This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.

Ce travail de thèse s'articule autour des phénomènes d'exaltation de la diffusion Raman grâce aux propriétés optiques des métaux nobles (Or et Argent). Des expériences de Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS : Surface Enhanced Raman Spectroscopy) et de Spectroscopie Raman Exaltée par sonde locale (TERS : Tip Enhanced Raman Spectroscopy) ont permis l'exploration des ces phénomènes. Le premier volet de ce travail a consisté en la préparation de substrats « SERS-actifs » et en l'analyse de leurs pouvoir exaltant. Trois types de substrats ont été élaborés au laboratoire afin d'étudier les paramètres d'influence (structuration de la surface, longueur d'onde et polarisation de la lumière incidente, nature du métal, etc...). Le second volet du travail a été consacré à la mise en place d'un dispositif TERS. La conception des pointes métalliques a fait l'objet d'une attention particulière. De plus, un module a été élaboré afin d'associer un système de nano-positionnement de la pointe à un Raman confoncal commercial. Ce module a aussi été conçu pour permettre de focaliser le faisceau laser à l'extrémité de la nano-sonde métallique. La conception des outils ainsi que la compréhension des résultats expérimentaux sont corrélés à une analyse numérique. Les sources électromagnétiques (plasmons de surface et effet de pointe) de l'amplification de la diffusion Raman sont étudiées avec l'appui de simulations numériques par la méthode des éléments finis. Enfin les aspects chimiques des phénomènes d'exaltation sont abordés par DFT (Density Functiunal Theory).

This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.

Ce travail porte sur l’élaboration et la caractérisation physico-chimique de nanoparticules hybrides à base d’apatites phosphocalciques biomimétiques proches du minéral osseux, en vue d’applications dans le domaine du diagnostic de cancers voire de thérapeutique. Dans cette étude, une formulation colloïdale a été développée en milieu aqueux à partir de sels aisément manipulables et en présence d’un dérivé phospholipidique (2-aminoéthylphosphate, AEP) jouant le rôle d’agent dispersant et permettant de contrôler la taille moyenne des nanoparticules (dans la gamme 30-100 nm). L’effet de paramètres expérimentaux majeurs (pH, concentrations, température) a été déterminé. La complémentarité des données analytiques (analyses chimiques, spectroscopie FTIR, diffraction des rayons X, diffusion de la lumière, MET, mesures de potentiel zêta) nous a permis de proposer un modèle descriptif des nanoparticules colloïdales mettant en jeu la présence de complexes entre Ca2+ et AEP- en surface de nanocristaux d’apatite. La possibilité de conférer des propriétés de luminescence a été démontrée, par substitution d’ions Ca2+ par des ions europium Eu3+, et une durée de vie de luminescence de l’ordre de la milliseconde permet d’envisager l’étude de matériel biologique. Plus ponctuellement, l’adsorption additionnelle d’acide folique a été étudiée, avec pour objectif final le ciblage de cellules cancéreuses. Divers aspects liés à une potentielle utilisation dans le domaine biomédical ont également été abordés, tels que la purification de telles suspensions par dialyse, la possibilité d’une remise en suspension après lyophilisation, l’évaluation de leur cytotoxicité, l’étude de leur potentiel proinflammatoire par interaction avec des macrophages humains, et une étude préliminaire de l’internalisation de ces nanoparticules par des cellules cancéreuses. Ce travail a permis de développer une « preuve de concept » permettant d’envisager l’utilisation future de tels nano-systèmes colloïdaux dans le domaine biomédical, et en particulier en oncologie. / This work deals with the synthesis and physico-chemical characterization of hybrid nanoparticles based on biomimetic calcium phosphate apatites close to bone mineral, in view of applications in the field of cancer diagnosis, or therapeutics. In this study, a colloidal formulation has been developed in aqueous medium, from easily-handled salts and in the presence of a phospholipid moiety (2-aminoethylphosphate, AEP) acting as dispersing agent and allowing the control of the mean nanoparticle size (in the range 30-100 nm). The effect of major experimental parameters (pH, concentrations, temperature) has been determined. Complementary analytical data (chemical analyses, FTIR spectroscopy, XRD, dynamic light scattering, TEM, zeta potential measurements) enabled us to propose a descriptive model for the colloidal nanoparticles, involving the presence of complexes between Ca2+ and AEP- on the surface of apatite nanocrystals. The possibility to confer luminescence properties was demonstrated by way of ionic substitutions of some Ca2+ ions by europium Eu3+ ions, allowed us to envision the study of biological material. The additional adsorption of folic acid was also addressed, with the final aim to target cancer cell. Other aspects linked to a potential future use of these nano-systems in the biomedical field were also examined, such as the purification of these suspensions by dialysis, the possibility to resuspend the nanoparticles after freeze-drying, the evaluation of their cytotoxicity, the study of the pro-inflammatory potential by following interactions with human macrophages, and a preliminary study of their internalization by cancer cells. This work enabled us to develop a « proof of concept » allowing one to envision the future use of such colloidal nano-systems in the biomedical field, and in particular in oncology.

