peut être effectué dans le but de précipiter l'argent en nanoparticules métalliques qui possèdent des propriétés d'absorption intéressantes permettant de colorer les verres : la résonance plasmon de surface (RPS). Le mécanisme de formation de ces nanoparticules dépend de la température et de l'effet redox de l'environnement. L'irradiation effectuée par un laser pulsé nanoseconde des verres échangés permet la précipitation locale des nanoagrégats d'argent à la surface des verres. L'irradiation pulsée en régime femtoseconde permet une interaction dans le volume du verre, soit avec des nanoparticules déjà présentes dans le but de modifier la couleur localement, soit avec des verres échangés dans lequel des défauts sont générés pour ensuite favoriser la formation de nanoparticules par recuit. La modélisation de la résonance plasmon de surface effectuée permet d'évaluer le mécanisme de croissance des nanoparticules dans les verres. Les méthodes de caractérisation utilisées sont la microscopie électronique à balayage, la microscopie électronique en transmission, la spectrophotométrie UV/Visible, la photoluminescence et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier.

L'objectif principal de ce travail est la préparation de nanoparticules d'argent (AgNPs) stabilisées par des oligo-et polysaccharides et leur application en catalyse et pour la détection de lectines. Pour atteindre cet objectif, deux stratégies ont été utilisées, l'une utilisant le polysaccharide dextran comme stabilisant et l'autre utilisant des composés amphiphiles oligosaccharidiques dérivés du maltose, lactose, maltoheptaose et du xyloglucane. Dans les deux stratégies, la préparation des nanoparticules AgNPs a été optimisée en réalisant une analyse multifactorielle basée sur l'étude de la bande de résonance plasmonique de surface (SPR) des nanoparticules. Toutes les suspensions colloïdales stables de nanoparticules ont été caractérisées par spectroscopie ultraviolet-visible (UV-vis), microscopie électronique à transmission (TEM), diffraction des rayons X aux petits angles (SAXS) et par diffusion dynamique de lumière (DLS). Les activités catalytiques des nanoparticules ont été déterminées pour la réaction de réduction du p-nitrophénol (Nip) par NaBH4, dans l'eau ou dans des mélanges eau-éthanol. Parmi les différentes nanoparticules préparées, celles stabilisées par du dextran ou par le dérivé de maltoheptaose Mal7NAcC12 ont montré les meilleures propriétés catalytiques pour la réduction du Nip par NaBH4 avec des constantes de vitesse respectives de 1,41 et 1,11 s-1 m-2 L. Ces valeurs sont parmi les plus élevées de la littérature. L'effet du solvant et notamment de la présence d'éthanol sur les propriétés catalytiques des nanoparticules a également été évalué. Il a été montré que la présence d'éthanol inhibe l'activité des nanoparticules, probablement par formation d'une couche de solvant à la surface des particules entrant en compétition avec le réducteur. Enfin, trois systèmes différents (Ag-Mal7NAcC12 Ag-XGONAcC12 et Ag-LacNAcC12) ont été évalués comme biocapteurs potentiels pour la détection de lectines. Les nanoparticules Ag-Mal7NAcC12 en particulier ont permis la détection colorimétrique et sans marquage de la Concanavaline A. / The main goal of this work is the preparation, characterization and catalytic and lectins detection studies of silver nanoparticles (AgNPs) having sugar-based compounds as stabilizers. To achieve this goal two strategies were used, one using the polysaccharide dextran as stabilizer and other using amphiphile compounds based on oligosaccharides (maltose, lactose, maltoheptaose and xyloglucan). In both strategies the optimization of AgNPs preparation was realized using a multivariate analysis based in informations collected from the surface Plasmon resonance band (SPR) of AgNPs. All stable AgNPs were characterized by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis), transmission electron microscopy (TEM), small-angle X-ray scattering (SAXS) and dynamic light scattering (DLS) techniques. The catalytic activities of AgNPs were determined over the p-nitrophenol (Nip) reduction reaction by NaBH4, as reducing agent, in water or water-ethanol mixtures. Two different types of amphiphiles were synthesized, one with an alkyne group in the junction of a sugar block with a hydrophobic block and the other type with a carboxylic acid group in the end of hydrophobic part. The amphiphiles were characterized by 1H and 13C NMR and mass spectrometry. The Nip reduction reaction with NaBH4 showed the best catalytic activity with AgNPs-dextran and Ag-Mal7NAcC12 nanoparticles with the rate constant normalized to the surface area of the NPs per unit volume of 1.41 and 1.11 s-1 m-2 L, respectively. These values are among the highest ones found in literature. The solvent effect in this reaction was evaluated by mixtures of water and ethanol. Applying a pseudo-monomolecular surface reaction as an experimental artifice, the obtained kinetic data were treated according to the Langmuir model, which combined with water/ethanol surface tension observations revealed that addition of ethanol inhibit the reaction, most probably by competing with BH4- ions for the nanoparticles surface, with the formation of a solvent monolayer. Finally, three different systems (Ag-Mal7NAcC12, Ag-XGONAcC12 and Ag-LacNAcC12) were tested as sensor for lectin detection and Ag-Mal7NAcC12 nanoparticles showed specific interaction with the Concanavalin A.

