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plasmoniques : du comportement macroscopique à
l’objet individuel
Etienne Barrez
To cite this version:
Etienne Barrez. Etude de nanosystèmes fluorescents, photochromes et plasmoniques : du comporte-ment macroscopique à l’objet individuel. Chimie organique. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. �NNT : 2018SACLN031�. �tel-01915410�
Etude de nanosystèmes
fluorescents, photochromes et
plasmoniques : du comportement
macroscopique à l’objet individuel
Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay
préparée à l’Ecole normale supérieure Paris-Saclay
École doctorale n°571 Sciences chimiques : molécules matériaux,
instrumentation et biosystèmes (2MIB)
Spécialité de doctorat: Chimie
Thèse présentée et soutenue à Cachan, le 11 Septembre 2018, par
Etienne Barrez
Composition du Jury :
Mme Sophie Lecomte
Directeur de Recherche, Université de Bordeaux (– CBMN) Présidente
Mme Eléna Ishow
Professeur des Universités, Université de Nantes (– CEISAM) Rapportrice
Mme Isabelle Malfant
Professeur des Universités, Université de Toulouse III (– LCC) Rapportrice
M Fabrice Charra
Directeur de Recherche CEA, CEA Saclay (– LEPO) Examinateur
M Rémi Métivier
Chargé de Recherche, ENS Paris-Saclay (– PPSM) Directeur de thèse
M Guillaume Laurent
Chargé de Recherche, ENS Paris-Saclay (– PPSM) Co-Encadrant
M Michel Sliwa
Chargé de Recherche, Université de Lille (– LASIR) Invité
NNT
:
2
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1
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S
A
CLN
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Remerciements
Ce travail de thèse a été conduit au sein du laboratoire PPSM, CNRS, Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay), dont je remercie le directeur M. Fabien Miomandre pour m'avoir accueilli pendant ces trois années.
Tout d'abord, je tiens à remercier Rémi Métivier pour avoir fait con ance en me permettant de parti-ciper à ce projet alors même qu'il m'avait déjà encadré en stage de Master. J'ai notamment apprécié nos discussions et ses points de vue scienti ques sur l'ensemble des sujets que nous avons abordé. Merci aussi pour ton implication dans la bonne humeur de l'équipe. Je souhaite aussi remercier Guillaume Laurent pour son encadrement et son accompagnement au cours de cette thèse. Je le remercie notam-ment pour tout ce qu'il m'a appris sur les plasmons de surface et pour son aide lors des expériences mettant en jeu des nanoparticules d'or. J'ai beaucoup apprécié nos discussions quotidiennes, sur le chemin de la boulangerie Je remercie également Arnaud Brosseau pour son implication et sa patience sur l'ensemble des mesures que nous avons pu réaliser ensemble.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance à l'ensemble des participants à ma soutenance pour les dis-cussions que nous avons eu au cours de celle-ci : Mme Sophie Lecomte et M. Fabrice Charra en tant qu'examinateurs et Mme Isabelle Malfant en tant que rapportrice que je remercie tout particulièrement pour le temps passé à évaluer le manuscrit. En n, je remercie Mme Eléna Ishow pour m'avoir suivi et conseillé tout au long de ces trois années via le comité de suivi de thèse puis en tant que rapportrice. Je remercie aussi Michel Sliwa pour son accueil au LASIR et son aide lors des expériences de spectro-scopie d'absorption transitoire et leurs analyses.
Je remercie aussi Corentin Pavageau et Jia Su dont les travaux ont été indispensables à la réalisa-tion de ce travail. Je les remercie aussi pour leur sympathie et l'aide qu'ils m'ont apporté lors de mon arrivée au laboratoire.
Je remercie aussi l'ensemble des stagiaires qui ont participé à ce travail : Marco, Céline, Auriane, Mathis, Dominika et Nicolas. J'ai apprécié le travail que nous avons réalisé ensemble et je leur souhaite toute la réussite pour la suite de leur parcours.
