<p>We have studied fundamental aspects of time-resolved two-photon excited fluorescence depolarisation. The thesis presents experimental as well as theoretical progress. We show that a multi-photon induced instrumental response function obtained from a suspension of gold nanoparticles is appropriate for the analysis of two-photon excited fluorescence decays obtained using time-correlated single photon counting detection. Theoretical expressions have been derived for the fluorescence anisotropy decay obtained upon two-photon excitation of various molecular systems in liquid solutions: a) an anisotropic rigid rotor that undergoes rotational diffusion in the presence of ultrafast unresolved restricted reorientations, e.g. librations. b) a molecular group covalently attached to a stationary macromolecule, and undergoing local reorientation in a uniaxial ordering potential. A new approach to the analysis of two-photon excited fluorescence depolarisation experiments was developed, which combines data obtained by using linearly and circularly polarised excitation light, in a global manner. In the analysis, knowledge about unresolved reorientations was obtained from one-photon excitation studies of the corresponding systems. By means of this procedure it has been possible to obtain quantitative information about the molecular two-photon absorption tensor for perylene and two of its derivatives. Thereby the symmetry of the final excited and intermediate vibronic states could be assigned. The analysis reveals that the two-photon transition studied with the 800 nm laser exhibits mixed character. An important finding from the experiments was that the two-photon absorption tensor appears to be solvent dependent. Furthermore, the thesis presents the first theoretical treatment of two-photon excited donor-donor energy migration in the presence of molecular reorientation and which applies the extended Förster theory. Explicit expressions for molecules that belong to the point groups D_2h, D₂ and C_2v are given. Preliminary experiments are finally also reported on a two-photon excited donor-donor energy migration system consisting of a bisanthryl-bisteroid. </p>

Les éthers de cellulose (EC) sont des agents rétenteurs d'eau très utilisés dans les matériaux de construction: ils limitent fortement la perte d'eau due principalement à l'absorption dans le substrat pendant la cure, favorisant ainsi les réactions d'hydratation du ciment nécessaires à la prise qui assurent de bonnes propriétés mécaniques pour le matériau final. Cependant les causes exactes de ce phénomène de rétention d'eau restent encore incomprises à ce jour. Dans ce travail de thèse, afin d'analyser les mécanismes de la rétention, nous tentons de mieux comprendre pourquoi et comment les transferts hydriques sont modifiés en présence d'EC. Dans un premier temps, nous montrons, grâce à des tests de filtration et par les méthodes usuelles de caractérisation (microscopie, diffusion de la lumière) que les EC en solution forment des agrégats polydisperses de plusieurs dizaines de microns de diamètre. Nous montrons ensuite qu'une solution d'EC passant à travers un matériau poreux modèle (tamis) bouche progressivement ce tamis, même si la taille de maille est nettement supérieure à celle des agrégats, du fait d'un effet de blocage statistique. Cet effet de coincement se produit également lors de l'écoulement à travers un milieu poreux 3D (empilements de billes de verre), ce qui conduit à l'arrêt du fluide après une certaine hauteur de pénétration dans le milieu. Enfin, en revenant aux tests standards de rétention avec le matériau réel (mortier) puis en les comparant au test de filtration à travers un tamis nous montrons que ce dernier est un bon test alternatif qui permet de caractériser la capacité de rétention des EC

