La microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) est une technique inventée au mans, il y a une dizaine d’années. Elle permet de visualiser des objets de taille nanoscopique entre polariseur et analyseur croisés en utilisant les propriétés non dépolarisantes de surfaces multicouches. Jusqu’au début de la thèse, seules des observations à l’air étaient possibles. Le but de cette thèse a consisté à adapter cette technique à l’observation in-situ d’objets en immersion dans l’eau.Pour cela, il a fallu inventer de nouvelles surfaces propres à ce nouveau milieu. Les calculs ont montrés que des surfaces fines d’or révélaient un bon contraste pour des objets de 1 nm en immersion dans l’eau. Expérimentalement, nous avons montré que pour exploiter au maximum le contraste SEEC, il est nécessaire de modifier l’éclairage. En parallèle de ces travaux expérimentaux, de nouveaux calculs ont montrés que l’utilisation d’épaisseurs encore plus fines permettait de visualiser ces objets avec un bon contraste et sans aucune modification de l’éclairage. Nous avons appelé cette nouvelle technique : la microscopie CONE. Nous avons découvert deux modes de mesure. Après avoir réalisé des fonctionnalisations homogènes et hétérogènes des surfaces d’or. Ces surfaces ont été utilisées en résonance plasmonique de surface (SPR) pour l’étude de fixation de protéine (adsorption et immobilisation) puis d’interaction protéine/protéine. Ces expériences ont ensuite servies de référence pour évaluer les microscopies SEEC et CONE. Par cela, nous avons prouvé que ces microscopies présentent de forts intérêts pour la détection in-situ de protéines avec un faible coût. / This thesis was supported by National Agency for Research with the project: ANR PNANO-07 SEEC. The Surface Enhanced Ellipsometric Contrast (SEEC) microscopy has invented in 2000 at Le Mans (France). This technique allows the visualization of nanoscopic object between crossed analyzer and polarizer. It’s possible if some special multilayer surfaces are used. There surfaces must have the particularity to not change the polarization of light during the reflection. Until the beginning of the project the SEEC microscopy was useful only for air observations. The goal of the thesis was to adapt this technique to observe on gold surfaces immerged in water and to compare the performance of the SEEC microscopy with Surface Plasmonique Resonance (SPR) in that configuration. The SPR is a biomolecular interaction study reference technique. SEEC microscopy lateral resolution was evaluate by fluorescence microscopy. Next, we realize two model experiments monitor in parallel by SEEC microscopy and by SPR: BSA immobilization and biotinylated IgG fixation by immobilized streptavidine. To compare measurements efficiently we did a huge preparation work (surface functionalizations and microfluidic) to have exactly same conditions in both techniques.Our results show SEEC microscopy cannot replace SPR for biomolecular interaction studies but it can be used as cheap immunological diagnostic technique. This work gives the path to follow on that direction.

Die Charakterisierung der Protein-Nanopartikel-Wechselwirkungen in komplexen biomolekularen Systemen wie einer lebenden Zelle ist für die Pharma-, Medizin- und Umweltforschung von entscheidender Bedeutung. In solchen biomolekularen Systemen adsorbieren Proteine leicht auf der Oberfläche von Nanopartikeln, die die Proteinkorona bilden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der Proteinkorona in lebenden Zellen, wobei verschiedene analytische Ansätze kombiniert werden. Experimente mit oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) an reinen Proteinlösungen zeigten die Konzentrationsabhängigkeit der Protein-Gold-Nanopartikel-Wechselwirkungen, die zu unterschiedlichen SERS-Spektren führten und ermöglichten die Bestimmung von Proteinsegmenten, die an Citrat-stabilisierte Gold-Nanopartikel binden. In SERS-Experimenten mit lebenden Zellen wurde die Anwesenheit von Proteinfragmenten in der innersten Schicht der Proteinkorona, die als harte Proteinkorona bezeichnet wird, festgestellt. Eine analytische Methode, die Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese und Hochleistungs-Flüssigchromatographie-gekoppelte Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie kombiniert, wurde entwickelt, um die Bestandteile der Hartproteinkorona zu identifizieren. Die Proteomics-, SERS- und Cryo-Soft-X-Ray-Nanotomographiedaten, wobei letztere Informationen über die dreidimensionale Ultrastruktur der Zelle