Cette thèse a pour objectif de tester l’intérêt des spéléothèmes en tant qu’archive pédologique dans le but de reconstruire l’histoire des sols à haute-résolution durant la période Holocène. Il s’appuie sur une partie expérimentale visant à tester la robustesse des proxies organiques comme indicateurs des variations environnementales au cours du temps, et sur l'utilisation des indicateurs robustes pour reconstruire l'évolution de l'environnement dans les Bauges durant les 6000 dernières années.Le d13C de la matière organique (MO, indicateur de la dynamique de la MO dans les sols) et les lipides (indicateurs des contributions des différentes sources) ont été analysés en complément du d13C de la calcite. Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) ont également été utilisés comme molécule sonde pour comprendre le transfert des différentes molécules organiques, et comme indicateur des combustions passées, naturelles ou anthropiques. Une attention particulière a été portée à l’optimisation de la méthode analytique, afin que la résolution temporelle des analyses soit compatible avec les questions environnementales. Les résultats obtenus pour ces proxies ne sont pas exploitables et montrent un manque de robustesse attribué à des problèmes analytiques (d13CMO, lipides), au type d’alimentation des spéléothèmes (HAP) ou a des effets de site (d13C calcite).L’analyse de fluorescence UV en phase solide a été utilisée pour obtenir un enregistrement haute-résolution des variations semi-quantitatives et qualitatives de la MO. Un protocole a été développé pour quantifier l’intensité de fluorescence en phase solide (FPS). L'intensité de fluorescence en phase liquide d'extraits de MO des sols et des spéléothèmes ont été couplées par un modèle non linéaire à la FPS à haute résolution. Cette méthode a permis d’obtenir une chronique des flux de MO exportée depuis les sols sur une stalagmite test, provenant du Vercors (Grotte de Choranche) et couvrant les 400 dernières années.Un enregistrement composite de l’intensité de fluorescence et du d18O a été créé à partir de trois spéléothèmes du massif des Bauges (salle du Précieux, réseau Garde-Cavale) se recoupant sur les derniers 6000 ans, et a permis l’interprétation des variations du paléoenvironnement. Celles-ci montrent une réponse de l’environnement aux forçages climatiques, basculant vers un forçage anthropique au cours du temps.Cette étude démontre qu’il est possible d’obtenir un enregistrement haute-résolution de l’histoire des sols à l’échelle de la période Holocène par l’utilisation de la FPS. Le couplage avec des proxies organiques plus informatifs a cependant montré la limite de l’utilisation de ces derniers, due à leur manque de robustesse. La combinaison du signal de FPS avec le d18O des spéléothèmes a tout de même permis de réaliser une interprétation des variations environnementales durant l’Holocène. Celle-ci pourrait être améliorée en intégrant d’autres traceurs inorganiques (terres rares, éléments traces) qui n’ont pu être analysés durant cette thèse. / This thesis aims to demonstrate the interest of speleothems as pedologic archives to reconstruct high resolution soil history during the Holocene. Experimental study was applied to test proxies robustness as environmental tracers. These robust tracers are used to reconstruct environmental evolution in the Bauges Massif during the last 6000 years.Organic matter (OM) d13C (tracer of OM dynamic in soils) and lipids (tracers of source contributors) were analyzed complementary to the d13C of calcite. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) were used as a “probe” to understand organic molecular transport from soils, and to record past natural and anthropogenic combustions. Attention was paid on the optimization of extraction method in order to obtain a temporal resolution suitable for environmental issues. Results obtained are not workable because of their lack of robustness attributed to analytical issues (d13COM, lipids), to speleothem water feeding type (PAH), or to site-specific effect (d13C).OM semi-quantitative and qualitative variations were recorded at high resolution using the solid-phase fluorescence (SPF) analysis. A protocol was developed to quantify the fluorescence intensity obtained with SPF. Liquid-phase fluorescence intensity of soil and stalagmite OM extracts was coupled with high resolution SPF using a non linear model. OM fluxes record was obtained for a stalagmite-test from the Vercors Massif (last 400 years).A composite record of SPF intensity and d18O was created from 3 stalagmites from the Bauges Massif (Précieux room, Garde-Cavale system), spanning the last 6000 years. It enabled the interpretation of paleoenvironmental variations which shows a change from a climatic to anthropogenic control.This study shows that SPF is a reliable tool to record soil history during Holocene with high resolution. However, organic proxies coupling highlights the limit of their use, induced by a weak robustness. Combination of SPF and d18O enabled to reconstruct environmental variations during the Holocene. This interpretation could be improved by integrating other proxies such as rare earths or trace elements, which could not have been tested during this work due to experimental issues.