La Méthode de la Trajectoire Adiabatique Contrainte est développée dans le but de résoudre globalementl’équation de Schrödinger. Cette méthode utilise le formalisme de Floquet et une décomposition de Fourier pourdécrire les dépendances temporelles. Elle transforme ainsi un problème dynamique en un problème aux valeurspropres partiel dans un espace de Hilbert étendu au temps. Cette manipulation requiert l’application decontraintes sur les conditions initiales de l’état propre de Floquet recherché. Les contraintes sont appliquées parl’intermédiaire d’un opérateur absorbant artificiel. Cet algorithme est adapté à la description de systèmes dirigéspar des hamiltoniens dépendant explicitement du temps. Il ne souffre pas de l’accumulation d’erreurs au cours dutemps puisqu’il fournit une solution globale ; les erreurs éventuelles proviennent de la non-complétude des basesfinies utilisées pour la description moléculaire ou temporelle et de l’imperfection du potentiel absorbant dépendantdu temps nécessaire pour fixer les conditions initiales. Une forme générale de potentiel absorbant a étédéveloppée pour être en mesure d’intégrer un problème avec une condition initiale quelconque. Des argumentsrelatifs au suivi adiabatique dans le cas de Hamiltoniens non-hermitiens sont également présentés. Nous insistonssur le rôle des facteurs de phase géométrique. Les méthodes développées sont appliquées à des systèmesatomiques ou moléculaires soumis à des impulsions laser intenses, en relation avec la problématique du contrôlemoléculaire. Nous considérons plusieurs exemples : modèles d’atomes à deux ou trois niveaux, ion moléculairehydrogène et molécules froides de sodium. / The Constrained Adiabatic Trajectory Method (CATM) allows us to compute global solutions of the time-dependent Schrödinger equation using the Floquet formalism and Fourier decomposition. The dynamical problem is thustransformed into a “static” problem, in the sense that the time will be included in an extended Hilbert space. Thisapproach requires that suitable constraints are applied to the initial conditions for the relevant Floquet eigenstate.The CATM is well suited to the description of systems driven by Hamiltonians with explicit and complicated timevariations. This method does not have cumulative errors and the only error sources are the non-completeness ofthe finite molecular and temporal basis sets used, and the imperfection of the time-dependent absorbing potentialwhich is essential to impose the correct initial conditions. A general form is derived for the absorbing potential,which can reproduce any dispersed boundary conditions. Arguments on adiabatic tracking in the case of nonhermitianHamiltonians are also presented. We insist on the role of geometric phase factors. The methods areapplied to atomic and molecular systems illuminated by intense laser pulses, in connection with molecular controlproblems. We study several examples : two or three-level atomic models, hydrogen molecular ion, cold sodiummolecules.

Processos de fragmentação são ferramentas fundamentais no estudo de íons por espectrometria de massas, pois permitem a obtenção de informação sobre a estrutura e termoquímica destes íons . Desenvolvemos uma técnica de dissociação de íons baseada na ativação destes através da absorção multifotônica sequencial de radiação infravermelha de um filamento incandescente. Nesta técnica, íons aprisionados na cela de um espectrômetro de massas por transformada de Fourier são submetidos a radiação do filamento por intervalos de tempo relativamente longos (da ordem de segundos), e passam por um processo de multíplos eventos de absorção e emissão de radiação, até a energia interna dos íons atingir um nível suficiente para a fragmentação. A partir deste modelo para o processo foram implementados métodos computacionais que permitem a simulação da dissociação. A realização destas simulações exige o conhecimento do espectro vibracional do íon, que normalmente tem que ser obtido por algum método teórico de cálculo, como foi feito neste trabalho paro o caso de alguns dos íons estudados. O método de dissociação unimolecular induzida por absorção de radiação infravermelha foi aplicado na determinação das energias de ativação e de dissociação dos íons moleculares de acetofenona, p-cimeno e cumeno. Este método também mostrou-se capaz de diferenciar diferentes estruturas isomericas, e foi com esta finalidade aplicado no estudo da isomerização ceto-enol do íon molecular de acetofenona. Demonstrou-se também a capacidade do método dissociar os íons moleculares de n-butilbenzeno e brometo de alila. / Fragmentation processes are fundamental tools for the mass spectrometric study of ions because they provide information on structure and termochemistry of these ions. We have developed a dissociation technique that is based on the multiphoton activation of trapped ions by infrared radiation emitted by an incandescent filament. In this technique, ions trapped in the cell of a Fourier Transform mass spectrometer are exposed to the filament radiation for long time periods (seconds), and a process of multiple absorption and emition events occurs, until the internal energy of the ions is high enough for fragmentation. Computational methods have been implemented from this model allowing for simulation of the dissociation process. For this simulation the ion vibrational spectra, that normally must be obtained from theoretical calculations, is also required, as has been done in this work for some of the studied ions. The method of unimolecular dissociation induced by infrared radiation was applied to the determination of activation and dissociation energies of the molecular ions of acetophenone, p-cymene and cumene. This method also proved to be capable in the differentiation of isomeric structures, and was so applied in the study for the keto-enol isomerization of the acetophenone molecular ion. It was also shown that the method can dissociate the molecular ions of n-butylbenzene an allyl bromide.

