L’objectif de ce travail fut la synthèse de ligands fonctionnels de type N,N'-diphosphanyl-NHC (NHC = carbènes N-hétérocycliques) et l’étude de leur chimie de coordination. La synthèse du nouveau ligand tridentate, stable et rigide, N,N'-diphosphanyl-imidazol-2-ylidene a permis des études expérimentales et théoriques et l’accès à des complexes mono-, di-, tri-, penta-, et hexanucléaires des métaux du groupe 11 (Cu, Ag et Au) originaux et aux propriétés structurales uniques. Les complexes mono- et dinucléaires avec un ou deux atomes de phosphore libres ont permis d’accéder à des complexes hétérotrinucléaires à interactions d10-d10 qui sont luminescents. La transmétallation partielle ou totale des complexes homotrinucléaires de Cu ou d’Ag avec des réactifs contenant du Pd(0) ont conduit à des complexes hétérotrinucléaires à interactions d10-d10. En plus de son comportement pontant, ce ligand peut se agir en chélate dans des complexes du palladium et du chrome. Dans le cas du Cr(III), ils montrent une activité catalytique en oligomérisation de l’éthylène supérieure à celle des complexes du Cr(II) et conduisent principalement à des oligomères. / The purpose of this work was the synthesis of N,N'-diphosphanyl-functionalized NHC ligands andtheir coordination chemistry. The novel stable and rigid tridentate N,N'-diphosphanyl-imidazol-2-ylidene was synthesized and experimental and computational information on its stability weregained. It served as a unique platform for the synthesis of novel mono-, di-, tri-, penta-, hexanuclear complexes with the coinage metals (Cu, Ag and Au), exhibiting rare structural features. The mono- and dinuclear complexes with one or two dangling P-donors provided rational access to heterotrinuclear complexes. All these coinage metal complexes have short metal-metalseparations, indicating the presence of d10-d10 interactions, and display excellent luminescentproperties. Partial or complete transmetallation of the homotrinuclear Cu or Ag complexes withPd(0) precursors led to hetero-trinuclear complexes with d10-d10 interactions. In addition to itsbridging behavior, this ligand also showed its chelating behavior in Pd or Cr(III) complexes. Thelatter displayed superior performance in ethylene oligomerization than the Cr(II) complexes andgave mostly oligomers.

La résistance aux polymyxines chez P. aeruginosa résulte en partie de la modification du lipide A par addition de 4-amino-aL-arabinose (L-Ara4N), due à l'expression de l'opéron arnBCADTEF-ugD (arn), activée par au moins 6 systèmes de régulation à deux composants (S2C). Nous avons mis en évidence que P. aeruginosa était capable de s'adapter de manière transitoire à la présence de fortes concentrations de polymyxines (8 x CMI) aussi bien in vitro que in vivo dans un modèle murin d'infection pulmonaire aiguë. La délétion de l'opéron arn chez la souche sauvage n'a pas modifié la capacité d'adaptation de P. aeruginosa. Afin d'identifier les gènes impliqués dans le processus adaptatif, le transcriptome global du mutant PAOl/z«;-Aar«-ATCS délété des principaux S2C (parRS, pmrAB, cprRS eiphoPQ) et de l'opéron arn a été réalisé en présence de différentes concentrations de colistine par RNA-Seq. Deux nouveaux mécanismes ont ainsi été identifiés. L'un repose sur l'expression de l'opéron mmsAB codant des enzymes du catabolisme des acides gras et l'autre fait intervenir le facteur sigma alternatif AlgU. Seule la délétion conjointe du gène algW participant à l'activation de AlgU et des opérons arn, mmsAB, pmrAB, parRS, phoPQ et cprRS a permis d'abolir complètement la résistance adaptative à la colistine. Par ailleurs, nous avons mis en évidence le rôle des vésicules de membrane externe (OMVs) dans la séquestration de l'antibiotique, dont la production semble régulée au moins par AlgU et le PQS. Ces travaux offrent des perspectives intéressantes pour l'identification de nouvelles cibles antibactériennes et pour l'amélioration de l'effet bactéricide des polymyxines. / Resistance to polymyxins in Pseudomonas aeruginosa involves the addition of 4-amino-L-arabinose (Ara4N) to LPS phosphates, thanks to an enzymatic modification due to the operon named arnBCADTEF-ugD (arn) whose expression is activated by at least 6 two component regulatory Systems (TCS). We demonstrated that P. aeruginosa was able to resist in a transient way to high concentrations of polymyxins (8x MIC) in vitro and in vivo in a mice lung infection model. Arn operon deletion in the wild type strain did not modify the ability to adapt to polymyxins. In order to identify gènes involved in adaptive resistance, we performed RNA-seq transcriptomes of quintuple mutant PAO\lux-Aaw-ATCS exposed to different concentrations of colistin or non exposed. Two new mechanisms were identified. The first one is based upon mmsAB operon encoding fatty acid catabolism enzymes and the second one is due to the sigma factor AlgU. Only the deletions of algW%enz involved in AlgU activation and arn, mmsAB, pmrAB, parRS, phoPQ and cprRS operons completely abolished the adaptive process. We also demonstrated the role of outer membrane vesicles in the sequestration of colistin whose production is regulated by AlgU and PQS. This study provides knoweldge essential for the design of novel strategies aimed at tackling the adaptive resistance to polymyxins.

