Nanoparticules upconverting : vers la microscopie en super-résolution

Upconversion nanoparticles : towards super-resolution microscopy

• Auteur / Autrice : Amouroux Baptiste
• Direction : Christophe Coudret, Fabienne Gauffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie macromoléculaire et supramoléculaire
• Date : Soutenance le 27/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes (Toulouse ; 2023-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à super-résolution

Photochimie -- Technique

Nanoparticules

Mots clés libres

Upconversion

Photochimie

Polymère

Nanohybride

Microscopie super-résolution

Upconversion

Photochemistry

Polymer

Nanohybrid

Super-resolution microscopy

Résumé

Les nanoparticules Upconverting (UCNP) à base de lanthanides possèdent la propriété fascinante d’être capables de convertir des photons infrarouges en photons de plus haute énergie sans recourir à des fluences de laser élevées. Ce décalage Anti-Stokes conduit à rapport signal sur bruit meilleur que pour la luminescence classique. Associé à leur photostabilité (non clignotantes, non photolysables), un spectre d’émission indépendant de leur taille, une faible toxicité, ces matériaux inorganiques sont devenus un outil de choix en biologie, en particulier en imagerie biologique, à côté des Quantum Dots. Cependant, l’émission globale s’effondre rapidement quand la taille des UCNP est réduite. En conséquence la réalisation de particules ultra petites et efficaces reste un défi. Le présent mémoire s’intéresse au design de structures nanohybrides fondées sur des particules ultra petites de NaREF4, avec pour objectif la microscopie super-résolue. Le travail s’est organisé en trois phases. Tout d’abord nous avons étudié la réduction en taille des UCNP de 10-20 nm à moins de 5 nm, en se focalisant sur leur composition et l’amélioration du procédé de synthèse. En particulier nous avons montré l’importance de la conjonction du processus de mélange avec la conduite de l’étape à haute température. Pour cette dernière l’emploi du chauffage micro-onde, avec un cyclage en température original a permis de contrôler efficacement le mûrissement d’Ostwald. La librairie de particules ainsi construite a permis d’étudier la photophysique des processus de redistribution de l’énergie au sein des particules sur des montages « maison » ou des équipements dédiés grâce à des collaborations avec des équipes de Berlin ou Lille. Il en ressort que les quantificateurs usuels de luminescence sont inadéquats pour décrire le phénomène d’upconversion. Aussi avons-nous débuté l’élaboration d’un modèle cinétique approprié. Enfin, la construction de nanohybrides impliquant un polymère photochrome hydrophile a été explorée. La sélection du colorant approprié et les premières études photocinétiques ont été menées. Cette approche couplant nos « nanolampes » avec un « volet photochrome » a pour but de proposer une alternative innovante au développement de la super-résolution par STED.

Lanthanide-based Upconverting nanoparticles (UCNPs) show the fascinating property of converting low energy NIR photons into higher energy ones without requiring high laser fluences. This unique large anti-Stokes shift affords a higher signal-to-noise ratio than standard luminescent compounds. Associated to their photostability (non-blinking, non-bleaching), their size-independent emission spectrum and a limited toxicity, these inorganic materials have become an interesting tool in Biology besides Quantum Dots, especially for Bioimaging. However, the overall emission plummets sharply when the size is reduced. Therefore, efficient ultrasmall UCNPs are still challenging to obtain. The present work is dedicated to the design of innovative nanohybrid structures based on NaREF4 with ultrasmall sizes, in order to go towards super-resolution microscopy. Investigations were focused on three main issues. At first, we will describe how a size reduction from 10-20 nm to sub-5 nm UCNP can be envisioned. An appropriate composition choice, coupled to an improvement of the common thermal coprecipitation pathway was setup. Especially, we have shown the importance of the conjunction of a mixing strategy for the primo-precipitation and accurate monitoring of the high temperature step. Here, the use of microwave-assisted synthesis was found to be crucial for a precise control of the Ostwald ripening through an original cycling heating. Then, the photophysics of a library of different UCNPs were assessed in order to understand the complex energy redistribution within an NP, using different setups, home-made or thanks to collaborative work in specialized laboratories in Berlin or Lille. From these observations, the use of classic emission quantifiers was found to be inefficient and a first step towards a relevant kinetic model was initiated. Eventually, nanohybrids based on a photochromic hydrophilic polymer have been elaborated. Selection of the appropriate dye, and preliminary exploration of the photokinetic properties of the polymer have been undertaken. This approach, coupling our ultrastable nanolamp to a photochromic shutter, is aimed at developing an innovative stochastic method to compete with the recent successes of the use of UCNPs for super-resolution via a STED approach.