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Steven Eckels / In this thesis, a two-color ratiometric planar laser-induced fluorescence (PLIF) technique for the measurement of temperature fields in liquids is described. The method uses the temperature sensitive rhodamine B and temperature insensitive rhodamine 110 fluorescent dyes. The ratio of the fluorescent emission intensity of these two dyes is inversely proportional to temperature and is independent of laser intensity variation in the flow field. Because the emission spectra of these two dyes overlap, a correction was developed to disentangle the two signals. In addition, the absorption spectra of rhodamine B and rhodamine 110 and emission spectrum of rhodamine 110 overlap, leading to the self-attenuation of the rhodamine 110 signal by the dye solution. A correction with respect to path length was developed for self-attenuation. This thesis presents the calibration process for a PLIF thermometry system and visualization of temperature gradients in a glass water tank with motion induced by large temperature gradients. A step-by-step procedure of the final calibration process is also presented.

Depuis une dizaine d'années, les nanofibres et nanocristaux organiques fluorescents font l'objet d'un intérêt croissant. On les considère de plus en plus comme des matériaux fonctionnels pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique, des capteurs chimiques et biochimiques et de la biologie. Cela implique que l'on soit capable de fabriquer des nanofibres et des nanocristaux organiques fluorescents de bonne qualité, avec des coûts raisonnables et en quantité suffisante. Or, le développement récent de ces matériaux se heurte encore à de nombreuses limitations dont la principale est que très peu de molécules sont fluorescentes à l'état solide. En effet, il ne suffit pas que la molécule soit intrinsèquement fluorescente. Les propriétés photophysiques à l'état solide dépendent de l'arrangement moléculaire, qui est souvent défavorable à l'émission de fluorescence. De plus, peu de molécules donnent spontanément des fibres et il est difficile d'obtenir des nanocristaux de taille homogène. Heureusement, les molécules organiques se prêtent à de multiples modifications par voie de synthèse et de petits changements de structure entraînent de grandes variations dans les propriétés d'auto-association. Cela permet de jouer à la fois sur les propriétés photophysiques et sur la morphologie des particules obtenues. Nous disposons de dérivés de coumarines et d'iminocoumarines qui ont la propriété rare d'être très fluorescents à l'état solide. Certains sont même plus fluorescents à l'état solide qu'en solution. Le but de cette thèse est maintenant de développer cette série de composés, de les mettre sous forme de nanoparticules et d'étudier la relation structure/propriétés dans ces nouveaux objets en vue d'applications pratiques. Nous nous orienterons vers les applications les plus favorables (optique ou bio-imagerie médicale). En particulier, nous essaierons d'utiliser les nanocristaux pour marquer les cellules cancéreuses et mettre au point un nouveau système pour le diagnostic précoce des tumeurs. / In the last decade, fluorescent organic nanofibers and nanocrystals have been the object of an increasing interest. They are now considered as promising functional materials for applications in the fields of optoelectronics, chemical or biochemical sensors, and biology. A prerequisite for applications is the ability to produce good quality fluorescent organic nanofibers and nanocrystals, with reasonable costs and in sufficient amounts. However, the recent development of these materials is impeded by numerous limitations, the major one being that very few molecules are fluorescent in the solid state. Indeed, the photophysical properties in the solid state depend on the molecular arrangement, which is often unfavorable to fluorescence emission. Furthermore, few molecules give spontaneously fibers, and it is difficult to obtain nanocrystals of homogeneous size. Fortunately, organic molecules lend themselves well to various modifications by synthesis. Small structural changes entail big variations in both the photophysical and self-association properties. new coumarin and iminocoumarin derivatives have been designed and prepared. They exhibit the rare property to be very fluorescent in the solid state. Some are even more fluorescent in the solid state than in solution. The purpose of this thesis is now to develop this series of compounds, to put them in the form of nanoparticles and to study the structure/properties relationship in these new objects with the aim of practical applications. According to our obtained results, we shall turn to the most favorable applications (optics or bio-medical imaging). In particular, we shall try to use nanocrystals to label cancer cells with the aim to develop a new system for the early diagnosis of tumors.

