An inexpensive detector for proteins is described. The detection technique was based on two-photon excitation intrinsic protein fluorescence using a visible 532 nm diode-pumped nano laser as the excitation source. Proteins that exhibit intrinsic fluorescence must contain at least one tryptophan, tyrosine, or phenylalanine residue in their amino acid sequences. The detector was characterized and was found to have a detection limit of 4 micro-molar for tryptophan, 22 micro-molar for tyrosine and 500 micro-molar for phenylalanine. Bovine serum albumin, a serum protein with 3 tryptophan residues in its amino acid sequence was also used to characterize the detector. It was found that the detection limit for this protein was 0.9 micro-molar. The detector volume was determined based on a photon counting histogram - a technique in fluorescence fluctuation spectroscopy. From the results of this analysis, the excitation volume was found to be 2.9 fL. With such an excitation volume, the detection limits were either within or below the atto-mole range.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes organiques pour la microscopie optique non-linéaire par fluorescence excitée à deux photons (F2P) et génération de seconde harmonique (GSH). Dans une première partie, cette thèse décrit la synthèse de sondes pour l’imagerie de potentiels de membrane par GSH, comportant un ou plusieurs motifs sucres ainsi que leurs caractérisations spectroscopiques. Les premiers essais en imagerie biologique ont permis de démontrer une bonne affinité des sondes sucres pour la membrane cellulaire et un signal de GSH sur cellule neuronale a pu être observé sur une période de temps allant jusqu'à près de trois heures. La seconde approche a consisté à synthétiser et étudier des chromophores possédant des propriétés de fluorescence à l’état solide pour des applications dans la synthèse de nanoparticules fluorescentes pour l’imagerie biologique. 18 des 21 composés synthétisés ont pu être cristallisés et leur structure résolue par diffraction des rayons X et les propriétés spectroscopique en solution et à l’état solide ont été réalisées. Cette étude a permis de montrer que l’arrangement des molécules les unes par rapport aux autres avait une grande influence sur la fluorescence à l’état solide et donc que les substituants avaient une grande importance. Enfin, cette partie se termine sur les premiers essais effectués pour synthétiser des nanoparticules fluorescentes. / The objective of this thesis is the design of new organic probes for nonlinear optical microscopy by two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG). In the first part, we describe the synthesis of probes for voltage sensitive imaging by SHG, bearing one or more sugar units and their spectroscopic characterization. The first biological imaging tests have shown good affinity of the probes to the cell membrane and the SHG signal of neuronal cell was observed over a period of nearly three hours. The second part comprises the synthesis and the study of chromophores with solid state fluorescence properties for use in fluorescent nanoparticles for biological imaging. 18 of the 21 compounds synthesized have been crystallized, their crystal structures determined by X-ray diffraction and their spectroscopic properties studied in solution and in the solid state. These studies showed that the arrangement of molecules relative to each had a great influence on the solid state fluorescence and therefore that the substitution was very important. The chapter ends with the first tests of fluorescent nanoparticles synthesis.

V oblasti nových nízkomolekulárních organických materiálů patří deriváty difenyldiketopyrrolopyrrolu (DPP), používané dříve jako barviva a pigmenty, k objektům vysokého zájmu pro jejich potencionální aplikace v moderních technologiích. Studium jejich optických vlastností ve vztahu k jejich chemické struktuře umožní využití jejich vysokého potenciálu ve vývoji pokročilých inteligentních materiálů. Přehled chemických a fyzikálních vlastností DPP derivátů a zhodnocení současného stavu řešené problematiky jsou uvedeny v teoretické části této práce. Tři hlavní procesy studované v této práci jsou: klasická absorpce a emise, dvoufotonová absorpce (TPA) a zesílená spontánní emise (ASE). Výsledky budou diskutovány a shrnuty ve dvou částech: první zahrnuje první dvě výše zmíněné oblasti a druhá problematiku zesílené spontánní emise.