Cette thèse s’intéresse à la synthèse et à l’étude des propriétés de nanoparticules organiques photochromes d’Hexaarylbiimidazoles (HABIs) pontés. Deux voies de synthèse ont été envisagées. La photofragmentation laser (I), pour laquelle la réaction photochrome a lieu conjointement à la fragmentation de la matière, et la méthode de reprecipitation (II) qui ne nécessite pas d’irradiation lumineuse. La photodynamique des HABIs pontés a été pour la première fois déterminée à l’aide des techniques de spectroscopies électronique (UV-visible) et vibrationnelle (IR) d’absorption transitoire aux échelles femtoseconde et nanoseconde. Les espèces transitoires impliquées ont été caractérisées par une approche chimiométrique de résolution de courbes multivariées. Celle-ci a été adaptée afin de prendre en compte la spécificité des signaux transitoire tels que les processus de relaxation vibrationnelle. Pour les nanoparticules synthétisées par (I), nous avons observé : i) une photodissociation et une augmentation de la distance entre les groupes imidazoles en 210 fs, ii) une rotation partielle des groupes imidazoles en 5 ps, iii) une relaxation lente en environ 200 ps et iv) un retour thermique rapide (≈ 800 µs contre 300 ms en solution). Par contre, pour les nanoparticules formées par (II), le temps de retour thermique est comparable à celui observé en solution. Cela suggère que la photofragmentation induit un réarrangement des molécules au sein des nanoparticules avec une géométrie spécifique de type monocristal. Cette hypothèse est discutée sur la base de calculs de chimie théorique et par comparaison des propriétés des HABIs en solution et à l’état de solide polycristallin. / This work deals with the study of photochromic organic nanoparticles of bridged-Hexaarylbiimidazoles (HABIs) molecules. Two synthesis paths were proposed. On the one hand, laser photofragmentation (I) for which photochromic reaction and matter fragmentation occur simultaneously. On the other hand, the reprecipitation method (II) does not involve light excitation. The photodynamics of bridged-HABIs has been characterized for the first time using electronic (UV – visible) and vibrational (IR) transient absorption spectroscopy in femtosecond and nanosecond time scale. Transient spectra were analyzed by a chemometric approach based on multivariate curve resolution. The algorithm was adapted to deal with specific signals such as vibrational relaxation processes. For nanoparticles synthesized with (I), we report: i) a photo-dissociation and an increase of the distance between imidazole groups within 210 fs, ii) a partial rotation of the former in 5 ps, iii) a slow relaxation in about 200 ps and iv) a fast thermal back reaction (≈ 800 µs compare to 300 ms in solution). However, for nanoparticles synthesized by (II), the thermal back reaction is similar to the one reported in solution. This suggests that photofragmentation induces a molecular rearrangement with a specific geometry as observed in single crystal. This hypothesis is discussed on the basis of theoretical chemistry calculation and by comparing HABI’s properties in solution and in polycrystalline powder.

