Annexe 1 : Partie expérimentale
A1.1. Produits chimiques
A1.1.1. Études photo-physiques
Pour les études photo-physiques, des solvants de qualité spectroscopique des gammes "Merck Uvasol" ou "ACS spectrophotometric grade" ont été utilisés sans purification supplémentaire.
Le colorant P1 est fourni par la compagnie Dyenanok et est utilisé sans purification
supplémentaire. Le colorant RK1 est fourni par la compagnie Solaronix et est utilisé sans purification supplémentaire. Le colorant TPA-2T-NIp est le précurseur dans la synthèse du colorant TPA-2T-NI dont la synthèse a été décrite dans la littérature79,155 et dans la
thèse de Romain Brisse, issu du même laboratoire.157 La pureté de ces trois colorants est
discutée en annexe 3.
A1.1.2. Films d'oxydes sensibilisés
Le chapitre 5 décrit déjà une partie de la provenance des différents composants des films.
Le chlorure de nickel hexahydraté (pureté, p≥98 %), l'α-terpinéol (p≥98,5 %), le F-127, l'éthyl cellulose EC45 à 5 % dans le mélange toluène/éthanol (80:20), l'acide chénodésoxycholique (CDCA, p≥97 %) et les nanoparticules d'alumine (<50 nm, 20 % en masse dispersées dans l'isopropanol) proviennent de Sigma-Aldrich et ont été utilisés sans purification supplémentaire.
Le MeOH, le DCM et le THF utilisés pour les bains de sensibilisation sont de qualité spectroscopique. L'éthanol utilisé pour le rinçage des films est de qualité technique.
A1.2. Spectroscopie stationnaire
A1.2.1. Spectroscopie stationnaire d’absorption
Les spectres d'absorption ont été enregistrés avec un spectromètre Perkin Lambda 900 ou 850 en utilisant des cuves en quartz de 10×10 mm². Les spectres d'absorption ont été corrigés par la soustraction du spectre d'absorption. Afin de mesurer les coefficients d'extinction molaire, plusieurs solutions dans une gamme de densité optique entre 0,1 et 1 correspondant à des concentrations inférieures à 0,1 mmol.L-1 ont été réalisées à partir
de pesées effectuées avec une précision de 0,01 mg. Pour l’absorption des films et des cellules, du scotch double face a été utilisé afin de maintenir l’échantillon dans le spectromètre.
L’acquisition des spectres a été réalisée sur l’échelle des longueurs d’onde. Quand souhaité, les spectres ont été transformés sur l’échelle des nombres d’onde ([𝑐𝑚−1] =
107 [𝑛𝑚] ⁄ .197
A1.2.3. Spectroscopie de fluorescence stationnaire
Les spectres de fluorescences ont été enregistrés avec un spectrofluorimètre Jobin- Yvon FluoroLog-3 muni de deux voies de détection, chacune constituée d'un double monochromateur et d'un photomultiplicateur à la sortie de ces derniers. Les réseaux de deux monochromateurs sont optimisés respectivement pour 330 et 500 nm. Un arc au xénon de 450 W est utilisé comme source lumineuse. Une fente d'entrée de 1 nm pour l'excitation et des fentes de 5 nm pour l'émission ont été utilisées. Un filtre optique passe-haut (Schott GG495, 3 mm) adapté à la longueur d'onde d'excitation a été utilisé sur l'entrée du monochromateur pour la voie visible.
Les spectres de fluorescence ont été acquis point par point avec un pas de 0,5 ou 1 nm et avec un temps d'acquisition de 1 s sur les deux voies puis rassemblés en post- traitement. Le signal des solvants a été enregistré dans les mêmes conditions et soustrait aux spectres mesurés. Enfin, les spectres ont été corrigés par la sensibilité spectrale de l'appareil fourni par le constructeur.
L'absorption des solutions était systématiquement inférieure à 0,01 dans des cellules de 10×10 mm². Etant donné les coefficients d'extinction molaire des colorants étudiés aux longueurs d'onde d'excitation, cela correspond à des concentrations inférieures à
4×10-7 mol.L-1 obtenues par dissolutions successives de solutions mères, typiquement
celles utilisées pour la spectroscopie d'absorption.
Pour la spectroscopie d'excitation de fluorescence, afin d'observer d'éventuelles impuretés fluorescentes à basse longueur d'onde, des absorptions de l'ordre de 0,1 ont été utilisées.