Je tiens aussi à exprimer toute ma gratitude à l'ensemble des membres du PPSM avec qui j'ai pu interagir tout au long de ces trois ans et notamment Jacky, Stéphane et Clémence pour l'aide et les conseils qu'ils m'ont apportés. Je remercie tout particulièrement Laetitia et Marine pour tous les mo-ments que nous avons partagé dans le bureau et pour tous les cafés que nous avons pu partager. Je souhaite aussi remercier Sylvain, Pauline, Benoît, Anaïs, Pierrick, Clémence, Yoann, Lucie et Mæ qui m'ont permis de conserver une vie parallèle et qui m'ont aidé à traverser les moments di ciles. En n, je souhaite remercier mes parents pour m'avoir accompagné au cours tout mon parcours. Je remercie aussi Marlène, qui m'accompagne depuis ces nombreuses années, pour tout ce qu'elle m'ap-porte au quotidien.
Table des matières
Remerciements 5
Liste des abréviations 10
Introduction générale 13
1 Etude bibliographique 15
1.1 Fluorescence . . . 16
1.1.1 Bref historique de la uorescence . . . 16
1.1.2 Dé nition et autres modes de désexcitation . . . 16
1.1.3 Propriétés de uorescence . . . 16
1.2 Photochromisme . . . 17
1.2.1 Généralités . . . 17
1.2.2 Les deux types de photochromisme . . . 19
1.3 Les diaryléthènes . . . 20
1.3.1 DAE uorescents en forme ouverte . . . 21
1.3.2 DAE uorescents en forme fermée . . . 22
1.3.3 DAE uorescents en forme ouverte et en forme fermée . . . 24
1.3.4 Spéci cité des dyades photochromes- uorophores . . . 24
1.4 Applications des photochromes . . . 26
1.4.1 Utilisation des photochromes comme mémoires optiques . . . 26
1.4.2 Application à la microscopie super-résolution . . . 27
1.5 Plasmons de surface . . . 32
1.5.1 Dé nition et historique . . . 32
1.5.2 In uence des paramètres sur la position de la résonance plasmon . . . 33
1.5.3 Applications . . . 36
1.6 Objectifs de l'étude . . . 39
I Etude de photochromes intrinsèquement uorescents : in uence d'un champ plasmon sur la compétition photochromisme- uorescence. 41 2 Étude photophysique d'espèces uorescentes et photochromes en solution 43 2.1 Introduction . . . 44
2.1.1 Travaux antérieurs . . . 44
2.1.2 Présentations des molécules étudiées . . . 44
2.2 Étude de la compétition photochromisme- uorescence en solution pour des molécules possédant une uorescence bicolore : DAE-H-Me et DAE-H-Et . . . 46
2.2.1 Spectroscopie stationnaire . . . 46
2.2.2 Mesures de spectroscopie résolue en temps . . . 48
2.2.3 Étude de la compétition entre les processus photophysiques . . . 55
2.3.1 Étude de la géométrie optimisée . . . 58
2.3.2 Calcul des transitions électroniques . . . 59
2.3.3 Étude orbitalaire . . . 60
2.4 Spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde . . . 61
2.5 Etude de DAE-T-Me, DAE-T-Et et DAE-I-Me . . . 68
2.5.1 Etude de DAE-T-Me et DAE-T-Et . . . 68
2.5.2 Étude de DAE-I-Me . . . 70
2.6 Conclusion . . . 72
3 In uence d'une composante plasmonique sur la uorescence et le photochromisme 73 3.1 Objectifs de l'étude . . . 74
3.2 Choix et synthèse de la composante plasmonique . . . 74
3.2.1 Synthèse et caractérisations des GNRs . . . 75
3.2.2 Fonctionnalisation des GNRs par un Poly-(Ethylène Glycol) thiolé . . . 76
3.2.3 Dépôt de couches de poly-électrolytes sur les GNRs . . . 77
3.3 Moyen d'étude . . . 79
3.3.1 Description du montage de microscopie . . . 79
3.3.2 Détermination des puissances d'irradiation et des aires irradiées par les diérentes sources . . . 81
3.3.3 Imagerie optique sur les échantillons . . . 82
3.4 Choix et préparation d'un système d'étude . . . 84
3.5 Observation et étude du photochromisme de la molécule DAE-I-Me intégrée dans une matrice de PMMA en présence de nanoparticules d'or . . . 86
3.5.1 Problèmes rencontrés . . . 88
3.6 Observation et étude du photochromisme de la molécule DAE-I-Me déposée sur verre en présence de nanoparticules d'or . . . 89
3.6.1 Préparation des échantillons et observation du phénomène . . . 89
3.6.2 Établissement des cinétiques photochromes de cycloréversion . . . 91
3.6.3 Établissement des cinétiques photochromes de cyclisation . . . 93