La première partie du travail de thèse a été l’étude de nanoparticules organiques (NPFs) de BODIPY de forte brillance (plus de 5000 molécules encapsulées). Des expériences par fluorescence résolue en temps ont permis de déterminer la présence d’agrégats non fluorescents et d’excimères (temps de vie de 1,8 ns). D’autre part, des expériences d’anisotropie de fluorescence résolue en temps et de spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde ont révélé l’existence de transferts d’énergie ultrarapides et efficaces, migration intermoléculaire (< 25 ps) et annihilation singulet-singulet (< 2 ps). Enfin, le suivi de l’émission des NPFs par spectroscopie de particules uniques a permis d’observer leur clignotement à l’échelle de la centaine de millisecondes. Cependant, due à une trop forte densité de molécules émissives, aucune extinction totale de fluorescence (état OFF) n’a été observée. L’absence d’état OFF ne permettant pas l’utilisation d’une méthode de localisation de molécules uniques, la deuxième partie du travail a concerné le développement d’une méthode de traitement des données d’imagerie de fluorescence de molécules uniques possédant une forte densité de molécules émissives. Cette méthode (MAPPIX, MAPping Pixel dissimilarity) utilise la fluctuation d’intensité de l’émission de fluorescence des sondes au cours du temps et est basée sur un calcul de dissimilarité. Les résultats obtenus sur des données simulées et des images réelles se sont avérés très concluant. Bien que n’ayant pas pu être rationalisé en termes de gain de résolution, une amélioration de contraste permettant de dépasser la limite de diffraction a été observée. / The first part of the thesis was the study of bright BODIPY nanoparticles (NPFs) (more than 5000 encapsulated molecules). Non-fluorescent aggregates and excimers (lifetime of 1.8 ns) were characterized by time resolved fluorescence experiments. In addition time-resolved fluorescence anisotropy and femtosecond transient absorption spectroscopy experiments revealed efficient ultrafast energy transfer, intermolecular migration (< 25 ps) and singlet-singlet annihilation (< 2 ps). Single particle spectroscopy on NPFs, function of the number of excited molecules within a NPF, revealed some blinking at the scale of about a hundred of milliseconds. However, due to too high density of emissive molecules, complete extinction of fluorescence (OFF state) could not be observed. The absence of OFF state forbid the use of a single molecule localization methods, the second part of this work was thus focused on the development of a data treatment method for single molecule fluorescence images containing high density of emitters. This method (MAPPIX, MAPping Pixel dissimilarity) uses the intensity fluctuations of the probes fluorescence emission over time and is based on a dissimilarity calculation. The results obtained on simulated data and real images were very conclusive. Although it was not possible to be rationalized it in terms of resolution, a contrast improvement bypassing the diffraction limit was observed.

Au cours des vingt dernières années, les nanomatériaux (caractérisés par des dimensions de l’ordre de 10 à 100 nm) ont attiré une attention croissante de par leurs propriétés optoélectroniques uniques. C’est tout particulièrement vrai pour les nanomatériaux inorganiques, tels que les quantum dots, les nanoparticules métalliques ou encore les nanoparticules à base de silice. Par contre, l’étude des nanomatériaux obtenus à partir de molécules organiques est un domaine d’intérêt beaucoup plus récent. Cette thèse présente une étude détaillée de nanoparticules organiques fluorescentes originales et des nanostructures organiques préparées à partir de deux ou trois types de chromophores distincts (nanocomposites binaires et ternaires). En particulier, l'attention est focalisée sur la préparation, la caractérisation et la stabilisation de ces nouveaux nanomatériaux, ainsi que leurs applications dans le domaine biologique et de l’opto-electronique. / During the past two decades, increasing research attention has been devoted to nanomaterials (materials in the range of 10-100 nm) because of their unique optoelectronic properties. In particular, inorganic nanomaterials, such as quantum dots, metal-based nanoparticles and silica nanoparticles, have been investigated extensively. Instead, nanomaterials based on organic molecules are been subject of research only since very recent years. This thesis presents an extensive study of novel fluorescent organic nanoparticles and fluorescent organic binary and ternary nanoassemblies. In particular the attention is focused on the preparation and characterization of organic nanoparticles and new nanocomposites obtained from different types of small organic chromophores, their stabilization and the use of these materials for biological and optoelectronics applications.

