Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 25 août 2006). Titre du document électronique. Publié aussi en version papier.

La membrane cellulaire est un environnement très dynamique où diffusent plusieurs familles de protéines. Pour assurer la communication entre neurones, certains récepteurs membranaires diffusant librement doivent être stabilisés aux jonctions de communication neuronales: les synapses. Des changements dans le comportement diffusif de ces récepteurs induisent des variations de leurs populations à la synapse. La capacité d'observer ces protéines diffuser individuellement est donc importante pour mieux comprendre certains mécanismes cellulaires associés au fonctionnement du système nerveux. Alors que les fluorophores organiques (Alexa, Atto, ...) et génétiquement encodées (GFP, RFP, ...) photoblanchissent rapidement, les nanocristaux semi-conducteurs fluorescents (points quantiques: QDs) sont photo-stables, ce qui permet de suivre les protéines marquées sur de plus longues périodes. Même si la structure cristalline du QD dépasse rarement les 10nm de diamètre, la taille de la sonde fonctionnalisée, une fois équipée d'un enrobage hydrophile et de protéines d'hameçonnage, est d'environ 30 nm, limitant leur accessibilité dans la fente synaptique (environ 20 nm). De plus, la multivalence des versions commerciales des QDs fonctionnalisés pose problème, en leur permettant de lier plusieurs récepteurs à la fois. Dans ce mémoire, nous présentons donc différentes approches pour la biofonctionnalisation de petit QDs monovalents, ainsi que les principales stratégies pour marquer des récepteurs synaptiques uniques à partir de QDs. De plus, nous présentons une étude de la diffusion de récepteurs synaptiques diffusant à l'intérieur et à l'extérieur de synapses et comparons les résultats en fonction des 2 types de sondes utilisés : QDs enrobés d'anticorps et QDs enrobés de streptavidine. Ces travaux devraient contribuer à l'optimisation d'une approche pour suivre les dynamiques des récepteurs synaptiques dans des modèles de plasticité synaptique.

Ce travail de thèse a été consacré à la photostructuration d'une matrice polymère de type acrylate contenant des points quantiques CdSe/ZnS (QDs) par l'enregistrement de réseaux. La diffusion photoinduite des nanocristaux semi-conducteurs a tout d'abord été mise en évidence par l'utilisation d'un montage permettant d'irradier sur une seule ligne, et par l'émission de fluorescence des QDs utilisée ici comme sonde de déplacement. Ensuite, pour comprendre l'augmentation de la modulation d'indice de réfraction, et par conséquent du rendement de diffraction des réseaux enregistrés dans ces matériaux composites, nous avons mis en place une approche physico-chimique. Celle-ci nous a permis de corréler les modifications chimiques et les propriétés physiques du réseau. En effet, nous avons montré que l'ajout de points quantiques influence la cinétique de polymérisation ; la vitesse de consommation du photosensibilisateur et de conversion des monomères diminuent. Cette diminution permet une meilleure diffusion des espèces au sein de la matrice. Donc, le ralentissement de la cinétique de photopolymérisation et la répartition spatiale des QDs contribuent à un accroissement de la modulation d'indice de réfraction des réseaux enregistrés.

