En utilisant les spectroscopies d'absorption UV-vis et d'émission stationnaire et résolue dans le temps (femto- et sub–nanoseconde, caméra à balayage de fente), nous avons étudié, au cours de cette thèse, les processus photophysiques au sein de différentes molécules et supramolécules. Les propriétés photophysiques de nouveaux complexes de Ru(II) polypyridine et de Ir(III) cyclométallé présentant un transfert d'énergie électronique réversible entre le noyau métallique et les chromophores organiques auxiliaires énergétiquement appariés (anthracène et pyrène) ont été analysées en détail. Les caractéristiques de la séparation de charge entre un donneur d'électron (OPV) et un accepteur (PB) à travers un pont d'oligoquinoline au sein de foldamères de longueurs croissantes ont été précisées dans une échelle de temps inférieure à la nanoseconde. De nouvelles sondes luminescentes à base de lanthanides ont été réalisées pour la détection en temps réel de l’ion Cu(I), leurs propriétés optiques étant modulées par effet «d’antenne» par le biais d'interactions cations-nuagePi. L'étude de sondes fluorescentes off-on en proche IR formées de colorantsBF2-AzaBODIPY fixés de manière covalente sur des nanoparticules (100 nm) polymériques a été réalisée, et étendue à de nouvelles sondes sensibles au pH émettant dans le proche IR. Des études de photoisomérisation ont été effectuées sur deux systèmes azobenzéniques capables de libérer/capturer des ions Ca(II) (azobenzène-éther«lasso», azobenzène-BAPTA) – l'impact de l'eau sur la photoisomérisation cis-trans d’hydroxychalcones a été mis en évidence dans CH3CN et H2O/CH3OH (v/v=1/1). / In the present work photophysical processes of different molecular and supramolecular systems were studied using steady-state and time-resolved femto- and sub-nanosecond (streak-camera detection) UV-vis absorption and emission spectroscopies. Detailed photophysical studies of novel Ru(II) polypyridine and cyclometalatedIr(III) complexes showing reversible electronic energy transfer between metallic core and auxiliary organic energetically-matched chromophores anthracene and pyrene, respectively were performed. Time-resolved characterization of charge separation between electron donor (OPV) and acceptor (PB) in the sub-nanosecond timescale through an oligoquinoline bridge in foldamers of increasing oligomeric length was carried out. Novel lanthanide-based luminescent probes were investigated for time-gated detection of Cu(I) ion, being modulated by an antenna effect through cation-pi interactions.The study on NIR fluorescent off-on probes, based on BF2-aza-BODIPY dyes, covalently attached to the surface of polystyrene 100 nm nanoparticles, along with related novel NIR pH-responsive fluorescence probes were conducted. Photoisomerization studies focused on azobenzene-based (azobenzene-lariat ether, azobenzene-BAPTA)Ca(II)-ion release/capture systems, while the impact of water on the cis−trans photoisomerizationof hydroxychalcones was studied in CH3CN and H2O/CH3OH (v/v=1/1).

La compréhension des phénomènes d'adsorption des protéines aux interfaces solides liquides est un élément clé dans la conception et l'utilisation de membranes artificielles et de matériaux biocompatibles. Devant la complexité des phénomènes, les études fondamentales et leurs modélisations revêtent une importance stratégique. Les techniques de fluorescence et de polarisation de fluorescence résolues dans le temps permettent à de très faible concentration d'obtenir des informations tant sur l'environnement direct que sur le mouvement d'une molécule émettrice. Par ailleurs, les techniques de fluorescence confocales rendent possibles quant à elles la visualisation d'un volume parfaitement localisé de l'ordre du femtolitre. <br />La fluorescence intrinsèque des protéines ou le marquage direct par un chromophore ne rendent pas toujours compte simplement du mouvements des protéines. De ce fait, Nous avons synthétisé une sonde fluorescente composée de biotine éthylènediamine et d'alexa fluor 594. Ce marquage permet d'obtenir un temps de corrélation unique l de 32 ns, compatible à celui attendu pour une protéine de géométrie sphérique de masse molaire de 66 KDa. Durant ce travail de thèse, nous avons développé un dispositif optique innovant permettant d'effectuer des études d'adsorption sous flux par des mesures de fluorescence et de polarisation de fluorescence résolues dans le temps en mode confocal. Le dispositif mise au point permet d'obtenir une résolution spatial de 1,2 µm soit un volume de l'ordre du femtolitre qu'il est possible de déplacer dans une cuve d'épaisseur de 230 µm. En fluorescence dynamique, les valeurs de temps de corrélation et de durée de vie de fluorescence obtenue sont similaires avec ceux obtenus en mesure de fluorescence classique.<br />Enfin, nous avons suivi la cinétique d'adsorption et l'évolution des profile de concentration de l'avidine lors du processus d'adsorption sur une surface modèle (mica) et sur une membrane d'hémodialyse (AN-69).

