Nous avons étudié la croissance et les caractéristiques de boîtes quantiques InAs(P)/InP(001) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques, avec pour objectif la réalisation d'une source de photons uniques à 1.55 µm. D'une part, l'étude des boîtes quantiques clivées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel, sous ultra-vide à T=4K, montrent que ces nanostructures présentent jusqu'à 12 niveaux électroniques discrets. En raison de la grande hauteur des boîtes quantiques, certains niveaux présentent un nœud dans la direction de croissance. Des simulations par éléments finis montrent la pertinence d'un potentiel parabolique pour décrire le confinement latéral des boîtes quantiques. Les effets de courbures de bandes sont détaillés, mettant en évidence la contribution des niveaux de trous au courant tunnel. D'autre part, les propriétés structurales des boîtes quantiques auto-assemblées, étudiées en microscopie électronique en transmission, sont corrélées aux conditions de croissance. L'impact des précurseurs d'éléments V sur la densité de boîtes quantiques et les échanges entre les boîtes quantiques et la couche de mouillage, sont analysés. La croissance sélective de boîtes localisées dans des nano-ouvertures de diamètre inférieur à 100 nm a également été mise en œuvre afin d'obtenir un couplage spatial déterministe entre une boîte quantique et une microcavité optique. Nous montrons que la formation de boîtes quantiques par croissance sélective n'est pas régie par le mode de croissance Stranski-Krastanov, ce qui permet d'envisager de nouvelles possibilités quant au contrôle de la hauteur, de la taille latérale et de la composition des boîtes quantiques.

Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Parmi les nanoparticules aptes à accompagner la radiothérapie en clinique, les nanoparticules à base d'oxyde de gadolinium paraissent pertinentes, de part leur multimodalité en imagerie et leur effet radiosensibilisant prouvé in vitro et in vivo. Cet effet de radiosensibilisation est exceptionnel notamment sur des cellules cancéreuses radiorésistantes de la lignée SQ20B (carcinome squameux tête et cou) et uniquement pour des doses modérées de nanoparticules (aux alentours de 0.6 mM en Gd). Les clichés de microscopie électronique ont montré que ce maximum de radiosensibilisation est dû à une internalisation maximale des particules dans le cytoplasme, notamment par macropinocytose. Ce mécanisme d'internalisation est caractérisé par la formation de vésicules de grandes tailles, ou macropinosomes. Il se produit suivant deux étapes : la formation d'agglomérats de nanoparticules à proximité de la membrane cellulaire puis la récupération de ceux-ci par les lamellipodes de la cellule. La première étape est fortement dépendante des caractéristiques physicochimiques des particules, plus particulièrement leur potentiel zêta qui détermine la taille de l'agglomérat, et de la distance les séparant de la cellule. Dans des gammes de taille et de distance à la membrane optimales aux concentrations modérées, l'agglomérat peut être récupéré par les lamellipodes de la cellule. Il s'en suit une protubérance sur la membrane plasmique formant un macropinosome contenant les agglomérats de nanoparticules. Cet endosome précoce suivra ensuite le schéma d'endocytose classique dans le cytoplasme en fusionnant avec des corps multivésiculaires, uniquement visible en microscopie électronique à transmission, pouvant contenir des enzymes de dégradation détruisant leur contenu. Ces enzymes rendent le pH acide à l'intérieur de la vésicule. Plus les nanoparticules sont proches du noyau cellulaire plus leur effet radiosensibilisant sera efficace. Les espèces oxygénées réactives (ROS) et les électrons Auger et secondaires peuvent atteindre l'ADN du noyau plus facilement. A faibles doses (<0.4 mM) très peu de nanoparticules sont internalisées et un effet linéaire de la radiosensibilisation est observé jusqu'à 0.6 mM. A fortes doses (> 0.7 mM) les nanoparticules forment une couronne autour de la membrane cellulaire agissant comme écran, empêchant ainsi les ROS et les électrons générés de pouvoir atteindre l'ADN et induire des cassures, le noyau étant situé à quelques micromètres de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur la nécessité de contrôler l'internalisation cellulaire des nanoparticules en contrôlant leur chimie, laissant envisager ainsi des opportunités prometteuses dans le domaine de la radiothérapie assistée par nanoparticules délivrant de faibles doses de radiation aux patients.