Le multiplexage optique basé sur des nanoparticules offre de nombreux avantages pour la biodétection et l'imagerie à multiparamètres. Toutefois, les modifications apportées à un paramètre entraînent également la modification d’autres paramètres. Par conséquent, la couleur, la durée de vie ou l’intensité ne peuvent pas être utilisées, respectivement, comme paramètre indépendant. Cette thèse peut être divisée en deux aspects. Le premier concerne le développement d'un multiplexage à une seule nanoparticule avec un temps résolu, basé sur le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) des complexes de lanthanides aux points quantiques (QD) et ensuite aux colorants fluorescents. Une investigation systématique de toutes les différentes combinaisons avec une large gamme de donneurs et d'accepteurs sur le QD est présentée, et les résultats expérimentaux sont comparés à la modélisation théorique. Le résultat ne contribue pas seulement à une compréhension complète de ces voies de transfert d'énergie compliquée entre multi donneurs / accepteurs sur des nanoparticules, mais offre également la possibilité d'utiliser les modèles pour développer de nouvelles stratégies permettant de préparer le QD avec une couleur, une durée de vie et une intensité réglables de manière indépendante. Le deuxième aspect porte sur le mécanisme de transfert d'énergie du Tb à la nanoparticule d'or (AuNP). Le transfert d'énergie par nanosurface (NSET) s'est révélé être un mécanisme opérationnel pour l'extinction des PL par les AuNP, une information importante pour le développement, la caractérisation et l'application de nanobiocapteurs basés sur l'extinction des PL par les AuNP. / Optical multiplexing based on nanoparticles provides many advantages for multiparameter biosensing and imaging. However, the changes in one parameter also lead to changing of other parameters, and thus, color, lifetime, or intensity could not be used as an independent parameter, respectively. This thesis can be divided into two aspects. The first one focuses on developing time-resolved single-nanoparticle multiplexing based on Förster resonance energy transfer (FRET) from lanthanide complexes to quantum dot (QD) to fluorescent dyes. Systematical investigation of all different combinations with a broad range of numbers of donors and acceptors on QD are presented, and the experimental results are compared with theoretical modelling. The result do not only contribute to a full understanding of such complicated multi donor-acceptor energy transfer pathways on nanoparticles but also open the opportunity to use the models for developing new strategies to achieve the QD with independent tunable color, lifetime and intensity. The second aspect focuses on the energy transfer mechanism from Tb to gold nanoparticle (AuNP). Nanosurface energy transfer (NSET) proved to be an operational mechanism in PL quenching by AuNPs, which is important information for the development, characterization, and application of nanobiosensors based on PL quenching by AuNPs.

Les cellules solaires à base de polymères conjugués sont des dispositifs prometteurs pour récolter l'énergie du Soleil à de faibles coûts de production. Le type de dispositif le plus fréquemment étudié par la communauté scientifique à l'heure actuelle est celui dont la séparation de charge est effectuée en utilisant un mélange de polymère semiconducteur et de [6,6]-phényl-C6i-butanoate de méthylé (PCBM). Dans ce système, le PCBM et le polymère semiconducteur jouent les rôles respectifs d'accepteur et de donneur d'électrons. Dans les travaux présentés ici, des nanocristaux de CdSe, aussi appelés points quantiques colloïdaux (cQDs), sont utilisés comme accepteurs d'électrons au lieu du PCBM. Les possibles avantages des cQDs de CdSe sont une meilleure absorption optique dans le spectre UV-visible et un meilleur transport de charges. Cependant, les cQDs de CdSe sont dispersés moins facilement dans les polymères conjugués que le PCBM, ce qui est un des facteurs limitant les performances des cellules solaires hybrides polymère-cQDs. Notre but est d'augmenter l'efficacité de ce type de cellule solaire en contrôlant la morphologie de leur couche active. Nous utilisons du tétrafluoro-tétracyano-quinodiméthane (F4TCNQ) comme additif pour améliorer la dispersion des cQDs de CdSe dans le polymère conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT). La meilleure cellule solaire fabriquée possède un rapport massique F4TCNQ:cQDs de (0.50±0.03) % et un rendement de conversion de puissance (2.3±0.4) fois plus élevé que le meilleur dispositif ne contenant pas de F4TCNQ.