liefern, zeigen den Aufnahmemechanismus, die Verarbeitung, die Akkumulationsstelle, die molekulare Umgebung und die induzierten zellulären Reaktionen internalisierter Goldnanopartikel. Diese Arbeit validiert die Verwendung von SERS bei der Analyse der Proteinkorona in der Lösung von Modellproteinen und in lebenden Zellen und präsentiert eine geeignete Methode zur Analyse der unveränderten harten Proteinkorona, die in lebenden Zellen gebildet wird. / The characterization of the protein-nanoparticle interactions in complex biomolecular systems such as a living cell is vital for pharmaceutical, medical, and environmental research fields. In such biomolecular systems, proteins readily adsorb on the surface of nanoparticles forming the protein corona. This thesis focuses on the characterization of the protein corona in living cells combining different analytical approaches. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) experiments on pure protein solutions revealed the concentration dependence of the protein-gold nanoparticle interactions resulting in different SERS spectra, and allowed for the determination of protein segments binding to citrate-stabilized gold nanoparticles. In live cell SERS experiments, the presence of protein fragments in the innermost layer of the protein corona, called the hard protein corona, was revealed. An analytical method combining sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and high-performance liquid chromatography-coupled electrospray ionization mass spectrometry was developed to identify the constituents of the hard protein corona. The proteomics, SERS, and cryo soft X-ray nanotomography data, the latter providing information of the three dimensional ultrastructure of the cell, reveal the uptake mechanism, processing, accumulation site, molecular environment, and the induced cellular responses of internalized gold nanoparticles. This work validates the use of SERS in the analysis of the protein corona in the solution of model proteins and in living cells, and presents a suitable method for the analysis of the unaltered hard protein corona formed in living cells.

No description available.

Die Elektrochemie und die Spektroelektrochemie von selbst-organisiererten Monoschichten (selfassembled monolayers, SAMs) gebildet aus 2-Mercaptopyridin (2MP) und 4-Mercaptopyridin (4MP) wurden an polykristallinen Goldelektroden in wässrigen Elektrolytlösungen untersucht. Folgende Untersuchungsmethoden wurden angewandt: zyklische Voltammetrie, elektrochemische Impedanzmessungen (EIM) und oberflächenverstärkte Raman Streuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS). Die elektrochemischen Untersuchungen von 2MP und 4MP in wässriger saurer Lösung (0.5 M H2SO4) zeigten, dass 2MP stärker adsorbiert wird als 4MP aufgrund der Bildung eines S-Au-N Chelates, wobei die S-Au-Interaktionen bei 4MP stärker sind. Die Bildung eines Chelates im Falle von 2MP verringert die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Dimers. In sauren Lösungen wird das N-Atom von 2MP protoniert, was zu einer schwächeren Bindung von 2MP-Molekülen zur Substratoberfläche führt. Die Ergebnisse der SERS-Untersuchungen stimmen mit den Resultaten aus der zyklischen Voltammetrie überein. Man erhält eine Au-S-Streckschwingungsbande für 2MP zwischen 225 bis 250 cm-1 bei Abscheidung aus wässriger oder saurer Lösung und für 4MP bei ca. 263 cm-1 in beiden Lösungen. Die SERS-Experimente ergaben eine senkrechte Orientierung zur Goldoberfläche sowohl für 2MP als auch für 4MP. Die Thion-Thiol-Tautomerie von 2- Mercaptopyridinen wurde ebenfalls in Betracht gezogen. Die Unter- und Überpotentialabscheidung von Kupfer auf einer polykristallinen Goldelektrode in wässriger 0.1 M Schwefelsäure in An- und Abwesenheit von SAMs von 2- und 4- Mercaptopyridin wurde mit zyklischer Voltammetrie untersucht. Es zeigte sich, daß bei Vorhandensein der SAMs die Elektrodeposition von Kupfer verhindert wird, was auf starke Wechselwirkungskräfte zwischen dem Adsorbat (MP) und der Goldoberfläche zurückzuführen ist. 2MP zeigt eine grössere Inhibierung, was höchstwahrscheinlich auf die Bildung der Chelatstruktur zurückzuführen ist. Es wurden ebenso Untersuchungen zum Einfluss von 2MP und 4MP auf die abgeschiedene Kupfermonolage auf der Goldelektrode durchgeführt. Es zeigte sich, daß die Kupfermonolage teilweise durch 2MP oder 4MP ersetzt wird. Die Elektronenaustauschgeschwindigkeit für das Fe2+/Fe3+-Redoxsystem in An- und Abwesenheit von 2MP- oder 4MP-Monolagen wurde mit zyklischer Voltammetrie und elektrochemischen