Etudier le rôle des éléments traces à l’échelle cellulaire requiert des outils analytiques de pointe. Nous avons développé une nouvelle méthodologie précise de la répartition des éléments chimiques cellulaires à partir d’une combinaison des méthodes d’analyse par faisceaux d’ions PIXE, RBS et STIM. Cette méthodologie s’appuie fortement sur le développement d’un logiciel (Paparamborde) pour le traitement quantitatif des expériences STIM. La validité de cette méthode ainsi que ses limites sont discutées. La méthode STIM-PIXE-RBS permet de quantifier la composition en éléments traces (µg/g) avec une incertitude de mesure évaluée à 19,8% dans des compartiments cellulaires de masse inférieure à 0,1 ng.Une des limites de la méthode réside dans le faible nombre d’échantillons analysables en raison à la fois du temps minimum nécessaire pour réaliser une acquisition et de l’accès limité aux plateformes d’analyse par faisceaux d’ions. C’est pourquoi nous avons également développé une base de données pour la capitalisation des compositions chimiques cellulaires (BDC4). Cette base de données s’inscrit dans la logique de l’utilisation de la composition chimique cellulaire comme un traceur de l’activité biologique, et doit permettre à terme de définir des compositions chimiques de référence pour les différents types cellulaires analysés.L’application de la méthodologie STIM-PIXE-RBS à l’étude de la toxicologie nucléaire du cobalt permet d’illustrer son intérêt en pratique. En particulier, l’analyse STIM s’avère indispensable dans le cas d’échantillons présentant une perte de masse organique au cours de l’analyse PIXE-RBS. / The study of the role of trace elements at cellular level requires the use of state-of-the-art analytical tools that could achieve enough sensitivity and spatial resolution. We developed a new methodology for the accurate quantification of chemical element distribution in single cells based on a combination of ion beam analysis techniques STIM, PIXE and RBS. The quantification procedure relies on the development of a STIM data analysis software (Paparamborde). Validity of this methodology and limits are discussed here. The method allows the quantification of trace elements (µg/g) with a 19.8 % uncertainty in cellular compartments with mass below 0.1 ng.The main limit of the method lies in the poor number of samples that can be analyzed, due to long irradiation times required and limited access to ion beam analysis facilities. This is the reason why we developed a database for cellular chemical composition capitalization (BDC4). BDC4 has been designed in order to use cellular chemical composition as a tracer for biological activities and is expected to provide in the future reference chemical compositions for any cellular type or compartment.Application of the STIM-PIXE-RBS methodology to the study of nuclear toxicology of cobalt compounds is presented here showing that STIM analysis is absolutely needed when organic mass loss appears during PIXE-RBS irradiation.