Les échantillons solides ont été placés de façon à former un angle de 45° avec le faisceau d'incidence et la voie de détection optimisée pour le visible. Une attention toute particulière a été portée au positionnement de l'échantillon de façon à placer la zone excitée au centre du porte-échantillon.
Les spectres de fluorescence ont été enregistrés sur l’échelle nanométrique. Afin de les obtenir sur une échelle énergétique, ils ont été multipliés par un facteur 𝜆².197
A1.2.4. Déplacement de Stokes
Les déplacements de Stokes, issus de la spectroscopie stationnaire, ont été calculés comme la différence des valeurs maximales des spectres d'absorption et de fluorescence stationnaire. En particulier, les spectres stationnaires de l'absorption et de l'émission n'ont pas été corrigés par leur coefficient d'Einstein respectif et ne devraient pas, en toute rigueur, être comparés.197
Les déplacements de Stokes calculés ne sont donc pas quantitatifs mais peuvent être comparés entre eux.
A1.3. Spectroscopie de fluorescence résolue en temps
Les mesures de fluorescence résolue en temps utilisent la même source laser composée d'un oscillateur titane:saphir (Coherent MIRA 900) en blocage de mode, pompé par un laser continu (Coherent Verdi V10, 10W). L'oscillateur titane:saphir délivre des impulsions d'environ 120 fs de largeur temporelle à un taux de répétition de 76 MHz. Cette source est accordable entre 740 et 950 nm avec une puissance moyenne de 2 W à 800 nm pour 1,5 W à 900 nm.
Un dispositif de doublage de fréquence consistant en un cristal de BBO de type I permet l'obtention d'impulsions femtosecondes accordables entre 370 et 475 nm utilisées pour l'excitation. Les puissances moyennes d'excitation ont été mesurées avec une photodiode au silicium (Thorlabs, S120VC) calibrée pour toutes les longueurs d'onde via une console associée (Thorlabs, PM100A).
A1.3.1. TCSPC
Figure A.1. Schéma du dispositif de TCSPC.
La technique de comptage de photon unique (en anglais time-correlated single photon counting, TCSPC) repose sur la mesure du temps entre l’impulsion d’excitation et le premier photon de fluorescence capté par le détecteur. La répétition de cette mesure à de nombreuses reprises permet de reconstruire statistiquement un déclin de fluorescence. Cette méthode est très sensible et permet d’observer des fluorescences de faibles intensités.
Afin d’éviter la ré-excitation de molécules excitées, le taux de répétition de la source a été abaissé à 4,75 MHz en utilisant un sélecteur d’impulsions (Coherent 9200) avant d’être doublé en fréquence dans un cristal de BBO. Le faisceau est ensuite transporté à travers des filtres neutres afin de contrôler sa puissance et un rhomboèdre de Fresnel pour contrôler sa polarisation.
La mesure repose sur une carte Becker & Hickl GmbH SPC630.207 Cette carte fonctionne
en "mode inverse", c’est-à-dire, que le déclenchement ("start") de la mesure se fait par la détection d'un photon issu de la luminescence de l'échantillon quand l’arrêt ("stop") de la mesure se fait par détection à l'aide d'une photodiode de l’impulsion d’excitation. Le faisceau d’excitation, d’une puissance inférieure à 50 µW, vient exciter l’échantillon contenu dans une cuve en quartz 1 cm×1 cm×3 cm thermostatée à 20°C. La fluorescence, de solutions de densité optique inférieure à 0,05, est recueillie à angle droit par deux miroirs paraboliques de 2 pouces et est focalisée sur la fente d’entrée d’un monochromateur (Jobin-Yvon H25) permettant une sélection en longueur d’onde. Un filtre passe-haut est placé avant le monochromateur pour bloquer les réflexions du signal
d’excitation. Un polariseur est également monté devant le monochromateur de façon à polariser la détection.
La détection de la fluorescence est assurée par une galette de microcanaux (Hamamatsu R1564U). La fonction d’appareil de la mesure est mesurée par enregistrement d’une raie Raman de l’eau. La largeur à mi-hauteur de cette fonction d’appareil est d’environ 60 ps. Ceci permet une résolution temporelle, après déconvolution, d’environ 30 ps.
A1.3.2. FU, dispositif en transmission
Figure A.2. Schéma du dispositif de FU utilisé pour l’étude en solution. Figure reproduite
avec la courtoisie de Carolina Villamil Franco du LIDYL. Ce dispositif peut être utilisé pour l’excitation UV (chemin violet) ou l’excitation dans le visible (chemin bleu).