Impedanzmessungen (EIM) untersucht. Es stellte sich heraus, dass der Elektronenaustausch höchstwahrscheinlich über Defektstellen in der Monolage (Pinholes) erfolgt. In einer wässrigen Lösung verringert 4MP den Elektronenaustausch stärker als 2MP. Da die Packungsdichte bei 4MP größer ist als bei 2MP ist wahrscheinlich auch die Zahl der Pinholes geringer in der 4MP-Monolage. In saurer Lösung liegen die N-Atome protoniert vor. Man kann davon ausgehen, dass in saurer Lösung zwei Prozesse gleichzeitig ablaufen, die für den Elektronenaustausch entscheidend sind. Erstens kommt es zu einer Abstoßung zwischen der positiv geladenen Monolage und den positiv geladenen Redoxionen. Und zweitens erfolgt eine Abstoßung zwischen den positiv geladenen Molekülen der SAMs, was zu einer geringeren Packungsdichte führt. Der Ladungsaustausch wird dominiert durch den zweiten Effekt. Mit Hilfe von EIM wurden die Elektronenaustauschgeschwindigkeit und der Bedeckungsgrad bestimmt. Die korrosionshemmende Wirkung von 2MP und 4MP auf Stahl in 3.5 % wässriger NaCl-Lösung wurde mit Hilfe der EIM untersucht. 2MP zeigte eine grössere Hemmung als 4MP. / The electrochemistry and spectroelectrochemistry of the self-assembled monolayers (SAMs) prepared of 2-mercaptopyridine (2MP) and 4-mercaptopyridine (4MP) dissolved either in water or 0.1 M H2SO4 have been investigated at polycrystalline gold electrodes in aqueous electrolyte solutions using cyclic voltammetry, electrochemical impedance measurements (EIM) and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Electrochemical studies of 2MP and 4MP monolayers in aqueous acidic solution (0.5 M H2SO4) suggest that 2MP is adsorbed more strongly than 4MP due to the formation of S-Au-N chelate. However, the S-Au bond was found to be stronger in 4MP as compared with 2MP. The formation of the chelate in case of 2MP diminishes the probability of dimer formation. In the acidic solvent, the N-atom of 2MP molecule will be protonated leading to a weaker interaction of 2MP molecules with the substrate surface. The SERS results are in good agreement with the cyclic voltammetry results. The Au-S stretching band was obtained in the region from 215 to 245 cm-1 for 2MP deposited from water and acidic solvent and around 263 cm-1 for 4MP in both solvents. The SERS measurements showed also a perpendicular orientation of both 2MP and 4MP on the gold surface. In explaining the SERS results, the thione-thiol tautomerisations of the mercaptopyridines were also taken into consideration. The under- and overpotential deposition of copper on a polycrystalline gold electrode in aqueous 0.1 M sulfuric acid in the presence and in the absence of SAMs of 2- and 4-mercaptopyridine has been studied using cyclic voltammetry. In general, the presence of these SAMs has been found to inhibit the electrodeposition process of copper, suggesting very strong interactions between these adsorbates and the Au surface. 2MP shows a higher degree of inhibition, which is due to a stronger interaction probably due to the formation of the chelate structure. Studies have also been made of the influence of mercaptopyridines SAMs on the copper monolayer electrodeposited on the gold surface. The copper adlayer was found to be partially displaced by 2MP and 4MP monolayers. The rate of electron transfer for the Fe3+/2+ redox system on the gold electrode has been probed in the absence and presence of 2MP and 4MP monolayers by cyclic voltammetry and electrochemical impedance measurements (EIM). The charge transfer process was suggested to occur through the defects (pinholes) in the monolayer. In case of aqueous solvent 4MP decreases the electron transfer reaction stronger than 2MP. Since the packing density for 4MP is higher than that of 2MP the number of pinholes might be lower in 4MP monolayer. In acidic solvent the N-atoms of the mercaptopyridines will be protonated. It is proposed that two effects, which exist at the same time, are responsible for the electron transfer process in acidic solution. First, there will be a repulsive interaction between the positively charged monolayer and the positively charged redox probe. Second, there is a repulsion among the positively charged monolayer molecules that results in a less compact monolayer. The charge transfer is dominated due to the latter effect. With the EIM the rate of electron transfer and the surface coverage were determined. 2MP and 4MP were examined as steel corrosion inhibitors in 3.5% aqueous NaCl solution using EIM. 2MP shows higher inhibition efficiency than 4MP.

Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

Surface- and tip-enhanced resonant Raman scattering (resonant SERS and TERS) by optical phonons in a monolayer of CdSe quantum dots (QDs) is demonstrated. The SERS enhancement was achieved by employing plasmonically active substrates consisting of gold arrays with varying nanocluster diameters prepared by electron-beam lithography. The magnitude of the SERS enhancement depends on the localized surface plasmon resonance (LSPR) energy, which is determined by the structural parameters. The LSPR positions as a function of nanocluster diameter were experimentally determined from spectroscopic micro-ellipsometry, and compared to numerical simulations showing good qualitative agreement. The monolayer of CdSe QDs was deposited by the Langmuir–Blodgett-based technique on the SERS substrates. By tuning the excitation energy close to the band gap of the CdSe QDs and to the LSPR energy, resonant SERS by longitudinal optical (LO) phonons of CdSe QDs was realized. A SERS enhancement factor of 2 × 10³ was achieved. This allowed the detection of higher order LO modes of CdSe QDs, evidencing the high crystalline quality of QDs. The dependence of LO phonon mode intensity on the size of Au nanoclusters reveals a resonant character, suggesting that the electromagnetic mechanism of the SERS enhancement is dominant. Finally, the resonant TERS spectrum from CdSe QDs was obtained using electrochemically etched gold tips providing an enhancement on the order of 10⁴. This is an important step towards the detection of the phonon spectrum from a single QD. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The adsorbate formed by adsorption of thiophenol on a polycrystalline gold electrode and brought into contact with aqueous solutions of 1 M HClO4 and 0.1 M KClO4 has been studied using cyclic voltammetry and surface-enhanced Raman spectroscopy. A strong adsorption is deduced from observations made using cyclic voltammetry. From the SER spectra, interactions of thiophenol with the gold surface via a gold–sulfur bond with the aromatic ring pointing away from the surface is concluded for both electrolyte solutions. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Les travaux de la thèse portent sur l’impact de la structure des électrolytes hautement concentrés (ÉHC) à base de Lithium Bis[trifluorométhane(sulfonyl)]imide (LITFSI) et d’acétonitrile (ACN) dans les réactions de transfert d’électron et les interactions présentes avec les différentes espèces en jeu. Ces électrolytes sont étudiés comme électrolyte dans les dispositifs de stockage d’énergie (batteries, supercapaciteurs), mais la recherche sur les transferts d’électron dans ces ÉHC est presque inexistante. Les travaux sont présentés en deux volets; dans le premier, nous nous sommes concentrés à assurer de la qualité des ÉHC. Nous avons identifié les principales sources d’eau dans ces électrolytes : la présence d’eau varie selon le fournisseur de sel et le taux d’adsorption d’eau de l’électrolyte. Nous avons aussi analysé les impacts de la quantité d’eau sur les propriétés physicochimiques et la fenêtre de stabilité électrochimique. Une teneur d’eau dans les ÉHC sous 1000 ppm n’affecte pas les propriétés physicochimiques. Cependant, la fenêtre de stabilité électrochimique est affectée par une faible présence d’eau (>200 ppm), particulièrement la stabilité en réduction. Le second volet porte sur l’étude du transfert d’électron du couple Fc+/Fc dissout et adsorbé à l’électrode dans les ÉHC LiTFSI : ACN. Nous avons montré que la cinétique du transfert d’électron varie avec la concentration (dilué vs. hautement concentré) et avec l’état d’oxydation du couple rédox (Fc+ vs Fc). La constante de transfert d’électron est plus élevée avec le Fc+ que le Fc dans les milieux dilués, mais la situation est inversée dans les ÉHC. En complément à l’électrochimie, les études Raman couplées à l’électrochimie ont révélé que cette différence provient de l’environnement chimique qui diffère entre les deux espèces, dues à la charge des deux espèces (Fc+ vs. Fc) aux différentes concentrations de sel. Les travaux de cette thèse sont les premiers à montrer l’électrochimie d’une molécule électroactive couplée avec l’utilisation de méthode spectroscopique