Les nanozéolithes assemblées sous forme de films ou couches minces et fonctionnalisées par des nanoparticules (NPs) métalliques sont attractives pour le développement de matériaux photoactif pour la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique, via des processus de plasmoniques chimiques. Afin de soutenir le développement de ces nouveaux matériaux, l’étude des mécanismes gouvernant les photo-transferts ultrarapides de l’énergie à partir des électrons du métal excité est nécessaire. La spectroscopie d’absorption transitoire est une méthode bien adaptée, bien que peu utilisée, pour l’étude des solides poreux.Ce travail présente l’étude de la réponse transitoire de NPs d’argent stabilisées dans des nanozéolithes EMT et LTL préparées en suspension colloïdale puis déposées sous la forme de couches minces transparentes. Les spectres d’absorption transitoires de Ag-EMT et Ag-LTL ont été enregistrés après excitation de l’échantillons par des impulsions de 100 fs à 400 nm et 350 nm, sous vide. Les résultats montrent pour Ag-LTL que l’excitation induit la formation d’électrons chauds dans la bande de conduction qui relaxe par couplage électron-phonon. Ce comportement est typique d’une NP métallique excitée. Pour Ag-EMT, le comportement observé implique la forte délocalisation des électrons excités hors du métal vers les états électronique de la charpente zéolithes. Les mesures pompe-sondes réalisées en présence d’eau ou de méthanol en quantité contrôlée dans la zéolithe, déterminée et calibrée à partir de mesures par spectroscopie IRTF, montre que ces molécules interagissent différemment avec les NPs excités et modifient les interactions entre le métal et la zéolithe. / Nanozeolites assembled in thin films or layers and functionalized by metallic nanoparticles are attractive in the course of the development of photoactivable material for the light-to-chemical energy conversion through chemical plasmonic processes. To support the development of these new materials, the understanding of the mechanisms governing the ultrafast phototransfer of energy is mandatory. Transient absorption spectroscopy is a well-suited method, although rarely used, for the study of porous solids. This work presents the study of the transient response of silver nanoparticles stabilized in EMT and LTL nanozeolites prepared as colloidal suspension and then assembled in thin transparent films. Transient absorption spectra of Ag-LTL and Ag-EMT, under vacuum, were recorded after excitation of the sample by 100 fs pulses at 400 nm and 350 nm. The results show that for Ag-LTL, the excitation induces the formation of hot electrons in the conduction band that relax through electron-phonon coupling. This behavior is typical of an excited metallic nanoparticle. The behavior observed for Ag-EMT implies strong delocalization of the excited electrons out of the metal toward the electronic states of the zeolite framework. The pump-probe measurements made in presence of controlled amount of water or methanol in the zeolite, as determined and calibrated from FTIR measurements, show that those molecules interact differently with the excited nanoparticles and modify the interaction between the metal and the zeolite.