Deux dispositifs différents ont été utilisé pour mesurer la fluorescence par FU. Le dispositif "en réflexion" est décrit au chapitre 3.
Pour les mesures de FU en transmission, le faisceau laser est séparé par une lame séparatrice (BS) en deux parties. La première est réservée afin de servir de sonde. Depuis la lame séparatrice, la sonde est transportée à travers une ligne à retard micrométrique, puis une lame demi-onde afin de corriger d’éventuels défauts de polarisation et est focalisée par une lentille (𝑓 = 10,0 cm) sur un cristal de BBO de type I (Castech, 1 mm) pour générer la somme.
Dans nos expériences, la seconde partie est focalisée sur un cristal de BBO de type I (Castech, 0,5 mm) afin de générer la seconde harmonique qui servira de faisceau d’excitation. La pompe est alors transportée au travers une lame demi-onde (Thorlabs) placée dans une monture dont la rotation est pilotée de façon à contrôler la polarisation de l’excitation. La pompe est ensuite focalisée par une lentille (𝑓 = 3,0 cm) sur
l’échantillon contenu dans une cellule rotative constituée de deux lames de quartz optique espacées de 1 mm.
La fluorescence est recueillie dans une géométrie "en transmission" par un miroir parabolique de 2 pouces en alumine protégé (Janos). La fluorescence est ensuite transportée à travers un filtre (Schott WG 475, 1 mm) de façon à bloquer l’excitation résiduel. Enfin, elle est focalisée et superposée à la sonde dans le cristal somme par un second miroir parabolique. Le recouvrement est d’abord réalisé grossièrement à l’aide d’une caméra puis optimisé lors de l’optimisation du signal somme.
Le cristal somme est monté dans sur une monture rotative pilotable permettant le contrôle de l’angle d’accord de phase.
La somme est collectée et focalisé sur la fente d'entrée d'un monochromateur à double réseau (SPEX 1680, 𝑓 = 25 cm) par deux lentilles (𝑓 = 15 cm). Des fentes d’entrée et de sortie de 1 et 2 mm respectivement ont été utilisées pour nos mesures ce qui garantit au monochromateur une résolution spectrale de 5 nm.
Un photomultiplicateur (Hamamatsu R1527P) est utilisé pour la détection. Ce dernier est relié à un compteur de photons (Stanford 400).
Dans notre cas, la mesure du signal Raman du MeOH208 avec ce dispositif a permis
d'estimer la fonction d'appareil de l'expérience à une gaussienne de largeur à mi-hauteur de 220 fs. Ceci permet une résolution temporelle, après déconvolution, d'environ 100 fs.
Pour les expériences de FU en solution, des solutions de densité optique 0,5 dans 1 mm à la longueur d'onde d'excitation ont été utilisées. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante mais contrôlée à 20°C. Des puissances de pompe de 5 à 20 mW ont été utilisées. La photo-dégradation des échantillons a été vérifiée, après expérience par spectroscopie d'absorption et de fluorescence stationnaire.
L'ensemble des instruments (ligne à retard, angle d'accord de phase, polarisation de l’excitation, monochromateur et compteur de photons) est piloté de façon synchrone par le même ordinateur à l’aide d’un programme basé sur VisualBasic.
Comme la détection est polarisée (voir chapitre 3), le contrôle de la polarisation de la pompe permet des mesures d’anisotropie de fluorescence en mesurant intensités parallèle et perpendiculaire.
Ce dispositif permet des mesures non seulement de cinétique à une seule longueur d'onde, mais aussi de spectres résolus en temps. Durant l'acquisition d'une cinétique de fluorescence, l'angle d'accord de phase est bloqué et la ligne à retard est déplacée selon le
pas choisi. L'acquisition des spectres se fait, pour chaque position de la ligne à retard, par un balayage en longueur d’onde du monochromateur et de l’angle d’accorde phase tout en corrigeant pour l’effet de dispersion de la vitesse de groupe.
La correction de la dispersion spectrale s’effectue de la même façon qu’explicitée au chapitre 3. Les milieux dispersifs considérés sont : 0,5 mm de solvant (la moitié de la cellule), une lame de quartz de 1 mm d’épaisseur, un filtre Schott WG475 de 1 mm et 0,5 mm de cristal de BBO (la moitié du cristal).