La datation directe de l’édification de maçonneries est l’objectif archéologique majeur de cette thèse qui s'inscrit dans un contexte interdisciplinaire. Il s’agit de mettre au point une méthode de datation des mortiers, matériaux de choix beaucoup plus représentatifs de la chronologie de l’édification que les briques ou les bois de charpentes qui peuvent être remployés. Les mortiers de chaux, constitués d'un mélange de chaux et de sable, peuvent être datés par luminescence optiquement stimulée : il s’agit en effet de remonter à la fin de la dernière exposition à la lumière des grains de sable qui ont été ajoutés à la chaux par les anciens bâtisseurs, ce qui correspond précisément à la fabrication du mortier au moment de l’édification. Les monuments datés dans ce travail forment un ensemble d’édifices de référence s'étendant de l'Antiquité gallo-romaine jusqu'à la fin du Moyen Âge, bien calés chronologiquement par les approches chronologiques indépendantes. L’objectif est de comparer la chronologie obtenue par OSL à celle connue et démontrer ainsi la validité de la méthode. La procédure de datation des mortiers par OSL est compliquée par plusieurs facteurs. D’abord, le blanchiment optique des grains de quartz du mortier n’est pas uniforme en raison de l’éventuelle faible durée d’exposition à la lumière. En plus, une faible ancienneté des objets à dater (2000 ans au maximum) implique des signaux de faible amplitude et la nécessité d’adapter le protocole de mesure. Enfin, particulièrement les mortiers grossiers peuvent être affectés par les effets microdosimétriques. Ces facteurs sont pris en compte dans le choix de méthodologie de datation qui comprend ainsi les étapes suivantes : la caractérisation du mortier par microscopie optique, par EDX-MEB et par imagerie beta, la mesure des doses archéologiques individuelles par la technique de monograin, la détermination de la dose annuelle et le calcul de la dose archéologique ou bien de l’âge. Cette dernière est une étape délicate car il s’agit de sélectionner dans les distributions des doses archéologiques individuelles les grains bien blanchis qui portent une information chronologique recherchée. Pour cela, les différentes approches statistiques habituellement utilisées en datation par luminescence sont testées. Cette thèse apporte une démonstration de la méthode et montre que dans de nombreux cas, elle peut produire des dates fiables. L’analyse individuelle de chaque grain est ici un seul moyen permettant d’obtenir des informations exactes sur la vraie nature du matériau étudié. / The heart of the proposed research lies in the possibilities of direct dating of historical constructions, the interdisciplinary issues of a high significance. The aim of this research is to put into practice a dating method dealing with mortars, the category of materials more convenient and much more representative for the chronology of buildings in comparison with bricks or wood constructions that may be reused. Lime mortars composed of the mixture of sand and lime can be dated by optically stimulated luminescence: the objective is to determine the last moment when the grains of sand have been exposed to light which corresponds exactly with the fabrication of the mortar at the moment of building. The monuments dated within this PhD. thesis constitute a group of reference structures from the Gallo-Roman antiquity to the Middle Ages well-dated by other independent chronological approaches. The objective is to compare the chronology obtained by OSL with the known one and thereby to proof the validity of the method. The OSL dating procedure of mortars is complicated by numerous factors. First of all, due to the short exposure to light the optical bleaching of quartz grains in mortar is not homogeneous. In addition, the young age of dated material (maximally 2000 years old) implies signals of a weak intensity and the necessity to adapt conveniently the measurement protocol. Finally, especially the coarse-grained mortars can be affected by the microdosimetric effects. All these factors are taken into account when selecting a convenient dating methodology comprising the following stages: characterization of mortar by optical microscopy, by SEM-EDX and by beta autoradiography, the measurement of individual archaeological doses by the single grain technique, the determination of the annual dose and the calculation of the archaeological dose and of the age. The latter stage is a tricky one; it is necessary to select from the measured distribution of archaeological doses the well-bleached grains that contain the right chronological information. In this context, different statistical approaches usually used in luminescence dating are tested. This thesis brings a demonstration of the OSL dating method and shows that in many cases we can get reliable dates. The individual analysis of each grain is here the only way how to get the precise information about the nature of the studied material.