pour le couple Fc+/Fc dans les ÉHC. Cette recherche ouvre la porte à l’utilisation de ces méthodes d’analyse pour les ÉHC et montre un grand potentiel pour des applications autre que le stockage d’énergie. Les résultats obtenus sont un premier pas vers la formulation d’ÉHC adaptés aux applications d’électrocatalyse : l’utilisation des interactions électrostatiques présentes à haute concentration pourraient ralentir les réaction secondaires formant des cations ou ralentir la diffusion de cations impliqués dans les réactions de transfert d’électron couplées. / The work of this thesis focuses on the impact of the structure of highly concentrated electrolytes (HCE) based on Lithium Bis[trifluoromethane(sulfonyl)]imide (LITFSI) and acetonitrile (ACN) on the electron transfer reactions and the interactions present with the different species involved. These electrolytes are studied as electrolytes in energy storage devices (batteries, supercapacitors), but research on electron transfers in these HCE is almost non-existent. The work is presented in two parts; in the first part, we focused on ensuring the quality of HCE. We identified the main sources of water in these electrolytes: the presence of water varies depending on the salt supplier and the water adsorption rate of the electrolyte. We also analyzed the impacts of the amount of water on the physicochemical properties and the electrochemical stability window. A water content in HCE below 1000 ppm does not affect the physicochemical properties. However, the electrochemical stability window is affected by low water content (>200 ppm), especially the reduction stability. The second part deals with the study of the electron transfer of the dissolved and adsorbed Fc+/Fc couple at the electrode in LiTFSI: ACN HCE. We have shown that the electron transfer kinetics varies with concentration (dilute vs. highly concentrated) and with the oxidation state of the redox couple (Fc+ vs. Fc). The electron transfer constant is higher with Fc+ than Fc in dilute media, but the situation is reversed in HCE. In addition to electrochemistry, Raman studies coupled with electrochemistry revealed that this difference in electron transfer comes from the chemical environment which differs between the two species, due to the charge of the two species (Fc+ vs. Fc) at different salt concentrations. The work of this thesis is the first to show the electrochemistry of an electroactive molecule coupled with the use of spectroscopic methods for the Fc+/Fc couple in HCE. This research opens the door to the use of these analytical methods for HCE and shows a great potential for applications other than energy storage. The results obtained are a first step towards the formulation of HCE adapted to electrocatalysis applications: the use of electrostatic interactions present at high concentration could slow down the secondary reactions forming cations or slow down the diffusion of cations involved in coupled electron transfer reactions.

Raman spectroscopy is a powerful analytical method that allows deposited and/or immobilized cells to be evaluated without complex sample preparation or labeling. However, a main limitation of Raman spectroscopy in cell analysis is the extremely weak Raman intensity that results in low signal to noise ratios. Therefore, it is important to seize any opportunity that increases the intensity of the Raman signal and to understand whether and how the signal enhancement changes with respect to the substrate used. Our experimental results show clear differences in the spectroscopic response from cells on different surfaces. This result is partly due to the difference in spatial distribution of electric field at the substrate/cell interface as shown by numerical simulations. We found that the substrate also changes the spatial location of maximum field enhancement around the cells. Moreover, beyond conventional flat surfaces, we introduce an efficient nanostructured silver substrate that largely enhances the Raman signal intensity from a single yeast cell. This work contributes to the field of vibrational spectroscopy analysis by providing a fresh look at the significance of the substrate for Raman investigations in cell research.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.