In this work, we design a linear, two step implicit finite difference method to approximate the solutions of a biological system that describes the interaction between a microbial colony and a surrounding substrate. Three separate models are analyzed, all of which can be described as systems of partial differential equations (PDE)s with nonlinear diffusion and reaction, where the biological colony grows and decays based on the substrate bioavailability. The systems under investigation are all complex models describing the dynamics of biological films. In view of the difficulties to calculate analytical solutions of the models, we design here a numerical technique to consistently approximate the system evolution dynamics, guaranteeing that nonnegative initial conditions will evolve uniquely into new, nonnegative approximations. This property of our technique is established using the theory of M-matrices, which are nonsingular matrices where all the entries of their inverses are positive numbers. We provide numerical simulations to evince the preservation of the nonnegative character of solutions under homogeneous Dirichlet and Neumann boundary conditions. The computational results suggest that the method proposed in this work is stable, and that it also preserves the bounded character of the discrete solutions.

Cell mass is an important indicator of cell health and status. A diverse set of techniques have been developed to precisely measure the masses of single cells, with varying degrees of technical complexity and throughput. Here, the development of a non-invasive, label-free optical technique, termed Live-Cell Interferometry (LCI), is described. Several applications are presented, including an evaluation of LCI’s utility for assessing drug response heterogeneity in patient-derived melanoma lines and the measurement of CD3+ T cell kinetics during hematopoietic stem cell transplantation. The characterization of mast cells during degranulation, the measurement of viral reactivation kinetics in Kaposi’s Sarcoma, and drug response studies in patient-derived xenograft models of triple-negative breast cancer are also discussed. Taken together, data from these studies highlight LCI’s versatility as a tool for clinical, translational, and basic research applications.

Improvement in the in vitro oxidative folding of disulfide-containing proteins, such as extracellular and pharmaceutically important proteins, is required. Traditional folding methods using small molecule aliphatic thiol and disulfide, such as glutathione (GSH) and glutathione disulfide (GSSG) are slow and low yielding. Small molecule aromatic thiols and disulfides show great potentiality because aromatic thiols have low pKa values, close to the thiol pKa of protein disulfide isomerase (PDI), higher nucleophilicity and good leaving group ability. Our studies showed that thiols with a positively charged group, quaternary ammonium salts (QAS), are better than thiols with negatively charged groups such as phosphonic acid and sulfonic acid for the folding of bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI). An enhanced folding rate of BPTI was observed when the protein was folded with a redox buffer composed of a QAS thiol and its corresponding disulfide. Quaternary ammonium salt (QAS) thiols and their corresponding disulfides with longer alkyl side chains were synthesized. These QAS thiols and their corresponding disulfides are promising small molecule thiols and disulfides to fold reduced BPTI efficiently because these thiols are more hydrophobic and can enter the core of the protein. Conformational changes of disulfide-containing proteins during oxidative folding influence the folding pathway greatly. We performed the folding of BPTI using targeted molecular dynamics (TMD) simulation and investigated conformational changes along with the folding pathway. Applying a bias force to all atoms versus to only alpha carbons and the sulfur of cysteines showed different folding pathways. The formation of kinetic traps N' and N* was not observed during our simulation applying a bias force to all atoms of the starting structure. The final native conformation was obtained once the correct antiparallel β-sheets and subsequent Cys14-Cys38 distance were decreased to a bond distance level. When bias force was applied to only alpha carbons and the sulfur of cysteines, the distance between Cys14-Cys38 increased and decreased multiple times, a structure similar to the confirmation of N*, NSH were formed and native protein was ultimately obtained. We concluded that there could be multiple pathways of conformational folding which influence oxidative folding.