Les matériaux poreux silicatés ont été mis à profit pour encapsuler différents types de molécules, clusters ou nano-objets fonctionnels, donnant lieu à des nanocomposites hybrides organiques-inorganiques à propriétés physiques, chimiques ou biologiques remarquables. Élucider l'organisation structurale à l'échelle moléculaire de tels nanocomposites est indispensable pour l'analyse et la compréhension des propriétés macroscopiques qui en découlent. Ainsi, les techniques de diffusion totale associées à la fois à l'analyse Debye et la Fonction de Distribution de Paires (PDF) sont des méthodes de choix pour la caractérisation des propriétés structurales de matériaux hybrides nano-structurés. Le principal objectif de ce travail consiste à l'utilisation des approches basées sur la diffusion totale de rayons X pour l'analyse structurale complète de molécules photoactives confinées dans des matrices silicatées amorphes avec différentes tailles de pores, afin d'étudier l'influence de l'organisation structurale sur les propriétés optiques et d'explorer également les limites de ces approches d'analyse. Nous avons étudié deux systèmes photoactifs. L'analyse structurale du premier complexe confiné, Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP), a été entreprise par une approche multi-échelle combinant la RMN du solide et l'analyse PDF. Cette approche a permis l'identification de la nature des espèces incorporées, l'arrangement des cations et des anions ainsi que la distinction des différentes phases existantes : molécules isolées et nanoparticules. Les analyses Debye et PDF sur le deuxième composé étudié, [NdCl2(H2O)6]Cl, montrent que l'organisation structurale du complexe confiné est différente de celle du matériau massif cristallin. De plus, les cations Nd3+ changent de coordination de 8 à 9 durant le processus d'imprégnation et adoptent ainsi un arrangement structural très similaire à celui en solution aqueuse. Cette modification structurale est en accord avec le changement des propriétés luminescentes de ce complexe / Silica xerogels are versatile host materials for the inclusion of molecules, clusters, or nano-objects yielding host-guest compounds with unique physical, chemical or biological properties. The knowledge of the structural organization of the guest within the host is crucial for the understanding of its properties. Total scattering methods, based on Debye function analysis (DFA) and Pair Distribution Function (PDF), have become powerful tools for structural characterization of nanostructured hybrid materials. The aim of this work is to use the X-ray total scattering method to obtain structural information on photoactive molecules embedded into amorphous silica hosts with different pore sizes, to correlate their structure with the optical properties, and to explore the limitations of the chosen method. Two different photoactive complexes have been investigated. In the first example, the combined PDF and NMR study on Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP) embedded into silica matrices allows to extract the nature of the inserted species: quasi-free isolated molecules can be distinguished from nanoparticles and in the former case a model for the arrangement of cation-anion can be proposed from the PDF analysis. In the second example, a luminescent Nd3+ complex, the PDF and DFA analysis reveal that the structural organization of the embedded Nd3+ complexes is different from that of the crystalline material. Furthermore, the Nd3+ cations change the coordination from 8 to 9 during the wet-impregnation doping and adopt very similar structural arrangement as in aqueous solution, which is in agreement with the observed change in the luminescence properties

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d’une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d’une bibliothèque d’acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d’obtenir les complexes d’europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d’excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d’europium(III) et deterbium(III) respectivement. D’autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d’élaboration par microémulsion inverse s’est révélé efficace pour l’incorporation des complexes électriquement neutres, mais n’a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu’à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d’un vecteur ciblant la PSMA, l’un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n’ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l’évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d’une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l’organisme, mais n’a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes. / The aim of this