L'étude de la photoréactivité du couple méthoxy-p-quinone/méthoxyhydroquinone en solution a permis d'appréhender son importance dans la photodégradation des pâtes à papier à haut rendement. Le mécanisme de la photocyclisation de phényl-p-benzoquinones et d'un analogue, la 4,4'-diméthoxybiphényle-2,5,2',5'-diquinone issue du couplage entre la méthoxy-p-quinone et la méthoxyhydroquinone, a été déterminée par irradiation continue et spectroscopie résolue dans le temps.

Les cytochromes c oxydases (CcO), situées dans les chaînes respiratoires eucaryotes et des bactéries aérobiques, catalysent la réduction de l'oxygène en eau, une réaction qui utilise quatre électrons et quatre protons. Ces complexes protéiques membranaires participent également à la formation de la force protonmotrice nécessaire à la synthèse d'ATP, en pompant quatre protons supplémentaires par molécule de dioxygène réduit. Le site actif des CcO aa3 contient un hème de type a de haut spin, l'hème a3, et un atome de cuivre, le CuB. Ces deux cofacteurs peuvent fixer, outre l'O2, d'autres ligands diatomiques impliqués dans la signalisation telle que le monoxyde d'azote (NO) et le monoxyde de carbone (CO). Les travaux présentés dans ce manuscrit, effectué sur l'oxydase mitochondriale et sur des oxydases bactériennes, aa3 et ba3, concernent à la fois l'interaction de ligands avec la CcO et le transfert interne d'électrons. Les oxydases étudiées possèdent quatre centres redox, l'hème a3 et le CuB ainsi que l'hème a (resp. b pour ba3) et le centre CuA, impliqués dans le transfert d'électron (ET) du donneur, le cytochrome c, à l'accepteur, l'oxygène fixé au site actif. L'inhibition réversible de la CcO par le NO est un processus de régulation de la respiration. En étudiant l'influence de la concentration de NO sur la dynamique du NO au sein des oxydases aa3 de P. denitrificans et ba3 de T. thermophilus nous avons mis en évidence une interaction entre plusieurs ligands dans le site actif. Pour l'oxydase aa3, la recombinaison géminée du NO, après sa photodissociation de l'hème a3, a lieu selon deux phases de 200 ps et 20 ns, dont l'intensité augmente pour les concentrations de NO superstoechiométriques. A l'inverse, aucun effet de la concentration n'est observé pour l'oxydase ba3 où l'activité NO réductase de cette CcO exclut la présence stable de deux molécules de NO dans le site actif. L'ensemble de ces résultats converge vers la présence d'une seconde molécule de NO dans ou à proximité du site actif dans l'oxydase aa3, créant un encombrement favorisant une recombinaison géminée plutôt qu'un cheminement vers l'extérieur de la protéine. Des expériences de spectroscopie RPE ont été effectuées afin de déterminer la nature du second site de fixation du NO. La modification du signal avec la concentration de NO est observée uniquement pour l'oxydase aa3. Si le spectre à basses concentrations (NO: CcO<1:1), très similaire à celui obtenu avec l'oxydase ba3, est caractéristique de la liaison du NO sur un hème ayant pour 5ème ligand une histidine, le spectre enregistré à hautes concentrations est similaire à celui mesuré lorsque NO est lié à un hème sans autre ligand en trans. Comme le spectre visible de l'oxydase n'indique pas une rupture de la liaison Fe-NεHis, nous proposons que la 2nd molécule de NO induise une rotation du NO lié à l'hème depuis une position parallèle au plan de l'histidine à une position perpendiculaire à ce plan, rompant ainsi les interactions paramagnétiques entre l'histidine et le NO. Cette interprétation est renforcée par des modélisations de la structure de l'oxydase aa3 avec un et deux molécules de NO dans le site actif. Elles montrent qu'en effet la présence d'un second NO, lié au CuB dans le site actif, induit une rotation du NO lié à l'hème de ~70°. Par ailleurs, à hautes concentrations de NO, il y a apparition d'un signal caractéristique d'une interaction métal de transition-NO, qui peut être attribué, par élimination, à la liaison CuB-NO. L'établissement de la présence simultanée de deux molécules de NO dans le site actif de la CcO aa3 de P. denitrificans dès les faibles concentrations de NO, ouvrent de nouvelles voies