3.7 Observation et étude de la uorescence de la molécule DAE-I-Me déposée sur verre en présence de nanoparticules d'or . . . 95
3.7.1 Calcul du volume activé par les particules d'or . . . 95
3.7.2 Evolution de l'intensité de uorescence en présence et en l'absence de GNRs . . 96
3.7.3 Étude de déclins de uorescence . . . 97
3.8 Etude du photochromisme de la molécule DAE-T-Me sous microscope . . . 98
3.9 Conclusion . . . 101
II Étude de dyades uorescentes et photochromes pour la microscopie super-résolution 103 4 Études de molécules dérivées de diaryléthènes associés à une unité uorophore en solution et en sous forme de de nanoparticules 105 4.1 Présentation des molécules étudiées et objectifs de l'étude . . . 106
4.2 Caractérisation de DAE-Ph-CNS et DAE-Ad-CNS en solution . . . 107
4.3 Présentation des nanoparticules organiques . . . 108
4.4 Etude de la corrélation entre absorption et uorescence . . . 110
4.4.1 Etude de la corrélation entre absorption et uorescence pour DAE-Ph-CNS . 110 4.4.2 Etude de la corrélation entre absorption et uorescence pour DAE-Ad-CNS . 112 4.5 Calculs de chimie théorique . . . 114
4.5.1 Optimisations de géométries et calculs d'énergies . . . 114
4.5.3 Etude orbitalaire de DAE-Ad-CNS et DAE-Ph-CNS . . . 118
4.6 Etude de DAE-Ad-CNS sous forme de nanoparticules par spectroscopie résolue en temps 123 4.6.1 Déclins de uorescence . . . 123
4.6.2 Spectroscopie de corrélation de uorescence . . . 126
4.7 Conclusion . . . 129
5 Application des dyades photochromes uorescentes pour la microscopie super-résolution 131 5.1 Contexte et objectifs . . . 132
5.2 Etude en solution de la dyade DAE-BTD . . . 132
5.3 Montage de microscopie confocale combiné AFM . . . 133
5.3.1 Développement expérimental et logiciel de contrôle . . . 133
5.3.2 Adaptation du montage au système . . . 136
5.3.3 Mesures de puissances . . . 137
5.3.4 Préparation des échantillons . . . 138
5.3.5 Étude du photoblanchiment des nanoparticules . . . 138
5.4 Observation de l'eet non linéaire d'extinction et de réapparition de la uorescence à l'échelle de la particule unique . . . 140
5.4.1 Extinction et réapparition de la uorescence . . . 140
5.4.2 Récupération du signal de uorescence : eet de retard . . . 141
5.5 Utilisation de l'eet de retard à la réapparition de la uorescence pour la microscopie super-résolution . . . 144
5.5.1 Principe de la méthode . . . 144
5.5.2 Observation de l'eet super-résolution . . . 146
5.5.3 Généralisation sur un grand nombre de nanoparticules . . . 149
5.6 Corrélation avec la microscopie AFM . . . 151
5.7 Conclusion . . . 156
Conclusion générale et perspectives 157 6 Partie expérimentale 159 6.1 Produits et solvants . . . 159
6.2 Lampes d'irradiation . . . 159
6.3 Filtres interférentiels . . . 160
6.4 Filtres passes haut et dichroïques . . . 162
6.5 Mesures de puissances . . . 163
6.6 Mesures de spectroscopie stationnaire . . . 163
6.6.1 Appareils . . . 163
6.6.2 Rendements quantiques de uorescence . . . 163
6.6.3 Rendements quantiques de photochromisme . . . 164
6.7 Mesures de spectroscopie résolues en temps . . . 164
6.7.1 Durées de vie de uorescence . . . 164
6.7.2 Spectroscopie transitoire femtoseconde . . . 164
6.8 Imagerie AFM . . . 165
6.9 Calculs de chimie théorique . . . 166
Liste des abréviations et espèces chimiques
ACN Acétonitrile
ACQ Aggregation Caused Quenching ACR Accélération Centrifuge Relative
Ad Adamantane
AFM Atomic Force Microscope (Microscope à forme atomique) AgNO3 Nitrate d'argent
AIEE Aggregation Induced Emission Enhancement (Exaltation de l'émission induite par agrégation) BTD Benzothiadiazole
BV Orbitale moléculaire la plus basse vacante CI Intersection conique
CNS Cyanostilbène
CTAB Bromure d'hexadecyltriméthylammonium
DAE Diaryléthène
DAS Decay Associated Spectra(Spectres associés aux espèces dans les mesures d'absorption transitoire) DFT Density Functional Theory (théorie de la fonctionnelle de la densité) EMCCD Electron Multiplying Charge Coupled Device
EPS Etat Photo-Stationnaire Et Ethyle (groupement chimique) EtOAc Acétate d'éthyle (solvant)
FCS Fluorescence Correlation Spectroscopy (Spectroscopie de corrélation de uorescence)