project was the design of a luminescent nanoprobe allowing the early prostate cancer detection.The first part of this project was the synthesis, through a click chemistry approach, of a library of 4-triazolyl dipicolinic acid substituted in position 4 of the triazole by a wide range of substitutive groups. These diacids were used to synthesise the corresponding europium(III) and terbium(III) complexes, which showed excellent optical properties, with photoluminescence quantum yield under UV excitation reaching 60% for europium(III) complexes and 36% for terbium(III) complexes. Moreover, these phosphores have been efficiently excited in biphotonic regime through the transitions S0 ®S1 and S0 ®T1. The more interesting chelates were selected for their further embedding into silica nanoparticles. The water-in-oil emulsion process showed a great efficiency for the incorporation of electrically neutral complexes, but did not allow the embedding of negatively charged ones. The resulting nanohybrids showed optical properties typical of lanthanides, presenting photoluminescence quantum yields up to 30%. The nanoparticles surface was then functionalised by amino groups, which were used to graft a spacer then a prostate tumour cells vector, giving us a luminescent nanoprobe model. The third section of this work was devoted to the study of new analogues of NAAG, the natural substrate of the PSMA, one of the prostatic cancer signals. Although the synthesis of the two target compounds, selected from more than 20 structures by molecular modelling, was uncompleted, they are now within easy reach. The last part describes the preliminary results obtained in vitro and in vivo with the nanoprobes. These studies were focused on the nanoparticles cytotoxitcity assessment, depending on the surface functionalisation, and on their distribution, in healthy and in prostatic tumour bearing mice. This study revealed the fast elimination of the nanoparticles by the organism, but did not show any concentration of nanoprobes in tumoral area.

Laser application in the field of biological and medical sciences has significantly grown, thereby strengthening the field of Biophotonics. Research conducted in Biophotonics focuses on the concept of using light especially in the visible and near infrared regions of the electromagnetic radiation for the evaluation of living systems. In this thesis new discoveries are presented about low level laser therapy, optical trapping, transmission spectroscopy, luminescence spectroscopy and structured illumination microscopy (SIM), displaying the impact each technique has on HIV infected cells. The results showed that the irradiation of HIV-1 infected TZM-bl cells with low power red laser reduces HIV-1 infection. The outcomes of this study further proved that when irradiation is used in conjunction with efavirenz, an antiretroviral drug, HIV-1 infection could be reduced to undetectable levels in TZM-bl cells. Through the coupling of transmission spectroscopy with optical trapping, and separately, use of luminescence spectroscopy, label free diagnosis of HIV in infected cell samples was achieved. This finding affirms that HIV-1 infection can be detected in a label free manner when using laser based techniques. Furthermore, the photoluminescence spectrometer system was employed to generate a decay curve, which was necessary so as to have some understanding on lifetime of the luminescent signal in infected TZM-bl cells. Finally, in order to confirm that indeed TZM-bl cells were infected, an established super-resolution microscopy system SIM was used to detect HIV-1 infection in TZM-bl cells. Indeed in the infected cells viral molecules p24 and gp41 were detected through SIM, while they were not detected in uninfected cells. In future studies, super resolution microscopy would be coupled to an optical trapping system in order to confirm that each trapped cells is whether infected or uninfected so as to improve HIV diagnosis. / College of Science, Engineering and Technology / Ph. D. (Science, Engineering and Technology)