Durant ces 6 dernières années, ma thématique principale de recherche s'est d'abord focalisée sur l'étude de la stabilité et des processus de fragmentation de fullerènes et des agrégats de fullerènes, puis dans celle de la stabilité et de la réactivité de molécules ou de systèmes d'intérêt biologique.<br />Un des principaux résultats de ces études concerne les agrégats moléculaires de fullerènes, qui sont en principe des agrégats de type van der Waals, donc faiblement liés et surtout électriquement isolants. Nous avons montré que les espèces stables multiplement chargées, formées suite à des collisions avec des ions lents multichargés, qui ne subissent par ailleurs aucune modification structurelle profonde suite à leur chargement par impact d'ions, deviennent contre toutes attentes de bons conducteurs électriques ! <br />Les autres observations majeures obtenues dans ces recherches sont reliées la compréhension des mécanismes responsables à l'échelle moléculaire, en phase gazeuse, de l'endommagement de systèmes moléculaires d'intérêt biologique, suite à une irradiation avec des ions. Ces études ont notamment montré : d'une part, que certains mécanismes de reconnaissance moléculaire persistent en phase gazeuse, et d'autre part, que même la présence d'un environnement biochimique simplifié modifie fortement la dynamique de l'instabilité de la charge de ces molécules d'intérêt biologique.

Dans ce travail, des couches ultraporeuses de silice avec de très faibles indices de réfraction (1,1-1,2) et des épaisseurs de l'ordre du micromètre sont préparées et intégrées à deux systèmes de capteurs pour des applications distinctes. La synthèse de la solution initiale est optimisée à partir du procédé sol-gel classique en deux étapes. En raison de sa forte porosité, la couche déposée présente deux propriétés remarquables : un bas indice de réfraction et une faible conductivité thermique. Notre étude est fondée sur la mise en place de deux systèmes : un guide d'onde optique à symétrie inversée et un microsystème de chauffage. Le principe de réalisation du guide d'onde à symétrie inversée réside sur un empilement de trois couches avec une couche centrale à plus haut indice de réfraction que les milieux qui l'entourent. La particularité de ce guide provient du fait que l'indice du milieu inférieur (couche ultraporeuse) est plus faible que celui du milieu supérieur. Dans une application de construction d'un film multicouche type polyélectrolyte/protéine et afin de tester la profondeur de détection du champ évanescent, des multicouches de poly-L-lysine et caséines sont adsorbées à la surface du guide. A partir de la variation de l'indice de réfraction effectif, il est possible de déterminer la masse de biomolécules déposées et de montrer la sensibilité accrue par ce système. Dans la deuxième application de la couche ultraporeuse, la technologie du microsystème de chauffage repose sur l'intégration de cette couche entre une résistance métallique et son substrat. Il est mis en évidence que cet ajout permettait une meilleure concentration de l'énergie fournie.

L'exploitation des couches interfaciales à base de d'oxydes métalliques ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (PVOs). Cette thèse s'inscrit dans le développement, la caractérisation et l'analyse de couches interfaciales, à base d'oxyde de zinc (ZnO), déposées par pulvérisation cathodique, dans l'élaboration de dispositifs solaires compatibles avec des substrats flexibles et des procédés " roll-to-roll ". Après un état de l'art du domaine, une première étude sera consacrée à l'apport et à l'optimisation des dépôts par pulvérisation cathodique des films de ZnO sur des couches actives de P3HT:PCBM dans le cas de structures conventionnelles. Une seconde partie mettra en évidence l'importance des procédés de recuit des couches de ZnO déposées sur des substrats flexibles ou rigides à base d'ITO pour des structures inverses de cellules PVOs flexibles. Suite à ces études, l'élaboration de ces dispositifs sera testée et validée à partir de techniques inspirées de la lithographie douce. L'interfaçage de nouveaux matériaux tels que le graphène avec de tels couches de ZnO sera également sera abordée lors de ces recherches.