Développement de nouvelles stratégies analytiques basées sur l'électrochimiluminescence pour la détection et l’imagerie

Development of novel analytical strategies based on electrochemiluminescence for detection and imaging

• Auteur / Autrice : Julie Descamps
• Direction : Neso Sojic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 28/03/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Eléna Ishow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Wantz, Gabriel Loget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lemaitre, Thomas Cottineau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Électrochimie

Photochimie

Électroluminescence

Mots clés libres

Électrochimiluminescence

Photochimie

Électrochimie

Bio-imagerie

Luminescence

Electrochemiluminescence

Photochemistry

Electrochemistry

Bio-imaging

Luminescence

Résumé

L’électrochimiluminescence (ECL) est la génération de lumière par une réaction chimique électrogénérée. Elle implique l’application d’un potentiel à une électrode pour permettre un transfert de charge avec une solution. Pour cela, cet électrolyte doit contenir une espèce luminophore qui joue le rôle d’émetteur, accompagné dans la majorité des cas d’un co-réactif sacrificiel. Après une réaction chimique hautement énergétique, le luminophore atteint un état de plus haute énergie, soit l’état excité, et retourne spontanément à son état fondamental par l’émission d’un photon. Ce phénomène lumineux a la propriété d’être localisé à la surface de l’électrode au niveau de la couche de réaction, soit sur quelques micromètres d’épaisseur, et également d’avoir une intensité proportionnelle à la quantité de matière impliquée dans la réaction. Ces caractéristiques ont fait de l’ECL un outil développé le domaine du diagnostic médical ainsi que dans l’immuno-dosage dont des modules analytiques sont commercialisés depuis 1994. Plus récemment, les recherches se focalisent sur son application en imagerie car, en effet, l’ECL permet d’émettre un signal lumineux localisé à l’échelle moléculaire avec un bruit de fond quasiment nul. En parallèle, l’électrochimiluminescence photoinduite (PECL) est une idée récente qui repose sur l'association de l'ECL avec la photoélectrochimie. Elle consiste à illuminer avec une longueur d’onde d’absorption λabs un semi-conducteur (SC) qui joue alors le rôle d’électrode émettrice par une autre longueur d’onde λem par réaction d’ECL. Ce système a prouvé qu’il contribue à réduire le potentiel requis pour déclencher une réaction électrochimique grâce à l'utilisation des porteurs minoritaires photogénérés dans le SC. Il offre aussi la possibilité de moduler le système par une conversion descendante (avec λem > λabs) ou ascendante (avec λem < λabs) de la lumière ainsi que de localiser la réaction ECL par la lumière incidente. Les objectifs de cette thèse sont dans un premier temps de développer la microscopie ECL d'objets micrométriques et nanométriques, puis dans un deuxième temps, de développer la PECL pour une stabilité et une photo-conversion optimale et d'évaluer son potentiel pour la détection et l'imagerie. Enfin, ces travaux de recherches visent à concrétiser cette mise en application de la PECL et à tirer bénéfice des possibilités qu’il propose pour développer l’imagerie de phénomènes électrochimiques.

Electrochemiluminescence (ECL) is the light generation triggered by an electrochemical reaction. When applying the proper potential to an electrode, an interfacial charge transfer is induced. To this end, the electrolyte solution must contain two key ingredients; a luminophore, which acts as an emitter, and a sacrificial co-reactant. After a highly energetic chemical reaction, the luminophore reaches the excited state (high energy level) and spontaneously returns to its ground state by emitting a photon. Such electrochemically-driven light emission is localized at the electrode surface, on the reaction layer only micrometers thick, and its intensity is proportional to the amount of electroactive species involved in the reaction. These properties make ECL emission a powerful tool that has been widely used in medical diagnosis and in immunoassay with analytical devices commercialized since the 90’s. Recently, the research focuses on the use of ECL emission as a straightforward tool for localized imaging, since this process generates a local light signal at a molecular scale with a near-zero background. In parallel, photoinduced electrochemiluminescence (PECL) is a recent concept based on the efficient coupling of ECL and photoelectrochemistry. This consists of irradiating with an excitation wavelength λabs a semiconductor (SC) that generates an emission wavelength λem from the ECL reaction. This approach allows to decrease the electric potential required to trigger the electrochemical reaction, due to the use of photogenerated minority carriers in the SC. Furthermore, it is possible to fine-tune this system by a down conversion (with λem > λabs) or an up-conversion (with λem < λabs) of the light, hence to localize the ECL reaction with the incident light. In this context, the goals of this thesis are; at first, to develop ECL microscopy at micro and nano scale, secondly study the PECL approach to improve the stability and optimum photo-conversion of the SC material and lastly, to implement PECL on the possible imaging of electrochemical systems, by taking advantage of its better physicochemical properties.