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'optimisation du couplage lumière-matière requiert la connaissance de l'orientation du dipôle émetteur associé à une source de photons, ainsi que de la distribution de champ électrique du mode excité. Afin de maximiser le couplage entre des émetteurs fluorescents et des nanostructures, nous avons établi une méthode qui permet de déterminer l'orientation d'un dipôle d'émission. Les calculs en champ électrique, associés à une analyse en polarisation, constituent une modélisation complète, pouvant être généralisée à diverses situations expérimentales. Nous appliquons ensuite la méthode proposée à des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et CdSe/ZnS sphériques, ainsi qu'à des nanobâtonnets de CdSe/CdS. Nous avons déterminé, par une analyse en polarisation, l'orientation complète d'un dipôle émetteur individuel. Nous avons ensuite étudié le couplage de la lumière à des plasmons grâce à des réseaux périodiques métalliques. Des mesures de réflectivité spéculaire ont mis en évidence un couplage efficace de la lumière incidente à des plasmons de surface sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de microscopie électronique par photoémission (PEEM), basées sur la collection d'électrons photoémis à la surface du métal, ont permis d'étudier le couplage de la lumière aux modes plasmons de surface, avec une haute résolution spatiale (25 nm). L'excitation de l'échantillon par un laser, dont on varie la longueur d'onde et la polarisation, fournit une cartographie de la distribution du champ à la surface. Les échantillons étudiés ont mis en évidence différentes signatures de couplage du faisceau incident aux modes plasmoniques (franges d'interférences, points chauds).

La physique mésoscopique est actuellement dominée par des mesures de transport permettant d'extraire les propriétés électroniques globales des systèmes étudiés. La spectroscopie tunnel permet d'avoir un accès direct à la densité d'états locale (LDOS). Nous pouvons donc sonder les évolutions spatiale des propriétés électroniques notamment à l'interface entre 2 matériaux possédant des propriétés différentes. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope à sonde locale qui combine microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) et qui fonctionne à 100mK. L'AFM permet de localiser un nanocircuit unique sur un substrat isolant grâce à un Length Extension Resonator (LER). Nous pouvons ensuite mesurer la spectroscopie tunnel locale du nanocircuit conducteur. La résolution énergétique obtenue avec ce système est de 70µeV. Nous avons montré la faisabilité expérimentale d'une telle étude en mesurant l'effet de proximité sur un îlot de cuivre (métal normal) connecté par deux électrodes supraconductrices en aluminium à l'équilibre, hors-équilibre et sous champ magnétique. Nous avons également mesuré la LDOS du graphène sur Ir(111) qui présente des propriétés proches du graphène intrinsèque avec un dopage de type p de l'ordre de 0.34eV. Nous avons observé que ce dopage fluctue spatialement avec la présence de poches de charges avec une taille typique de l'ordre de 9nm. Ces observations sont similaires à des résultats déjà reportés sur des systèmes graphène sur SiO2. Cependant, le profil des poches que nous avons mesuré montre une forte corrélation avec la topographie due à une modulation du potentiel électrostatique induit par le métal sous le graphène. Une analyse plus fine a permis également de réveler la présence d'interférences de quasiparticules se traduisant par une inhomogénéité de la DOS. La taille typique des structures est de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi avec une dépendance linéaire avec l'énergie selon E=ħvFk avec vF = 8.3±0.7x10^5m/s proche de la vitesse de Fermi théorique de 1x10^6m/s. Cela met évidence la présence de diffusion intravallée et prouve le caractère de fermions de Dirac sans masse des particules du graphène sur Ir(111).