Plant optical signals can serve as important source of information about biochemical and physiological processes in plants. These signals are influenced by compounds synthesized by plants during primary or secondary metabolism and thus, can also serve as their qualitative and quantitative indicators. Light reaching plant surface (leaf or fruit) can undergo three main pathways- it can be (i) reflected, (ii) absorbed or it can (iii) transmit through plant material. The probability of these three processes depends on particular wavelength of incident irradiation and on the morphological characteristics of plant tissues themselves. As such, plant contains various spectrum of photosynthetic pigments and fluorescent compounds which can either reflect, absorb or pass incident irradiation through at specific wavelengths. Biophysical techniques working with these optical properties of plant pigments and/or other compounds have become universal and common tool in basic and applied research. To quote some example, chlorophyll fluorescence imaging, UV induced fluorescence or spectroscopic techniques are on the top of interest thanks to its non-invasive nature, allowing maintain the integrity of measured cells or the whole plant constituents. The main aim of this thesis is to provide a comprehensive study on the possibility of non-invasive monitoring of phenolic compounds in the leaves and fruits.

La tomographie de fluorescence est une méthode d'imagerie préclinique et clinique permettant de localiser des traceurs fluorescents préalablement injectés ou naturellement présents dans un organisme vivant. Ce travail de thèse à consisté, dans un premier temps, à définir l'architecture et les conditions d'utilisation optimales d'un tomographe de fluorescence continu appliqué à l'observation de tissus de faible épaisseur. On s'est en particulier attaché à traiter le problème de l'observation de tissus hétérogènes et d'organes fortement absorbants. Dans un deuxième temps, pour observer des tissus de plus grande épaisseur, nous avons montré l'apport de la mesure du temps de vol moyen des photons pour améliorer la localisation d'inclusions fluorescentes. Les performances de deux types de systèmes capables de réaliser ce type de mesure ont été comparées et nous avons proposé un protocole permettant d'en optimiser les principaux paramètres. Notre procédé a été appliqué à la problématique du guidage de biopsies prostatiques. Il pourra aussi être utilisé pour visualiser d'autres pathologies moyennant une simple adaptation. / Fluorescence tomography is a preclinical and clinical imaging method which aims to localize fluorescent probes injected into a living organism. In this thesis work, we defined the optimal design and parameters of a continuous wave fluorescent tomograph applied to thin tissue observation. We handled the problem of observing heterogeneous and highly absorbing organs. Secondly, we showed the advantage of time of flight measurement for inclusion detection through thicker tissues. The detection performances of two types of system capable of these measurements were compared and we proposed a protocol to optimize their main parameters. This process was applied to the problematic of prostatic biopsy guiding. It would also be used to detect and localize other pathologies by means of a simple adaptation.

