Nanosystèmes fluorescents photoactivables à amplification géante

Photoswitchable fluorescent nanosystems with giant amplification

• Auteur / Autrice : Nicolas Fabre
• Direction : Rémi Métivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Lévêque-Fort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Boixel, Andrey Klymchenko, Michel Sliwa, Chloé Grazon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julien Boixel, Andrey Klymchenko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photochimie organique

Photochromes

Nanostructures

Spectroscopie d'absorption

Transfert d'énergie entre molécules fluorescentes

Mots clés libres

Photochromisme

Fluorescence

Nano objets

Synthèse organique

Photochromism

Fluorescence

Nano objects

Organic synthesis

Résumé

Ce travail de thèse propose la synthèse et l'étude des propriétés photophysiques de molécules photochromes et fluorescentes, en solution et sous forme de nanoparticules. Selon l'état du photochrome, la fluorescence peut être modulée entre un état “ON” et un état “OFF” grâce à des processus de transferts d'énergie résonants.Dans la première partie de ce travail, la synthèse de trois molécules possédant des proportions différentes d'unités photochromes (de type diaryléthène) et de fluorophores, est présentée. Les propriétés d'absorption et d'émission de ces dérivés ont été étudiées et un transfert d'énergie a pu être mis en évidence permettant une modulation “ON-OFF” de la fluorescence. Nous montrons que ces transferts d'énergies peuvent contribuer à une amplification de la photocommutation de fluorescence lorsque les molécules sont rassemblées au sein de nanoparticules, ce qui donne lieu à des profils non conventionnels pour l'extinction et le rallumage de la fluorescence sous irradiation. Ces phénomènes jouent également un rôle sur la réaction photochrome, conduisant à des cinétiques sous irradiation qui présentent un comportement inédit (« pseudo-ordre zéro »), rendant plus accessible la détermination du rendement quantique de photochromisme. Enfin, la dynamique des états excités de ces molécules a été étudiée par spectroscopie d'absorption transitoire, permettant d'obtenir un temps caractéristique pour le transfert d'énergie résonant et un schéma mécanistique à l'état excité. Une étude de ces nanoparticules moléculaires photochromes et fluorescentes par microscopie en champ large et confocale a permis de caractériser et controler la photomodulation de fluorescence jusqu'à l'échelle d'objets individuels.La seconde partie de ce travail consiste en la synthèse de molécules photochromes négatives, de la famille des bi-naphtyles di-imadazole ou phenoxy-imidazole, puis leur mise en œuvre dans des matériaux les combinant de manière non covalente à des fluorophores. Ces composés offrent la possibilité de réaliser une photoactivation de la fluorescence, à partir d'un état initialement éteint, et ainsi d'obtenir un contraste amélioré. Dans un premier temps, les molécules photochromes négatives ont été incorporées au sein d'un film polymère avec des fluorophores, et une modulation “OFF-ON” de la fluorescence a pu être identifiée et associée à un effet d'amplification par transferts d'énergie multiples. Enfin, des études préliminaires combinant molécules photochromes et fluorescentes au sein de nanoparticules de silice ou de polymère ont été menées, dans le but de proposer de nouveaux systèmes photoactivables pour la microscopie super-résolution.

This PhD work is related to the synthesis and investigation of the photophysical properties of photochromic and fluorescent molecules, in solution and as nanoparticles. Depending on the state of the photochromic molecule, the fluorescence can be modulated between an “ON” and an “OFF” state through resonant energy transfer processes.In the first part of this work, the synthesis of three molecules with different proportions of photochromic units (diarylethene derivative) and fluorophores is presented. The absorption and emission properties of these compounds have been studied and an energy transfer has been demonstrated allowing an ON-OFF modulation of the fluorescence. We show that these energy transfers can contribute to a fluorescence photoswitching amplification when the molecules are gathered into nanoparticles, which gives rise to unconventional profiles for the fluorescence quenching and recovery under irradiation. These phenomena in turn influence the photochromic reaction, leading to kinetics under irradiation with unconventional behavior (“pseudo-zero order”), making the photochromic quantum yield determination more accessible. Finally, the dynamics of the excited states of these molecules has been studied by transient absorption spectroscopy, allowing to provide a characteristic time for the resonant energy transfer and a mechanistic scheme in the excited state. An investigation of such photochromic and fluorescent molecular nanoparticles by wide-field and confocal microscopy enabled the characterization and control of the fluorescence photoswitching down to the single nano-objects scale.The second part of this work consists in the synthesis of negative photochromic molecules, from the family of di-imadazole or phenoxy-imidazole bi-naphthyls, followed by their incorporation into materials combined with fluorophores, in a non-covalent approach. These compounds offer the possibility to realize a photoactivation of the fluorescence, from an initial quenched state, and so to achieve an improved contrast. In a first step, negative photochromic molecules were incorporated into a polymer film with fluorophores, and an “OFF-ON” fluorescence switching could be identified and associated to an amplification effect by multiple energy transfer processes. Finally, preliminary studies combining photochromic and fluorescent molecules within silica or polymer nanoparticles have been carried out, in order to propose new photoactivatable systems for super-resolution microscopy.