dans la compréhension des mécanismes d'inhibition de l'oxydase par le NO. Afin d'étudier plus en détail l'influence de l'environnement du site actif sur la dynamique du NO dans le site actif, le résidu V279 à été substitué par mutagenèse dirigée. Les premiers résultats sur des souches exprimant les oxydases mutées indiquent des modifications de leur activité O2 réductase. Par ailleurs, nous nous sommes intéressé à la vitesse de réduction du site actif par l'hème a. Cette réaction étant trop rapide pour être visualisée par injection d'électrons, nous avons étudié le flux des électrons en sens inverse. Ces expériences ont été effectuées sur l'oxydase mitochondriale dont l'hème a était oxydé et l'hème a3 réduit et lié une molécule de CO. Après photodissociation du CO de l'hème a3, les électrons se répartissent entre les deux hèmes de potentiel redox proche. Par spectroscopie, nous avons ainsi mesuré que 13 ±3 % de ce transfert s'effectue en 1,2 ns; ce temps correspond au transfert intrinsèque. Des études précédentes avaient montré une phase de 3 µs, considérée jusqu'ici comme la phase la plus rapide du ET entre les hèmes. Au regard de nos résultats, cette phase de ET peut être expliquée par le départ du CO du CuB, ce qui modifierait le potentiel redox de l'hème a3. Le transfert intrinsèque des électrons en 1,2 ns, permettrait à l'oxydase, dans des conditions physiologiques ([O2] faibles et e-peu disponibles) de capturer et de réduire l'oxygène en diminuant la durées des périodes où le site actif n'est pas réduit.

La haute sensibilité et l’analyse simultanée de plusieurs biomarqueurs (multiplexage) sont des enjeux essentiels pour permettre des avancées significatives pour le diagnostic médical. De telles avancées permettraient d’augmenter la précocité des diagnostics pour de nombreuses maladies comme le cancer ou des maladies cardiaques. Les immunodosages de FRET (transfer d’énergie par resonance de type Förster) sont basées sur la reconnaissance de biomarqueurs par des anticorps marqués avec des fluorophores et le FRET qui résulte du processus de reconnaissance immunologique. Aujourd’hui des telles immunodosages sont établis en utilisant des lanthanides comme donneurs de FRET et des fluorophores organiques comme accepteurs de FRET. Néanmoins, ils ne permettent pas de réaliser un multiplexage efficace car l’utilisation de plusieurs différents fluorophores organiques résulte dans un recouvrement spectral. Ce projet a pour but de mettre en application les propriétés optiques exceptionnelles des complexes de terbium (Tb) et des boîtes quantiques (QDs) pour parvenir à des analyses biologiques de FRET multiplexées et ultrasensibles. Nous avons également étudié les propriétés optiques et morphologiques de nouvelles nanoparticules à conversion ascendante de type coeur et coeur/coquille dopées à l'ytterbium (Yb) et des ions d'erbium (Er) comme donneurs de FRET. / Combining high sensitivity with simultaneous analysis of numerous biomarkers (multiplexing) is an essential requirement for significantly improving the field of biomedical diagnostics. Such progresses would allow earlier diagnosis, which is required for numerous diseases such as cancer or cardiac diseases. FRET-immunoassays are based on biomolecular recognition events that occur between biomarkers and two specific antibodies conjugated with different fluorophores. The spatial proximity of the two fluorophores can lead to Förster resonance energy transfer (FRET), which can be detected for biomarker quantification. To date, such assays are established using lanthanide complexes as FRET donors and fluorescence dyes as FRET acceptors. However, these assays do not provide sufficient multiplexing capability due to spectral overlap, when several acceptor dyes are used. This project aims at exploiting the exceptional photophysical properties of terbium complexes (Tb) and semiconductor quantum dots (QDs) to provide ultrasensitive multiplexed FRETimmunoassays. We also studied the optical and morphological properties of novel core and core/shell upconverting nanoparticles doped with ytterbium (Yb) and erbium (Er) ions as possible FRET-donors for biosensing.