La compréhension des fonctions du cerveau a toujours fasciné les scientifiques travaillant dans différents domaines de recherche et reste un sujet de recherche très vaste et complexe dont la maîtrise requière non seulement une étude approfondie des neurosciences mais aussi des outils facilitant cette étude. La conception de ces outils, tout comme le reste du matériel nécessaire aux études scientifiques, a connu de grands progrès suite aux avances technologiques des différents domaines d'ingénierie. Cependant, certaines molécules, notamment les neurotransmetteurs, qui sont impliquées dans le bon fonctionnement du cerveau et dont le dysfonctionnement est souvent associé aux pathologies neuropsychologiques restent très difficiles à discerner avec précision parmi d'autres molécules avec des propriétés physicochimiques semblables et surtout à cause de leur trop faible concentration dans les liquides physiologiques. Ce problème est encore plus en plus critique pour des applications in situ qui nécessitent une réponse rapide avec un minimum de matériel. Plusieurs méthodes de séparation et de détection moléculaire utilisées dans les autres domaines de recherche, malgré leur succès dans la détection de la plus part des neurotransmetteurs, ne conviennent pas au développement d'un outil de détection compact et réutilisable. Parmi ces méthodes, les plus représentatives sont basées sur des techniques telles que : 1. l'imagerie tomographique, la chromatographie en phase liquide à haute performance et les méthodes analytiques, qui utilisent la dérivatisation et dont la technologie actuelle ne permet pas la miniaturisation. 2. l'électrochimie, dont la sensibilité et la sélectivité sont limitées et dont surtout l'application se limite aux molécules actives aux réactions redox. 3. La colorimétrie, utilisant principalement des marqueurs non-cyclables. Pour des analyses ex situ qui ne nécessitent pas une réponse immédiate, ces techniques peuvent convenir pour réaliser la détection d'un neurotransmetteur donné. Cependant, pour comprendre le fonctionnement du système nerveux au niveau cellulaire, les recherches en neurosciences et en pathologie neuronale bénéficieraient d'un système autonome permettant de faire des mesures continues in situ. Même si ces méthodes fonctionnent au niveau cellulaire, le défi réside dans le fait elles sont difficilement miniaturisables avec les technologies actuelles. Cette thèse de doctorat comporte deux volets de recherche et ses contributions ont été présentées dans cinq conférences internationales et trois articles de journaux publiés ou soumis. L'objectif du premier volet de recherche est de développer une méthode de détection de neurotransmetteurs basée sur la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon de nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées avec un aptamère spécifique à la molécule cible. L'objectif du deuxième volet de recherche est de concevoir un système compact basé sur la spectroscopie visible pour la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon des nanoparticules d'or utilisées comme biocapteurs de la molécule cible. Les deux volets ont alors pour objectifs spécifiques de : 1. Échantillonner un volume prédéterminé d'une solution inconnue, la mélanger avec un volume adéquat de nanoparticules d'or fonctionnalisées et détecter de façon autonome la concentration de dopamine dans la solution inconnue 2. Réutiliser les nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées pour des utilisations futures. À ce jour, mis à part mes travaux de recherche, aucune méthode de détection de neurotransmetteurs ou autre molécule, atome ou ion n'utilise des nanoparticules d'or ou autre nano-objets plasmoniques réutilisables. La contribution majeure de ce projet, réalisé dans le premier volet de recherche, est la mise au point d'une méthode de détection moléculaire basée sur des nanoparticules d'or ultrastables et réutilisables qui ne s'agrègent pas dans conditions non supportables par d'autres types de nanoparticules d'or. Pour concrétiser l'objectif de détection de la dopamine in situ, le système optofluidique a été développé dans le deuxième volet de recherche et, en plus d'avoir une résolution spectrale comparable à un spectrophotomètre commercial, son module fluidique permet un échantillonnage automatique dans un volume 11 × 9 × 6 cm³. / Understanding the functions of the brain has always fascinated scientists working in different domains and it remains a very broad and complex subject of research requiring not only a depth study of neuroscience but also adequate tools to facilitate this study. The design of these tools, as well as the rest of the scientific equipment, has known great advances due to technological advances in the various fields of engineering. However, some molecules, such as neurotransmitters, which are involved in the adequate brain functions and whose dysfunction is often associated with neuropsychological pathologies remain very difficult to detect with precision among other molecules with similar physicochemical properties due to their very low concentration in physiological fluids. This problem is even more critical for in situ applications which require a quick response with limited equipment. Despite their success in the detection of most neurotransmitters, most molecular separation and detection methods used in other research fields, are not suitable for the development of compact and reusable detection systems. Among these methods, the most representative are based on techniques such as: 1. Tomographic imaging, high-performance liquid chromatography, and derivatization-based analytical methods that are not suitable for miniaturization with current technology. 2. Electrochemistry whose sensitivity and selectivity are limited and whose application is mainly limited to redox-active molecules. 