L’utilisation de nano-objets luminescents en milieu biologique est devenue très répandue, notamment en vue d’applications biomédical est elles que l’imagerie, la thérapie et le diagnostic. Jusqu’à récemment, les principaux travaux réalisés dans ce domaine concernaient les nanoparticules de silice dopées ou fonctionnalisées avec des molécules organiques, les nanoparticules d’or et les nanoparticules semi-conductrices (quantum dots, i.e., QDs). Toutefois, un certain nombre de limitations demeurent pour les applications dans le domaine du vivant, en lien notamment avec des problèmes de stabilité, de biocompatibilité et de toxicité ou encore de biodégradabilité. En parallèle,un certain nombre de molécules organiques fluorescentes non-toxiques ont été utilisées comme sondes fluorescentes en milieu biologique, mais leur brillance demeure limitée. L’idée directrice de la thèse est de concevoir et synthétiser de nouveaux chromophores organiques présentant une émission modulable (du visible au proche infrarouge) et adaptés à la préparation de nanoparticules organiques fluorescentes (FONs) combinant à la fois une brillance extrêmement élevée, une excellente stabilité colloïdale et une photostabilité adaptée à leur utilisation en imagerie in vitro et in vivo. De tels nanoobjets ultra-brillants pourraient alors représenter une alternative très intéressante aux nanoparticules actuellement les plus utilisées en imagerie de fluorescence du vivant (QDs). Le manuscrit décrit la synthèse et les propriétés de plusieurs classes de molécules fluorescentes spécifiquement conçues pour former des telles FONS par auto-assemblage dans l’eau. La préparation de ces FONs est présentée et leurs propriétés étudiées et discutées. Enfin des applications concrètes en bio-imagerie sont présentées. / Nowadays the use of bright luminescent nano-objects in biological environment is a topic that is gaining more and more importance, especially for biomedical applications such as imaging, the rapyand diagnostic. So far, numerous studies have been conducted with gold nanoparticles, silica nanoparticles (doped or functionalized with organic molecules), as well as semiconductor nanoparticles (quantum dots, i.e., QDs). However, most of these nanoparticles suffer from drawbacks (in terms of stability, biocompatibility, eco-toxicity or degradability). On the other hand, several nontoxic fluorescent molecular probes have been widely used, but most of the time their brightness remain modest in biological environments compared to QDs. Our idea is to engineer new organicchromophores with tunable emission wavelength (from visible to near infrared) for further preparation of organic fluorescent nanoparticles (so called FONs) that display giant one-photon and two-photonbrightness, as well as good colloidal and chemical stability, and suitable photostability for in vitro andin vivo imaging. As such, these FONs would represent interesting alternatives to QDs for use in bioimaging. This manuscript describes the synthesis and characterization of new classes of fluorescent molecules specifically engineered as building blocks for the fast preparation of such nanoparticles byself-aggregation in water. The FONs were fully characterized from both morphological and photophysical points of view and further used in bioimaging.

Les nanoparticules inorganiques luminescentes ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, notamment pour leur application en imagerie biologique. Un certain nombre d’entre elles présentent toutefois des limitations telles que toxicité, absence de biodégradabilité, faible brillance, clignotements…. Dans cette optique, les nanoparticules fluorescentes à base de petites molécules organiques (FONs) offrent une solution alternative prometteuse aux nanoparticules inorganiques pour l'imagerie biologique. Le principal défi réside dans l'élaboration des nanoparticules organiques possédant une brillance élevée, une bonne stabilité dans l'eau (y compris en milieu biologique), une bonne biocompatibilité ainsi qu'une émission accordable dans le visible et au-delà dans le proche infrarouge (pour une détection plus aisée en milieu diffusant). Dans cette optique, nous avons utilisé une stratégie basée sur l’utilisation de chromophores dipolaires de type "push pull" « adaptés ». Au cours du travail, la synthèse de séries de chromophores homologues bâtis sur le même système conjugué et ayant en commun un groupe donneur de type triphénylamine (destiné à préserver les propriétés de luminescence) présentant ou non des motifs encombrants positionnés a été réalisée. Les nanoparticules correspondantes ont été préparées selon un protocole classique, simple et rapide à mettre en oeuvre (précipitation). L’étude