L’objectif de ce travail est d’utiliser les nanoparticules (NPs) de nanosondes fluorescentes de température en particulier dans les films lubrifiants. Le développement de ces nanosondes nécessite la détermination de leurs sensibilités thermiques afin de pouvoir sélectionner les NPs les plus prometteuses. Pour atteindre cet objectif, nous avons présenté deux méthodes d’élaboration utilisées pour la synthèse des nanostructures à base de SiC-3C, la méthode d’anodisation électrochimique et la méthode d’attaque chimique. Dans le premier cas, les analyses FTIR,RAMAN et MET des NPs finales ont montré que la nature chimique de ces NPs est majoritairement formée de carbone graphitique. L’étude détaillée de la photoluminescence de ces NPs a montré que le processus d’émission dépend de la chimie de surface des NPs, du milieu de dispersion et de sa viscosité, de la concentration des suspensions et de la température du milieu. Pour la deuxième famille de NP de SiC, les analyses cohérentes MET, DLS et PL ont montrées une taille moyenne de 1.8 nm de diamètre avec une dispersion de ±0.5nm. Le rendement quantique externe de ces NPs est de l’ordre de 4%. Les NPs dispersées dans l’éthanol, n’ont pas montré une dépendance à la température exploitable pour notre application. Par contre, les NPs de SiC produites par cette voie, étant donné la distribution en taille resserrée et le rendement quantique « honorable » pour un matériau à gap indirect, sont prometteuses pour des applications comme luminophores en particulier pour la biologie grâce à la non toxicité du SiC. Dans le cas des NPs de Si, nous avons également étudié deux types différents de NPs. Il s’agit de : (i) NPs obtenues par anodisation électrochimique et fonctionnalisées par des groupements alkyls (décène, 1-octadécène). Nous avons mis en évidence pour la première fois une très importante variation de l’énergie d’émission dEg/dT avec la température de type red-shift entre 300 et 400K. Les mesures de(T) conduisent à une sensibilité thermique de 0.75%/°C tout à fait intéressante par rapport aux NPs II-VI. De plus il a été montré que la durée de vie mesurée n’est pas fonction de la concentration. (ii) NPs obtenue par voie humide et fonctionnalisées par le n-butyl. Pour ce type de NPs nous avons mis pour la première fois en évidence un comportement de type blue-shift pour dEg/dT de l’ordre de -0.75 meV/K dans le squalane. Pour ces NPs, la sensibilité thermique pour la durée de vie de 0.2%°C est inférieure à celle des NPs de type (i) mais largement supérieure à celle des NPs de CdSe de 4 nm (0.08%/°C). La quantification de cette la sensibilité à la température par la position du pic d’émission dEg/dT et de la durée de vie nous permet d’envisager la conception de nanosondes de température basée sur les NPs de Si avec comme recommandations l’utilisation de NPs obtenues par anodisation électrochimique et de la durée de vie comme indicateur des variations en température. / The goal of this study is the use of Si and SiC nanoparticles (NPs) as fluorescent temperature nanoprobes particularly in lubricating films. The development of these nanoprobes requires the determination of their thermal sensitivity in order to select the best prospects NPs. To achieve this goal, we presented two preparation methods used for the synthesis of 3C-SiC based nanostructures : (i) anodic etching method and (ii) chemical etching method. In the first case, the FTIR, Raman and TEM analysis of final NPs showed that the chemical nature of these NPs is formed predominantly of graphitic carbon. The detailed photoluminescence study of these NPs showed that the emission process depends on the surface chemistry of the NPs, the dispersion medium and its viscosity, the suspension concentration and temperature of the environment.. In the second case, coherent TEM, DLS and PL analyzes showed an average size of 1.8 nm in diameter with a dispersion of ±0.5 nm. The external quantum efficiency of these NPs is 4%. NPs dispersed in ethanol, did not show an exploitable fluorescence dependence on temperature for our application. On the other hand, 3C-SiC NPs produced by this way, given the narrow size distribution and the reasonably high quantum yield for an indirect bandgap material, are promising for applications such as luminophores in particular in the biology field thanks to nontoxicity of SiC. In the case of Si we studied also two different types of NPs. (i) NPs obtained by anodic etching and functionalized by alkyl groups (decene, octadecene). We have demonstrated for the first time an important red-shift in the emission energy dEg/dT with temperature from 300 to 400K. The PL lifetime measurement(T) lead to a thermal sensitivity of 0.75% /°C very interesting compared to II-VI NPs. Furthermore it has been shown that t is not depending on the concentration. (ii) NPs obtained by wet-chemical process and functionalized with n-butyl. For this type of NPs we have identified for the first time a blue-shift behavior of dEg dT in the order of -0.75 meV/K in squalane. The thermal sensitivity for the PL lifetime of these NPs is 0.2%/°C, which is lower than that of NPs obtained by anodic etching method, but much greater than that of CdSe NPs with 4 nm of diameter (0.08%/°C). Quantification of the temperature sensitivity by the position of emission peak dEg/dT and the PL lifetime dτ/dT allows us to consider the realization of temperature nanoprobes based on Si NPs with recommendations to use Si NPs obtained by anodic etching method and PL lifetime as an indicator of temperature changes.