FF Forme Fermée
FO Forme Ouverte (p = parallèle, ap = antiparallèle)
FRET Förster Resonance Energy Transfer (Transfert d'énergie de type Förster) FWHM Full Width at Half Maximum (Largeur à mi hauteur)
GNP Gold NanoParticle (Nanoparticule d'or) GNR(s) Gold NanoRod(s) (Nanobâtonnet(s) d'or)
GSD Ground State Depletion(Méthode de microscopie basée sur un dépeuplement de l'état fondamental) HAuCl4 Acide Tétrachloraurique
Hg Mercure
HO Orbitale moléculaire la plus Haute Occupée
HPLC High Performance Liquid Chromatography(Chromatographie à haute performance en phase liquide)
IR Infra-Rouge
LSPR Localized Surface Plasmon Resonance (Résonance plasmon de surface localisée) Me Methyle (groupement chimique)
MEB Microscopie Electronique à Balayage MET Microscopie Electronique en Transmission NaBH4 Tétrahydruroborate de sodium
NaCl Chlorure de Sodium NaOl Acide Oléique NP(s) Nanoparticule(s)
NTO Natural Transition Orbitals (Orbitales "naturelles" de transition) O.N. Ouverture Numérique
PALM Photo-Activated Localization Microscopy(Méthode de microscopie basée sur une activation locale de la uorescence) PDAD Poly(methylmethacrylate)
Ph Phényle
PMMA Polyméthacrylate de méthyle
PSF Point Spread Function (fonction d'étalement du point) PSS Poly(Styrène-Sulfonate)
RESOLFT Reversible Saturable Optical Linear Fluorescence Transition
SERS Surface Enhanced Raman Scattering (Diusion exaltée Raman de surface) STED Stimulated Emission Depletion
STORM Stochastic Optical Reconstruction Microscopy(Méthode de microscopie basée sur une activation locale de la uorescence) TD-DFT Time Dependent Density Functional Theory(théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps)
TEI Transfert d'électron interne THF Tétrahydrofurane (solvant)
UV Ultra Violet
Xe Xenon
Liste des grandeurs physiques
Ai(λ) Absorbance de l'espèce i à la longueur d'onde λ
χ Taux de conversion (sera utilisé pour les équilibres photochromes) i Coe cient d'absorption molaire (L mol−1cm−1) de l'espèce i
ηv Viscosité dynamique
F (t) Facteur photocinétique fi Fraction d'intensité
G(t) Fonction d'auto-corrélation
JD/A Intégrale de recouvrement entre donneur et accepteur
κ2 facteur d'orientation
kA→B Constante cinétique de la réaction photochrome A → B
knr Constante cinétique non radiative
kr Constante cinétique radiative
λ Longueur d'onde (nm) n indice de réfraction
P Puissance (W), utilisée lors des irradiations φA→B Rendement quantique de photochromisme
φf Rendement quantique de uorescence de l'espèce i
R0 Rayon de Förster (m)
Rh Rayon hydrodynamique (m)
Introduction générale
Ce travail de thèse se propose d'étudier les comportements photophysiques et photochimiques de systèmes possédant des propriétés de photochromisme, de uorescence et/ou de résonance plasmon de surface. Les molécules photochromes peuvent voir leur structure chimique (et leur spectre d'absorption) être modi ée de façon réversible suite à une irradiation lumineuse. Cette propriété est connue pour permettre la modulation de nombreux phénomènes physiques, au premier rang desquels se trouve la uorescence. La possibilité de contrôler cette dernière en fonction de l'état d'une molécule photochrome rend possible l'utilisation de ces matériaux photoactifs dans de nombreux domaines d'applications tels que l'imagerie super-résolution ou le stockage optique de données. Parmi ces molécules photochromes, la famille des diaryléthènes est l'une des plus étudiées, notamment en raison de leur bistabilité et de leur capacité à pouvoir être convertis de nombreuses fois entre leurs deux formes. De plus, ces molécules sont très versatiles du point de vue de leur structure chimique et l'ajout de substituants permet ainsi de moduler leur propriétés. La réaction photochrome des diaryléthènes consiste en une électrocyclisa-tion réversible 4n+2 conrotatoire photo-induite. Diérents types de diaryléthènes ont été étudiés au cours de ce travail dans le but de comprendre les phénomènes photophysiques mis en jeu lors de la modulation de la uorescence par le photochromisme.