La biomédecine et la biophotonique sont des champs de recherches en plein expansion qui grandissent à vive allure, constituant un secteur entier d'activités novatrices. Ce secteur, vraiment interdisciplinaire, comprend le développement de nouveaux nanomatériaux, de sources lumineuses et l'élaboration de nouveaux concepts, de dispositifs/équipements pour quantifier la conversion de photons et leurs interactions. L'importance décisive du diagnostic précoce et du traitement individuel des patients exige des thérapies soigneusement ciblées et la capacité de provoquer sélectivement la mort cellulaire des cellules malades. Malgré les progrès spectaculaires réalisés en utilisant les points quantiques ou des molécules biologiques organiques pour l'imagerie biologique et la libération ciblée de médicaments, plusieurs problèmes restent à résoudre : obtenir une sélectivité accrue pour une accumulation spécifique dans les tumeurs et une amélioration de l'efficacité des traitements. D'autres problèmes incluent la cytotoxicité et la génotoxicité, l'élimination lente et la stabilité chimique imparfaite. Des espérances nouvelles sont portées par de nouvelles classes de matériaux inorganiques comme les nanoparticules à base de silicium ou à base de carbone, qui pourraient faire preuves de caractéristiques de stabilité plus prometteuses tant pour le diagnostic médical que pour la thérapie. Pour cette raison, la découverte de nouveaux agents de marquage et de transport de médicaments représente un champ important de la recherche avec un potentiel de croissance renforcé / Biomedicine and biophotonics related businesses are currently growing at a breathtaking pace, thereby comprising one of the fastest growing sectors of innovative economy. This sector is truly interdisciplinary, including, very prominently, the development of novel nanomaterials, light sources, or novel device/equipment concepts to carry out photon conversion or interaction. The great importance of disease diagnosis at a very early stage and of the individual treatment of patients requires a carefully targeted therapy and the ability to induce cell death selectively in diseased cells. Despite the tremendous progress achieved by using quantum dots or organic molecules for bio-imaging and drug delivery, some problems still remain to be solved: increased selectivity for tumor accumulation, and enhancement of treatment efficiency. Other potential problems include cyto- and genotoxicity, slow clearance and low chemical stability. Significant expectations are now related to novel classes of inorganic materials, such as silicon-based or carbon-based nanoparticles, which could exhibit more stable and promising characteristics for both medical diagnostics and therapy. For this reason, new labeling and drug delivery agents for medical application is an important field of research with strongly-growing potential.The 5 types of group IV nanoparticles had been synthesized by various methods. First one is the porous silicon, produced by the electrochemical etching of bulk silicon wafer. That well-known technique gives the material with remarkably bright photoluminescence and the complicated porous structure. The porous silicon particles are the agglomerates of the small silicon crystallites with 3nm size. Second type is 20 nm crystalline silicon particles, produced by the laser ablation of the bulk silicon in water. Those particles have lack of PL under UV excitation, but they can luminesce under 2photon excitation conditions. 3rd type of the particles is the 8 nm nanodiamonds

De nombreuses bactéries se déplacent en faisant tourner des flagelles rigides ancrés dans leur membrane. À la base de chaque flagelle se trouve un moteur rotatif de quelques dizaines de nanometres de diamètre : le moteur flagellaire bactérien. L'objectif de ces travaux de maîtrise fut de développer de nouveaux marqueurs pour visualiser et mesurer la rotation du moteur flagellaire en l'affectant le moins possible. Trois types de nanoparticules furent étudiés : les points quantiques, les nanoparticules d'or et les nanoparticules Janus. L'intensité du signal et la résistance au photoblanchiment des points quantiques furent comparées à celles de fluorophores "Alexa Fluor". Aussi, différentes méthodes pour attacher spécifiquement ces nanoparticules aux flagelles furent testées. L'utilisation d'anticorps s'est révélée préférable à l'emploi de micelles de phospholipides ou de liens maléimide-cystéine. Après avoir développé la méthode de marquage sur les filaments des bactéries, nous avons ensuite réussi à visualiser des crochets, une structure beaucoup plus petite (55 nm de long). Une première tentative pour mesurer la vitesse de rotation de crochets s'est révélée infructueuse mais informative.