Les métastases sont responsables de 90 % des décès causés par le cancer. Les métastases sont des foyers cancéreux secondaires qui se forment à distance de la tumeur d’origine. Des cellules cancéreuses quittent la tumeur primaire, rejoignent la circulation sanguine puis colonisent des organes voisins par migration à travers l’endothélium vasculaire. Ce phénomène d’adhésion à l’endothélium et de migration à travers l’endothélium appelé l’extravasation est une étape clé du processus métastatique. L’identification des molécules impliquées constitue une priorité dans le but d’élaborer de nouvelles drogues anticancéreuses. Nous avons précédemment montré que la molécule d’adhésion cellulaire InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) exprimée par les cellules endothéliales, est impliquée dans l’interaction des cellules de cancer de la vessie (BCs) avec l’endothélium. Cependant les ligands d’ICAM-1 n’ont pas été étudiés. Dans cette étude, nous utilisons des tests d'adhésion cellulaire et la microscopie à force atomique (AFM) afin d’identifier les ligands d’ICAM-1 et de mesurer les forces impliquées dans l’interaction ligand-ICAM-1. Nous avons identifié que les protéines MUC1 et CD43 exprimées par les BCs les plus invasives se lient à ICAM-1 en développant des forces d’intensité différente selon le couple considéré. Une analyse détaillée des événements de rupture suggère que CD43 est fortement lié au cytosquelette et que son interaction avec ICAM-1 correspond principalement à des sauts brusques. Au contraire, MUC1 semble être lié faiblement au cytosquelette et ses interactions avec ICAM-1 sont principalement associées à la formation de filaments membranaires ou « tethers ». Les forces mises en jeu lors de la migration des cellules cancéreuses à travers l'endothélium ont été étudiées par microscopie de forces de traction (TFM). Les résultats préliminaires montrent que les tractions exercées par les cellules cancéreuses lors de l’extravasation sont mesurables par TFM. / Cancer metastasis is associated with 90% cancer-associated deaths, when cancer cells escape from the primary tumor and form metastatic colonies in secondary sites. Extravasation is an important step in cancer metastasis, where cancer cells carried in blood, adhere and transmigrate through the endothelium. Therefore identifying the key molecules involved during the adhesion process could enable to develop new anticancer cancer drugs able to inhibit the adhesion of cancer cells to the endothelium. We have previously shown that InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) expressed by endothelial cells is involved in the interactions of bladder cancer cells (BCs) with the endothelium. However the ICAM-1 ligands have never been investigated. In this study, we combined adhesion assays and Atomic Force Microscopy (AFM) to identify the ligands involved and to quantify the forces relevant in such interactions. We report the expression of MUC1 and CD43 on BCs and demonstrate that these ligands interact with ICAM-1 to mediate cancer cell-endothelial cell adhesion in the case of the more invasive BCs. AFM experiments were performed to quantify the force ranges involved by MUC1 and CD43 during their interaction with ICAM-1. AFM measurements combined with a Gaussian Mixture Model showed distinct force ranges for the interaction of ICAM-1 with MUC1 and ICAM-1 with CD43. Furthermore, a detailed analysis of the rupture events suggests that CD43 is strongly connected to the cytoskeleton and that its interaction with ICAM-1 mainly corresponds to force ramps followed by sudden jumps. On the contrary, MUC1 seems to be weakly connected to the cytoskeleton as its interactions with ICAM-1 are mainly associated with the formation of tethers. The forces involved during the transmigration of cancer cells through the endothelium was investigated using Traction Force Microscopy (TFM). Preliminary results showed that tractions exerted by cancer cells during transmigration can be studied and quantified using TFM.