Les biomarqueurs à base d’acides nucléiques, qui sont impliqués dans le contrôle de l'expression génétique, sont spécifiques de nombreux types de cancers. Les applications basées sur le transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) sont parmi les plus prometteuses pour la biodétection d’acides nucléiques. Comme la détection simultanée de plusieurs acides nucléiques est très demandée et que le multiplexage spectral est limité par des interférences (optical crosstalk), le multiplexage temporel est utilisé ici pour ajouter de nouvelles possibilités de multiples détections simultanées. La thèse porte sur le développement de systèmes comprenant différentes distances entre molécules donneuses et acceptrices de FRET (Terbium vers fluorophores) pour créer des signaux d'intensité spécifiques correspondant à différentes séquences d'acides nucléiques. Les distances Tb-to-dye peuvent être arrangées en positionnant spécifiquement le donneur Tb sur des molécules d’ADN de différentes longueurs. Les technologies d'amplification d’acides nucléiques, telles que la réaction d'hybridation en chaîne (HCR) et l’amplification circulaire de l’ADN (RCA), ont été utilisées pour obtenir simplicité, rapidité, sélectivité et sensibilité dans la détection d’acides nucléiques. Le multiplexage temporel du signal de FRET a également été combiné avec le multiplexage spectral (couleur) pour le démultiplier. De plus, la possibilité d'un multiplexage temporel à base de nanoparticules a été démontrée. / Nucleic acid biomarkers, which involve in gene expression control, are found specific for many kinds of cancers. Förster Resonance Energy Transfer (FRET) based applications are one of the most promising for nucleic acid biosensing. As parallel detection of multiple nucleic acids is highly demanded and spectral multiplexing is limited by optical crosstalk, temporal multiplexing is used for opening another dimension of the multiplexing. The thesis focuses on developing different Tb-to-dye FRET distances to create specific intensity signals corresponding to different nucleic acid sequences. The Tb-dye distances can be tuned by specific location of the Tb donor using different lengths of DNA. Amplification technologies, such as hybridization chain reaction (HCR) and rolling circle amplification (RCA), are used to achieve simplicity, rapidity, selectivity, and sensitivity of nucleic acid detection. Temporal multiplexing FRET was also combined with spectral (color) multiplexing for higher order multiplexed detection. Moreover, a single Tb-QD FRET modeling demonstrated the possibility of nanoparticle-based temporal multiplexing.

Une nouvelle famille de complexes de difluorure de bore photosensibles est développée. Elle est basée sur des structures moléculaires contenant une unité β-dicétone à conjugaison électronique π.La grande variété de groupements aromatiques et la nature donneur ou accepteur d'électrons des différents substituants permet l'élaboration de systèmes électroniques donneur-accepteur-donneur d'électrons (D1-A-D1) et donneur-accepteur (D2-A).L'absorption électronique de cette famille de molécule se situe dans la partie visible du spectre électromagnétique et une partie du spectre ultraviolet, et est caractérisée par une bande d'absorption π-π* intense avec des coefficients d'absorption molaire supérieurs à 50 000 M-1cm-1.L'émission de fluorescence couvre une plage spectrale qui va du visible au proche infrarouge avec des rendements quantiques de fluorescence en solution relativement élevés pouvant atteindre 62 %.En fin, cette famille de molécule est photochimiquement stable et est, contrairement à d'autres familles de complexes de difluorure de bore, chimiquement très stable en solution.Mots-clés : Difluorure de bore, β-dicétone, matériaux π-conjugués, luminescence, fluorescence stationnaire et résolue dans le temps (TRES), synthèse organique, RMN-19F dynamique, complexes & colorants fluorescents, curcumine & curcuminoide, complexe BF2, photophysique. / A new photosensitive family of boron difluoride complex is developed. It is based on π-conjugated molecular structures containing β-diketonates unit.The wide variety of aromatic groups and the nature of donor or electron acceptor of the different substituents allow the development of electron donor-acceptor-donor (DAD) and donor-acceptor (DA) electronic systems.The electronic absorption of this family of molecules is in the visible part of the electromagnetic spectrum and a portion of the ultraviolet spectrum, and is characterized by an intense π-π* absorption band with molar absorption coefficient greater than 50 000 M-1.cm-1.The fluorescence emission covers a spectral range going from visible to near infrared, with relatively high fluorescence quantum yields of up to 62 % in solution.This new material family is photochemically stable and, unlike some other families of boron difluoride complexes, chemically very stable in solution.