Les nanoparticules (NPs) sont définies comme des particules ayant au moins une dimension comprise entre 1 à 100 nanomètres. Plusieurs études in vitro et in vivo indiquent que les NPs pourraient constituer un risque potentiel pour la santé des personnes les synthétisant ou les manipulant lors de leur incorporation dans d’autres matériaux. La nanotoxicologie est un domaine de recherche émergeant. Les propriétés physico-chimiques particulières des NPs sont responsables d’interférences non spécifiques entre les nanomatériaux et certains des composants des essais in vitro pouvant mener à de faux résultats. L’inhalation a été identifiée comme une voie d’exposition présentant un risque important de toxicité. Dans le cadre de ce projet, nous avons utilisé la lignée de cellules épithéliales alvéolaires humaines, A549. Nous avons étudié chez cette lignée les conséquences de l’exposition aux points quantiques (PQs), NPs d’intérêt pour leurs applications potentielles en médecine (nanovecteur ou nanosonde). La mise au point des conditions expérimentales (interférence entre l’essai LDH et le milieu de culture) a permis de valider les essais de cytotoxicité MTS et LDH en présence des PQs. Nous avons montré que les PQs présentaient une cytotoxicité à court et long terme, et nous avons par la suite étudié un des mécanismes de toxicité potentielle, la mesure du cadmium (Cd2+) libéré des PQs. Nous avons déterminé que la mesure du Cd2+ comportait plusieurs interférences qui invalident cet essai. En conclusion, notre étude a permis d’identifier des interférences qui remettent en question plusieurs conclusions d’études publiées qui n’ont pas vérifié l’existence de telles interférences. / Nanoparticles (NPs) are defined as particles with a diameter ranging from 1 to 100 nm. Several studies have suggested or demonstrated that NPs are a health risk factor for workers handling nanomaterials or for the general population using products containing NPs. Nanotoxicology is a new field of research. The particular physicochemical properties of NPs have revealed unexpected interferences of these nanomaterials with components of cytotoxic assays leading to false positive or negative interpretations. Inhalation being one of the most potential risk of NPs exposures, in this project, in vitro experiments were performed with the human alveolar epithelial cell line A549. Quantum dots (QDs) have been selected over other NPs because of their potential applications in medicine as nanovectors or nanoprobes. We have first validated the use of nanocytotoxic assays (LDH and MTS with QDs), and found that LDH assay interacts with components of the cell culture medium. A protocol established to counteract this interference has allowed demonstrating that both short and long term exposures to QDs are cytotoxic. We next addressed the underlying mechanisms of QDs nanotoxicity by determining concentrations of free cadmium potentially released from QDs when interacting with cells. We found that the cadmium assay has several interferences which invalidated the use of this assay. In conclusion, our study has allowed to identify several interferences with that call into question conclusions of published studies which have not examined these potential interferences.

Ce travail de thèse a été consacré à la photostructuration d’une matrice polymère de type acrylate contenant des points quantiques CdSe/ZnS (QDs) par l’enregistrement de réseaux. La diffusion photoinduite des nanocristaux semi-conducteurs a tout d’abord été mise en évidence par l’utilisation d’un montage permettant d’irradier sur une seule ligne, et par l’émission de fluorescence des QDs utilisée ici comme sonde de déplacement. Ensuite, pour comprendre l’augmentation de la modulation d’indice de réfraction, et par conséquent du rendement de diffraction des réseaux enregistrés dans ces matériaux composites, nous avons mis en place une approche physico-chimique. Celle-ci nous a permis de corréler les modifications chimiques et les propriétés physiques du réseau. En effet, nous avons montré que l’ajout de points quantiques influence la cinétique de polymérisation ; la vitesse de consommation du photosensibilisateur et de conversion des monomères diminuent. Cette diminution permet une meilleure diffusion des espèces au sein de la matrice. Donc, le ralentissement de la cinétique de photopolymérisation et la répartition spatiale des QDs contribuent à un accroissement de la modulation d’indice de réfraction des réseaux enregistrés. / This work is devoted to the photostructuration of an acrylate polymer matrix with dispersed CdSe/ZnS quantum dots (QDs) upon grating exposure. The photo-induced diffusion of semiconductor nanocrystals is proved by the use of a "one line irradiation" set up and by the emission of the QDs fluorescence, used here as a probe of displacement. Then, in order to understand the increase of the refractive index modulation, and so, of the diffraction efficiency of the recorded patterns in the composite materials, we apply a physico-chemical approach. This one allows correlating the chemical modifications to the physical properties of the gratings. Indeed, we show that the addition of QDs influences the kinetics of polymerization ; the rate of the photo-initiator consumption, and that of the monomer conversion decrease. This decrease favors the diffusion ofthe species inside the matrix. Therefore, the slowing down of the kinetics of the photopolymerization and the spatial distribution of QDs contribute to the enhancement of the refractive index modulation of the recorded gratings.