La chimie de coordination de l’ion manganèse(II), à partir de radicaux nitronyl nitroxyde et de macrocycles thiacalix[4]arènes, a mis en évidence des propriétés magnétiques et optiques remarquables au sein de ses complexes. Ces matériaux moléculaires ont la particularité de manifester leurs propriétés sous l’application de stimuli externes. Ainsi, un composé lamellaire à base de polymères de coordination bidimensionnels d’ions Mn(II) et de radicaux nitronyl nitroxyde, a révélé une conversion de tautomérisme de valence induite thermiquement, et des complexes polynucléaires d’ions Mn(II)−sulfonylcalix[4]arènes ont montré une luminescence intense centrée sur l’ion métallique sous éclairement. Nos travaux de thèse s’insèrent dans la continuité de ces résultats développés antérieurement dans notre équipe. Notre objectif a été de comprendre l’origine des perturbations électroniques subies par l’ion Mn(II) dans ces complexes de coordination. Pour cela, l’étude approfondie des relations entre les structures cristallines des composés Mn(II)−radicaux et Mn(II)−thiacalix[4]arènes et leurs propriétés physiques, a été au cœur de notre recherche. Ce manuscrit présente les synthèses, les structures cristallines et la caractérisation des propriétés magnétiques et optiques de composés obtenus par des processus d’ingénierie moléculaire. La modification des ligands nitronyl nitroxyde et thiacalix[4]arènes par synthèse organique, et la substitution des contre-ions au sein de ces complexes ioniques lors de leur synthèse, ont été le fil conducteur de nos travaux. Ces modifications chimiques ont permis d’élaborer de nouveaux complexes qui présentent à leur tour une conversion de tautomérisme de valence thermo-induite ou une forte luminescence centrée sur l’ion Mn(II). La comparaison des structures et des propriétés des nouveaux complexes obtenus et antérieurs, a permis une interprétation et une rationalisation des relations structures-propriétés. Ces résultats permettront par la suite d’améliorer et de moduler, de façon maitrisée et selon la nécessité, les structures moléculaires et à l’état solide des composés suivant les propriétés visées / Manganese(II) coordination chemistry, with nitronyl nitroxide radicals and thiacalix[4]arene macrocycles, revealed remarkable magnetic and optical properties. These molecular compounds show their properties under external stimuli. Recently, a lamellar compound, made of Mn(II) – nitronyl nitroxyde 2D coordination polymers, presented a thermo-induced valence tautomeric conversion, and Mn(II) – thiacalix[4]arene polynuclear complexes shown an intense luminescence centered on the metallic ion. Our PhD work takes part in the continuity of these previous results. Our goal was to understand the origin of the electronic perturbations inside these compounds. The depth study of the relationships between the structures and the physical properties was the central point of our research. This thesis will present the synthesis, the crystalline structures and the magnetic and optical characterizations of new compounds obtained by different molecular engineering processes. Organic modifications of the ligands and substitution of the counter-ion during the synthesis were the central thread of our work. Thanks to these chemical modifications, new compounds has been synthesized which are presenting also a thermo-induced valence tautomeric conversion or an intense luminescence. The comparison of all compounds made possible an interpretation and a rationalization of the structure-property relationships. Next step will be to improve or to modulate, in function of the need, the molecular or solid state structures regarding the expected properties

La plupart des matériaux pour l'ONL quadratique actuellement commercialisés sont utilisés pour des applications dans le domaine de l'UV au proche infrarouge. Cependant, l'atmosphère présente deux autres fenêtres de transparence dans l'infrarouge : fenêtre II entre 3 et 5 Μm et fenêtre III entre 8 et 12 Μm. Les matériaux susceptibles de couvrir les besoins pour les applications entre 4 Μm et 12 Μm sont peu nombreux. Les composés d'iodates anhydres étudiés dans ce travail de formule générale M(IO3)n ou MM'(IO3)4 sont synthétisés soit par lente évaporation dans l'acide nitrique concentré soit en synthèse hydrothermale. Les études structurales menées par diffraction des rayons X sur poudre et sur monocristal, mettent en évidence une analogie entre les composés M(IO3)2, M(IO3)3 et a-LiIO3 qui permet l'obtention de solutions solides. Les composés étudiés présentent trois caractéristiques communes importantes : grande stabilité thermique en moyenne 500°C, non hygroscopicité et très grande fenêtre de transparence qui s'étend en continue de l'UV, pour les composés incolores, vers l'infrarouge lointain en moyenne jusqu'à 13 Μm. De plus, ils présentent un seuil de dommage optique sur poudre de l'ordre de quelques GW.cm-2 et l'efficacité en doublement de fréquence est comparable voire supérieure à celle observée pour a-LiIO3. Par ailleurs, l'insertion d'éléments luminescents a pu être réalisée dans certaines de ces matrices. Nous disposons maintenant de toute une famille de matériaux potentiellement actifs (émission laser due à la présence d'éléments luminescents pour les lasers à longueurs d'ondes fixes ou accordables) et/ou passifs (doubleur de fréquence) qui pourraient répondre aux exigences requises pour les applications visées.