Au cours des vingt dernières années, les nanomatériaux (caractérisés par des dimensions de l’ordre de 10 à 100 nm) ont attiré une attention croissante de par leurs propriétés optoélectroniques uniques. C’est tout particulièrement vrai pour les nanomatériaux inorganiques, tels que les quantum dots, les nanoparticules métalliques ou encore les nanoparticules à base de silice. Par contre, l’étude des nanomatériaux obtenus à partir de molécules organiques est un domaine d’intérêt beaucoup plus récent. Cette thèse présente une étude détaillée de nanoparticules organiques fluorescentes originales et des nanostructures organiques préparées à partir de deux ou trois types de chromophores distincts (nanocomposites binaires et ternaires). En particulier, l'attention est focalisée sur la préparation, la caractérisation et la stabilisation de ces nouveaux nanomatériaux, ainsi que leurs applications dans le domaine biologique et de l’opto-electronique. / During the past two decades, increasing research attention has been devoted to nanomaterials (materials in the range of 10-100 nm) because of their unique optoelectronic properties. In particular, inorganic nanomaterials, such as quantum dots, metal-based nanoparticles and silica nanoparticles, have been investigated extensively. Instead, nanomaterials based on organic molecules are been subject of research only since very recent years. This thesis presents an extensive study of novel fluorescent organic nanoparticles and fluorescent organic binary and ternary nanoassemblies. In particular the attention is focused on the preparation and characterization of organic nanoparticles and new nanocomposites obtained from different types of small organic chromophores, their stabilization and the use of these materials for biological and optoelectronics applications.

The study of the binding between estrogen receptors (ER) and their ligands in vitro has long been of interest mainly because of its application in anti-estrogen drug discovery for breast cancer treatment as well as in the screening of environmental contaminants for endocrine disruptors. Binding strength was conventionally quantified in terms of equilibrium dissociation constant (KD). Recently, emphasis is shifting towards kinetics rate constants, and off-rate (koff) in particular. This thesis reported a novel method to measure such binding kinetics based on fluorescence polarization complemented with total internal reflection fluorescence (FP-TIRF). It used tethered receptors in a flow cell format. For the first time, the kinetics rate constants of the binding of full-length human recombinant ERα with its standard ligands were measured. koff was found to range from 1.3 10-3 to 2.3 10-3 s-1. kon ranged from 0.3 105 to 11 105 M-1 s-1. The method could also be used to screen potential ligands. Motivated by recent findings that ginsenosides might be functional ligands of nuclear receptors, eleven ginsenosides were scanned for binding with ER and peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR). None of the ginsenosides showed significant binding to ER, but Rb1 and 20(S)-Rg3 exhibited significant specific binding with PPAR.

Le 20ème siècle a vu le recul des maladies infectieuses grâce aux antibiotiques. Cependant leur importante utilisation a rendu certaines bactéries, comme Staphylococcus aureus ou Pseudomonas aeruginosa (multi)résistantes. Un des moyens de lutte est de réduire la consommation d’antibiotiques ou de cibler ceux qui seront actif sur une souche identifiée. Nous souhaitons développer des surfaces et des dispositifs sensibles pour la détection précoce, rapide de bactéries pathogènes dans des fluides. Cela permettra de limiter la contamination et donc l’usage de médicaments. Ce projet regroupe 3 partenaires qui travaillent en synergie en mettant à profit leur expertise en physico-chimie, chimie de synthèse et microbiologie. Des nano-objets fluorescents, biocompatibles, et sensibles à la croissance bactérienne seront immobilisés sur des surfaces de verre. Ils seront rendus sélectifs de bactéries pathogènes par des traitements post-synthétiques. Il s’agit in fine de mettre au point un dispositif de détection miniaturisé et de tester la résistance aux antibiotiques des pathogènes détectés. / Infectious diseases have recessed during the 20th century thanks to antibiotics. However, some bacterial strains like Staphylococcus aureus or Pseudomonas aeruginosa have become (multi)resistant to antibiotic treatments because of overuse. One way to combat this is to reduce consumption of drugs or to better target those that will eliminate a given strain. We wish to develop sensitive surfaces and devices for the early and rapid detection of pathogenic bacteria in fluids. They will help limit contaminations and the use of drugs. The project gathers 3 partners working in synergy because they combine expertise in physical-chemistry, synthetic chemistry and microbiology. Fluorescent nanoobjects that are biocompatible and sensitive to bacterial growth will be immobilized on glass surfaces. They will be selective for pathogenic bacteria by post-synthetic modifications. The final goal is to build miniaturized sensitive devices that can detect pathogens and further test their resistance to antibiotics.