Ce travail de thèse a été dans un premier temps consacré à l’influence des points quantiques (QDs) de ZnO de taille 5 nm, synthétisés par voie sol-gel sur les propriétés physiques et physico-chimiques des réseaux enregistrés par holographie dans des photopolymères de type acrylate. L’amorceur, ici la camphorquinone, étant un élément clé de la photopolymérisation, une double approche expérimentale/théorique a permis de comprendre ses modifications photochimiques en fonction de la composition du système photosensible. L’introduction de 1 % en masse des QDs améliore les propriétés physiques des matériaux photostructurés (augmentation du rendement de diffraction due à la répartition spatiale des QDs) sans modifier la cinétique de polymérisation. Dans un deuxième temps, l’influence des QDs sur la durabilité des matériaux sous irradiation à λ 300 nm a été examinée. L’exposition des polymères purs et dopés entraîne des modifications chimiques de la matrice polymère et le dégagement de gaz. Cependant, la présence de QDs de ZnO (1 % en masse) a un effet photocatalytique sur la durabilité du matériau. Cet effet implique la contribution de l’électron et du trou photogénérés au mécanisme de dégradation, conduisant à une extinction partielle de la fluorescence des QDs. Il est d’autant plus important que le taux de QDs augmente dans le milieu et souligne le rôle de l’interface polymère/nanoparticule. En revanche, l’introduction de 1 % de nanocristaux semi-conducteurs de ZnO (taille 10-30 nm) entraîne une stabilisation de la matrice qui traduit un effet photoprotecteur inattendu de ces nanoparticules. / This work was first devoted to the influence of ZnO quantum dots (QDs) with 5 nm diameter, synthesized by sol-gel method on the physical and physico-chemical properties of the gratings recorded in acrylate photopolymers by holography. Since the photosensitizer (in our study camphorquinone) is a key element in the photopolymerization process, a double experimental/theoretical approach was applied to understand its photochemical modifications as a function of the content of the photosensitive system. The introduction of 1 wt % of Qds improves the physical properties of the photo-patterned materials (increase of the diffraction efficiency due to the spatial distribution of QDs) without modifying the kinetics of polymerization. Secondly, the influence of QDs on the durability of materials under irradiation at λ 300 nm was investigated. The exposure of pure and doped polymers leads to the chemical modifications of the polymer matrix and the release of gas. However, ZnO QDs (1 wt % loading) negatively influenced the durability by their photocatalytic effect. This effect points out the contribution of the photo-generated charge carriers to the mechanism of degradation, leading to a partial quenching of the fluorescence of QDs. It also increases with increasing QDs content and underlines the role of the polymer/nanoparticule interface. On the contrary, the presence of 1 wt % of semi-conductor nanocrystals of ZnO (size 10-30 nm) induces a stabilization of the matrix. This reveals an unexpected photo-protective effect of these nanoparticules.