This thesis presents stratigraphic, sedimentological and geochronological results from valley fill and glacial moraines of the Hope-Waiau Valleys in North Canterbury, New Zealand. The findings demonstrate that a substantial portion of the modern valley fill comprises in-situ sedimentary sequences that were deposited during the penultimate glaciation (OIS 6), the last interglacial (OIS 5) and during the mid-late last glacial cycle (OIS 3/2). The sediments survived at low elevations in the valley floor despite overriding by later glacial advances. Sedimentologically, the fill indicates deposition in an ice marginal zone and consists of paraglacial/distal-proglacial aggradation gravels and ice-proximal/marginal-subglacial sediments. Deposition during glacial advance phases was characterized by the sedimentation of outwash gravels and small push moraines while glacial retreat phases are dominated by glaciolacustrine deposits which are frequently interbedded with debris flow diamictons. The overall depositional arrangement indicates that glacial retreat from the lower valley portion occurred via large scale ice stagnation. Results from infra-red stimulated luminescence (IRSL) dating gives evidence for five large aggradation and degradation phases in the Hope-Waiau Valleys over the last 200 ka. Combined with surface exposure dating (SED) of moraines the geochronological results indicate that glacial advances during OIS 6 were substantially larger in both ice extent and ice volume than during OIS 4-2. The last glacial maximum (LGM) ice advance occurred prior to 20.5 ka and glacial retreat from extended ice positions began by ~18 ka BP. A late glacial re-advance (Lewis Pass advance) occurred at ~13 ka BP and is probably associated with a regional cooling event correlated to the Antarctic Cold Reversal (ACR). The findings from the Hope-Waiau Valleys were integrated into a model for glaciations in the Southern Alps which uses data from a snow mass balance model to analyse the sensitivity of glacial accumulation to temperature forcing. Model results indicate that in the central hyperhumid sector of the Southern Alps ice would expand rapidly with minor cooling (2-4℃) suggesting that full glaciation could be generated with little thermal forcing. Some Quaternary glacial advances in the Southern Alps may have been triggered by regional climate phenomena (e.g. changes in ENSO mode) rather than requiring a thermal trigger from the Northern Hemisphere.

The aim of this thesis is to increase our knowledge and understanding of trace water concentrations in nominally anhydrous minerals (NAMs). Special focus is put on the de- and rehydration mechanisms of clinopyroxene crystals in volcanic systems, how these minerals can be used to investigate the volatile content of mantle rocks and melts on both Earth and other planetary bodies (e.g., Mars). Various analytical techniques for water concentration analysis were evaluated. The first part of the thesis focusses on rehydration experiments in hydrogen gas at 1 atm and under hydrothermal pressures from 0.5 to 3 kbar on volcanic clinopyroxene crystals in order to test hydrogen incorporation and loss from crystals and how their initial water content at crystallization prior to dehydration may be restored. The results show that extensive dehydration may occur during magma ascent and degassing but may be hindered by fast ascent rates with limited volatile loss. De- and rehydration processes are governed by the redox-reaction OH- + Fe2+ ↔ O2- + Fe3+ + ½ H2. Performing rehydration experiments at different pressures can restore the water contents of clinopyroxene at various levels in the volcanic systems. Subsequently water contents of magmas and mantle sources can be deduced based on crystal/melt partition coefficients. This thesis provides examples from the Canary Islands, Merapi volcano in Indonesia and the famous Nakhla meteorite. Using NAMs as a proxy for magmatic and mantle water contents may provide a very good method especially for planetary science where sample material is limited. The thesis’ second part focusses on analytical methods to measure the concentration of water in NAMs. Specifically the application of Raman spectroscopy and proton-proton scattering are tested. The hydrated mineral zoisite is thoroughly analyzed in order to be used as an external standard material. Polarized single crystal spectra helped to determine the orientation of the OH-dipole in zoisite. Further, Transmission Raman spectroscopy and a new method for the preparation of very thin samples for proton-proton scattering were developed and tested. The results provide new possibilities for the concentration analysis of water in NAMs such as three dimensional distribution and high spatial resolution.