3. Colorimetry based on non-reusable markers. For ex situ analyzes which do not require an immediate response, at least one of these techniques is suitable for the detection of a given neurotransmitter. However, to understand how the nervous system works at the cellular level, research in neuroscience and neuronal pathology may benefit from an autonomous system able to make continuous measurements in situ. Although these methods actually work at the cellular level, the challenge lies in the fact that they are difficult to miniaturize with current technologies. This project has two parts and its contributions have been presented in five international conferences and three published or submitted journal articles. The aim of the first part of the project was to develop a neurotransmitter detection method based on the measurement of the bathochromic shift of aptamer modified ultrastable gold nanoparticles' plasmon band as a response to the concentration of the target molecule. The aim of the second part is to design a compact system based on visible spectroscopy for the detection of the possible bathochromic shift of the plasmon band of the gold nanoparticles used as a probe for the target molecule. The specific objectives of this project include: 1. Sample a predetermined volume of an unknown solution, mix it with an adequate volume of functionalized gold nanoparticles and automatically detect the dopamine concentration in the unknown solution. 2. Reuse functionalized ultrastable gold nanoparticles for future uses. So far, apart from this project, there is any detection method for neurotransmitters or any other molecule, atom, or ion based on reusable gold nanoparticles or any other reusable plasmonic nano-objects. The major contribution, realized in the first part of this project, is the development of a new molecular detection method based on ultrastable and recyclable gold nanoparticles which do not aggregate under the most difficult conditions for other types of gold nanoparticles. Furthermore, to achieve the objective of detecting dopamine in situ, the optofluidic system developed in the second part of this project, not only has a spectral resolution comparable to the commercial laboratory spectrophotometer but also contain a fluidic module to allow automatic sampling and the whole system have a volume of only 11 × 9 × 6 cm³.

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / Des études récentes se sont concentrées sur la production d'énergie à partir de sources différentes des combustibles fossiles. Parmi ces autres sources, la production d'hydrogène vert par photocatalyseurs a attiré l'attention ces dernières années, en particulier l'utilisation de cadres métallo-organiques (MOF) qui a donné des résultats en matière de production d'hydrogène grâce à la surface élevée, à la taille adéquate des pores, à la grande stabilité et à la composition ajustable de ce type de matériaux. Néanmoins, ces matériaux souffrent de la recombinaison des charges électron-trou, de problèmes de stabilité et d'une faible absorption de la lumière. Pour améliorer les performances des MOF, de nombreuses méthodes de synthèse sont mises en place, ainsi que des stratégies qui impliquent l'utilisation de co-catalyseurs, la modification superficielle et le dopage, entre autres. L'une des stratégies explorées consiste à tirer parti des phénomènes de résonance plasmonique locale (LSPR) affichés par des nanoparticules de métaux nobles de tailles spécifiques. Ces nanoparticules améliorent les propriétés d'absorption de la lumière du MOF et génèrent des paires électron-trou qui peuvent être facilement transférées à des matériaux liés pour conduire des réactions d'oxydoréduction dans les centres actifs du matériau. Pour tirer parti de cet effet, il est important de contrôler la taille des nanoparticules, la méthode de liaison avec le photocatalyseur et la morphologie, entre autres. Le présent document donne un aperçu des différents matériaux utilisés pour la production d'hydrogène, des différentes techniques permettant d'améliorer les performances de ces matériaux, comme les matériaux à effet LPRS, les photocatalyseurs à atome unique et les MOF de porphyrine, afin d'identifier les opportunités et les défis liés à la mise en œuvre de ces matériaux pour la production photocatalytique d'hydrogène. / Recent studies have focused on the generation of energy from sources different than fossil fuels, among these other sources, the green hydrogen generation through photocatalysts has gained attention in recent years, particularly the use of metal-organic frameworks (MOFs) has shown results towards hydrogen generation thanks to the high superficial area, adequate pore size, high stability and the tuneable composition of these type of materials. Nevertheless, these materials suffer from electron-hole charge recombination, stability problems, and poor light absorption. To enhance the performance of MOFs multiple synthetic methods are implemented, as well as strategies that involve the use of co-catalysts, superficial modification, and doping, among others. One of the strategies explored consists in taking advantage of the local plasmonic resonance phenomena (LSPR) displayed by noble metal nanoparticles with specific sizes, these nanoparticles will improve the light absorption properties of the MOF and will generate electron-hole pairs which can be easily transferred to linked materials to conduct redox reactions in the active centers of the material. To take advantage of this effect is important to control the size of the nanoparticle, the linkage method with the photocatalyst, and the morphology, among other factors. Herein, this document provides an overview of the different materials used for hydrogen generation, the different techniques for enhancing the performance of these materials, and a more in-depth view of LPRS effect materials, single atom photocatalysts, and porphyrin MOFs, to identify the opportunities and challenges on the implementation of these materials for photocatalytic hydrogen generation.