Parmi les recherches actuelles dans le domaine des matériaux organiques, on assiste au développement de nouveaux matériaux fonctionnels capables de répondre à des stimuli extérieurs : température, pH, complexation, etc. Ces quinze dernières années ont vu l’émergence du mécanofluorochromisme. Ce terme s’applique à tous matériaux ou composés dont les propriétés de fluorescence peuvent être modifiées, de manière réversible, par contraintes mécaniques Les études restent toutefois assez qualitatives et le manque de caractérisation et de quantification du phénomène limitent aujourd’hui son champ d’application. Au cours de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement penchés sur la famille des difluorures de bore à ligand dicétone. À travers la synthèse de dérivés originaux nous avons réalisé une étude détaillée et approfondie des mécanismes responsables du changement de fluorescence en combinant spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps, AFM, microscopie de fluorescence et approches théoriques.Un montage a également été développé pour permettre de quantifier la réponse mécanofluorochrome en fonction du type de force appliquée (compression pure ou cisaillement) et a déjà permis de montrer que les molécules étudiées étaient sensibles au cisaillement et pas à la compression pure. En modifiant les substituants du ligand dicétone ou le groupement chélatant nous avons également mis en évidence leur influence sur la réversibilité du phénomène. La synthèse de ligands dicétones fonctionnalisés par des groupement chiraux nous a permis de comparer le comportement mécanofluorochrome entre dérivés énantiomériquement purs et racémiques et de commencer une étude de l’impact du mécanofluorochromisme sur les propriétés de luminescence polarisée circulairement (CPL) des dérivés énantiomériquement purs. Enfin, nous nous sommes penchés sur la synthèse de nanoparticules, par la méthode de reprécipitation ainsi que par la méthode RAFT, que nous avons ensuite caractérisées par spectroscopie stationnaire avant de mettre en évidence leurs propriétés mécanofluorochromes à l’échelle nanométrique grâce à un montage couplant AFM et microcopie de fluorescence. / Among the on-going research in organic materials science, one can find the development of new functional materials able to give distinct responses to external stimuli: temperature, pH, complexation, etc… During the past fifteen years this research field has witnessed the emergence of mechanofluorochromism. This term applies to any materials or compounds which fluorescence properties can be modified, in a reversible way, by mechanical strains. Despite the increasing number of publications in this topic, the investigations are still quite qualitative and the lack of characterisations and quantifications of the phenomenon restrict its scope. In this thesis we focused, more particularly, on the difluoroboron β-diketonate family. After the synthesis of original compounds, an in-depth study of the mechanism responsible for the change of fluorescence was performed, combining steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy, AFM, fluorescence microscopy and theoretical approaches was also developed to allow for the quantification of the mechanofluorochromic response of the compounds when submitted to two different types of forces (pression or shearing) and has so far allowed to show that our compounds were sensitive t shearing stress and not to compression only. By modifying the substituents of the diketonate ligand or the chelating group, we additionally wanted to understand their influence on the mechanofluorochromic properties. The synthesis of new diketonate ligands functionalised by chiral groups enable us to study the influence of mechanofluorochromism on the circularly polarized luminescence (CPL) properties of the enantiomerically pure derivatives. Eventually, we took a look into the preparation of nanoparticles, by the reprecipitation and RAFT methods, thereafter characterised by steady-state spectroscopy before unravelling their mechanofluorochromic properties at the nanoscale thanks to the combining use of an AFM and a fluorescence microscope.

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