Des matériaux ayant des propriétés émissives spécifiques peuvent être obtenus par l'organisation contrôlée de fluorophores aux échelles moléculaire, nano- et micro-métrique. Dans ce travail, l'émission de lumière bleue polarisée est obtenue par l'auto-assemblage hautement anisotrope de n-acènes alcoxylés en nano-rubans. Des techniques de microscopie de fluorescence ont été utilisées pour déterminer le mécanisme de leur croissance et ont été combinées à la cristallographie aux rayons X pour déterminer l'empilement moléculaire dans les nano-objets. L'étude a révélé que la formation des nano-rubans est induite non seulement par le mécanisme de maturation d'Ostwald très commun, mais aussi par une croissance par attachement orienté rarement démontré dans des systèmes organiques. En plus des techniques plus courantes, la microscopie en polarisation de fluorescence de molécules uniques a contribué à caraxctériser l'emplilement moléculaire, bien que les nano-objets à haute densité en chromophore constituent des échantillons très difficiles à étudier. Dans ce travail, les propriétés des nano-rubans ont été contrôlées au niveau microscopique par les conditions de croissance, ainsi que par l'addition de dopants. Ainsi, en combinant différentes molécules et une réaction photochimique sous microscopie, des rubans à motifs colorés sub-micrométriques ont été obtenus. Par ailleurs, l'assemblage orthogonal a été exploité pour développer des réseaux interpénétrés. Ces derniers se distinguent par une émission à double couleur, un transfert d'énergie entre objets et une électroluminescence aux jonctions. / Materials with specific emissive properties can be obtained by the controlled organization of fluorophores at the molecular, nano- and microscales. In this work, polarized blue light emission is achieved by the highly anisotropic self-assembly of alkoxylated n-acenes into nano-ribbons. Fluorescence microscopy techniques were used to determine the growth mechanism and were combined to X-ray crystallography to determine the molecular packing in the nano-objects. The study revealed that the formation of the nano-ribbons is induced not only by the very common Ostwald ripening mechanism but also by an oriented attachnment growth, rarely observed with such evidence in organic systems. Besides more common techniques, single molecule fluorescence polarization microscopy contributed to characterize the molecular packing, although the nano-objects with high chromophore density represent very challenging samples. In this work, the properties of the nano-ribbons have been controlled at the microscopic level by the growth conditions, as well as by the addition of dopants Thereby, combining different molecules and photochemistry at the sub-micrometer scale under the microscope, colorful patterned ribbons could be obtained. In addition, orthogonal assembly was exploited to grow interpenetrated networks. The latter demonstrated dual color-emission, as well as inter-object energy transfer and electroluminescence at junctions.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La microscopie non-linéaire résolue en polarisation est un outil puissant pour accéder à des informations structurelles dans les assemblages biomoléculaires. Les interactions non-linéaires entre matière et lumière induisent des processus complexes où des champs électromagnétiques cohérents interagissent avec les dipôles de transitions moléculaires. Le contrôle de la polarisation des champs électromagnétiques excitateurs et l’étude des réponses non-linéaires induites procurent de riches informations sur la distribution angulaire des molécules présentes dans le volume focal de l’objectif du microscope. Dans cette thèse, nous appliquons cette sensibilité à la polarisation à plusieurs modalités de microscopie cohérentes sans marquage (diffusion cohérente Raman anti-Stokes (CARS), diffusion Cohérente stimulée (SRS)) et à la fluorescence à deux photons (2PEF) afin d’obtenir des informations quantitatives sur la forme de la distribution moléculaire et l’orientation des lipides dans les membranes artificielles, ainsi que dans les membranes biologiques telles que la myéline des tissus de la moelle épinière. Avec cette technique, nous adressons une question fondamentale sur le comportement des ensembles lipidiques dans les membranes et sur l’effet d’autres molécules telles que le cholestérol et les marqueurs fluorescents. Nous démontrons que le CARS résolu en polarisation permet d’accéder à de fines informations sur l’organisation des lipides dans les membranes de la myéline, en deçà de la limite de diffraction. / Polarization resolved nonlinear microscopy is a powerful tool to image structural information in biomolecular assemblies. Nonlinear interaction between light and matter lead to complex processes where coherent combinations of optical fields couple to assemblies of molecular transition dipoles. Controlling polarized optical fields and monitoring nonlinear induced signals in a medium can nevertheless bring rich information on molecular orientational organization within the focal spot of a microscope objective. In this PhD thesis we apply this polarization sensitivity to different label-free optical coherent techniques (coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), stimulated Raman scattering (SRS)) and to two-photon fluorescence (2PEF) to retrieve quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation of lipids in model membranes and biological membranes such as myelin sheaths in spinal cord tissues. With this technique, we address fundamental questions about lipid packing behavior in membranes, and how it can be affected by other molecules such as cholesterol and the insertion of fluorescent lipid probes. We demonstrate that polarization resolved CARS give access to fine details on lipids arrangement in myelin sheaths, at a sub-diffraction scale. In the context of experimental autoimmune encephalomyelitis disease (EAE) we show, that even at the stage of disruption of the myelin envelope during the demyelination process, lipids multilayers reveal strong capability to preserve their macroscopic self-assembly into highly organized structures, with a degree of disorganization occurring only at the molecular scale.