des propriétés photophysiques des nanoparticules organiques fluorescentes ainsi obtenues a été réalisée et mise en perspective avec celles des chromophores en solution dans des solvants organiques de polarité variable. Une étude systématique de l’évolution dans le temps des propriétés optiques des nanoparticules organiques a été réalisée permettant de mettre en lumière des relations entre la structure des sous-unités chromophoriques et la stabilité colloïdale et « optique » des nanoparticules. Ces études ont permis d’identifier des nanoparticules émettant dans le proche infrarouge extrêmement brillantes et présentant une stabilité colloïdale remarquable dans l’eau, une photostabilité accrue et une très bonne biocompatibilité. De ce fait, ces nanoparticules ont pu être utilisées avec succès dans l'imagerie biologique des cellules et le suivi (tracking) à l'échelle de la particule unique, démontrant l'intérêt de la démarche d'ingénierie mise en oeuvre. / During the last decades, luminescent inorganic nanoparticles have attracted a large interest in different fields including biological imaging. However, a number of them have drawbacks such as toxicity and absence of biodegradability. Recently, molecular-based fluorescent organic nanoparticles (FONs) have emerged as a promising alternative to inorganic nanoparticles for bioimaging. The main challenge lies in the elaboration of organic nanoparticles that combine large brightness, good colloidal stability in biological environments) and biocompatibility as well as NIR emission (to allow improved detection in thick tissues). To achieve this objective, we have implemented a molecular engineering strategy based on dedicated polar and polarizable "push pull" chromophore built from a triphenylamine donor moiety and a specific pi-conjugated system. The corresponding nanoparticles were readily prepared by the reprecipitation method. In the present manuscript, the synthesis of the chromophores and the preparation and characterization of the organic fluorescent nanoparticles is described. A comprehensive investigation of their photophysical properties and study of their colloidal stability is presented allowing to derive structure-property relationships. The implemented study led to innovative NIR-emitting nanoparticles combining large brightness (superior to those of QDs and NIR-emitting organic dyes), remarkable colloid stability and suitable photostability. These nanoparticles have been successfully used for single particle tracking and imaging in cells, while no toxic effect was observed.

Boîtes quantiques (QDs) et nanoparticules fluorescentes de silice (NPs) ont influencé le domaine de la bioimagerie de par leur forte luminosité et photostabilité. Par rapport aux QDs, les NPs organiques peuvent s’avérer être encore plus brillantes et entièrement biodégradables, avec une bonne biocompatibilité et sans contenir aucun élément toxique. Nous avons développé quatre types de ces NPs : en premier, des nano-gouttelettes lipidiques chargées de colorants lipophiles (flavone et Nil Rouge) pour l'imagerie in vivo chez le poisson zèbre ; en second, l’association ionique entre rhodamine B alkylée et tétraphénylborate fluoré (TPB) donne des NPs de 11-20 nm avec un rendement quantique de ~60% ; une troisième type de NPs consiste en des micelles de 7 nm obtenus par co-assemblage de cyanine amphiphiles et contre-ions TPB ; enfin, la polymérisation de micelles de calix[4]arène par agents de réticulation bi-fonctionnels à base de cyanine donne des NPs de 7 nm présentant un comportement fluorogène et une bonne stabilité en milieu intracellulaire. Ces NPs plus brillantes et de taille inférieure aux QDs apparaissent comme des outils prometteurs en bioimagerie. / Quantum dots (QDs) and fluorescent silica nanoparticles (NPs) have impacted the domain of bioimaging by their high brightness and robust photostability. In comparison to QDs, organic NPs can be even brighter and fully biodegradable, as well biocompatible and not containing toxic elements inside. Herein, we developed four types of these NPs. At first, lipid nano-droplets loaded with lipophilic flavone and Nile Red dyes for in vivo imaging in zebrafish; second, ion-association of alkyl rhodamine B with fluorinated tetraphenylborate (TPB) counterions result in 11-20 nm NPs with fluorescence quantum yield up to 60%; third, 7 nm micellar NPs obtained by co-assembly of cyanine amphiphiles with TPB counterions; finally, polymerization of calix[4]arene micelles using bi-functional cyanine crosslinkers giving 7 nm NPs, that show fluorogenic behavior and high intracellular stability. These NPs, being of smaller size and brighter than QDs, have emerged as promising tools for bioimaging.