Pour mieux comprendre les processus moléculaires à la base de la communication synaptique, il est nécessaire de pouvoir observer et contrôler l’activité synaptique avec une grande précision temporelle (ms) et spatiale (échelle nanométrique). Mon projet propose d’utiliser une technique de stimulation optique localisée basée sur l’excitation plasmonique de nanoparticules d’or (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) afin de produire une stimulation synaptique localisée sur une seule synapse. NALOS peut être réalisé en utilisant un microscope confocal équipé d’un laser infrarouge femtoseconde pour stimuler des nanoparticules d’or déposées sur les neurones en culture. Il a été démontré qu’il est possible d’induire avec NALOS une augmentation transitoire de Ca2+ intracellulaire sur une dendrite, mesurée avec l’aide de GCaMP6s, un indicateur de Ca2+ génétiquement encodé1 . Afin de mieux comprendre les effets physiologiques de NALOS sur les neurones, la première partie de mon projet vise à caractériser le mécanisme sous-jacent à la technique. Pour ce faire, nous avons varié la puissance de la stimulation laser sur les nanoparticules d’or pour caractériser les différentes réponses calciques transitoires intracellulaires obtenues ainsi que la possible formation de trous sur la membrane. Nous avons ensuite identifié les principaux récepteurs et canaux ioniques pouvant être stimulés avec NALOS en utilisant différents antagonistes. Nous avons ensuite appliqué NALOS pour générer une stimulation synaptique. Pour y parvenir, nous avons stimulé localement un axone et observé la réponse calcique reliée à une stimulation synaptique par relâchement naturel de glutamate via des vésicules de la zone active présynaptique. Cet outil permettra donc de stimuler et d’observer, une synapse à la fois, des changements structurels et moléculaires reliés à la communication synaptique. / To better understand the molecular processes underlying synaptic communication, it is necessary to be able to observe and control synaptic activity with high temporal (ms) and spatial (nanoscale) precision. My project proposes using a localized optical stimulation technique based on the plasmonic excitation of gold nanoparticles (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) to produce synaptic stimulation localized at a single synapse. NALOS can be performed using a confocal microscope equipped with an infrared femtosecond laser to stimulate gold nanoparticles deposited on cultured neurons. It has been shown that NALOS can induce a transient stimulation of intracellular Ca2+ on a dendrite, measured with the help of GCaMP6s, a genetically encoded Ca2+ indicator1 . For a better understanding the physiological effects of NALOS on neurons, the first part of my project aims to characterize the mechanism underlying this technique. To do this, we varied the power of laser stimulation on gold nanoparticles to decipher the different intracellular transient Ca2+ responses obtained as well as to investigate the possible formation of holes on the membrane. We then determined the main receptors and ion channels that can be stimulated with NALOS. We then applied NALOS to generate synaptic stimulation. To do this, we locally stimulated an axon and look at the Ca2+ response related to synaptic stimulation by natural release of glutamate via vesicles of the presynaptic active zone. This tool will thus make it possible to stimulate and observe, one synapse at a time, structural and molecular changes related to synaptic communication