Ce travail sera divisé en deux parties traitant toutes deux d'un type diérent de photochromes uorescents. Chacune de ces parties comprendra deux chapitres distincts, le premier étant centré sur l'étude spectroscopique de ce type de photochrome moléculaire, alors que le second proposera la mise en application de la compétition photochromisme- uorescence, pour la plasmonique ou pour l'imagerie super-résolution.
Le chapitre 1 rappellera les concepts de uorescence et de photochromisme, en s'intéressant tout par-ticulièrement à la famille des diaryléthènes. La conception de cette famille de composés photochromes sera évoquée tout comme leurs diérentes applications. Les applications actuelles des diaryléthènes pour la microscopie super-résolution sera précédée d'une description des méthodes les plus utilisées actuellement pour ce type de microscopie optique. En n, une exposition du principe des plasmons de surface localisés (LSPR) sera réalisée. Les paramètres in uençant ces derniers seront exposés ainsi que leurs applications pour la modulation de phénomènes photophysiques, et notamment la uorescence et le photochromisme.
La première partie de cette thèse a pour objectif l'étude de diaryléthènes intrinséquement uores-cents. Le chapitre 2 sera consacré à l'étude photophysique de diaryléthènes uorescents dans au moins une de ses formes. Des mesures de rendement quantique de uorescence et de photochromisme ainsi que des mesures de durée de vie de uorescence seront réalisées de manière à déterminer les constantes cinétiques de chacun des composés. L'e cacité des diérents processus de désexcitation sera alors com-parée pour les diérentes structures moléculaires. De plus, des mécanismes de désexcitation pour ces diaryléthènes seront proposés pour les formes ouvertes et la forme fermée.
Le chapitre 3 traitera de l'eet d'un plasmon de surface localisé sur le photochromisme et la uores-cence. Pour cela, des nano-bâtonnets d'or seront synthétisés et caractérisés par microscopie électronique à balayage. L'eet de cette résonance plasmon sera étudiée à une échelle proche de la particule unique.
Le montage de microscopie utilisé et développé au laboratoire sera détaillé tout comme le choix des échantillons étudiés. En n, l'eet de la présence de particules d'or sur le photochromisme et la uo-rescence de couches de molécules déposées sur des lamelles de verre sera déterminé. Ces expériences seront réalisées sur deux molécules de manière à montrer les diérences qui peuvent intervenir selon la structure du photochrome uorescent considéré.
La deuxième partie de ce travail s'articulera autour de l'étude de dyades photochromes- uorescentes composées d'une unité photochrome (diaryléthène) et d'une unité uorescente (cyanostilbène ou ben-zothiadiazole).
Au cours du chapitre 4, ces dyades seront étudiées en solution mais aussi sous forme de nanoparticules moléculaires qui seront synthétisées et caractérisées. Leur étude sera entreprise de manière à mettre en évidence un eet non linéaire de l'extinction et la réapparition de la uorescence sous irradiation lumineuse. Des calculs de chimie théorique seront eectués de manière à attribuer les transitions élec-troniques des diérents fragments de la dyade. Les nanoparticules organiques seront aussi étudiées pour observer l'eet de la photoconversion sur les déclins de uorescence des nanoparticules. Ces études se-ront réalisées grâce à des méthodes de spectroscopie résolues en temps, à l'échelle macroscopique où à celle de la particule individuelle.
Des dyades photochromes- uorescentes, sous forme de nanoparticules seront employées dans le cha-pitre 5 pour appliquer leurs propriétés à une méthode de microscopie super-résolution. Le montage, développé au laboratoire, sera explicité ainsi que le principe de la méthode utilisée. L'eet non linéaire d'extinction impliquant un retard pour la réapparition de la uorescence mis en évidence à l'échelle macroscopique dans le chapitre précédent sera étudié à l'échelle de la nanoparticule individuelle. Un compromis sera trouvé pour minimiser le photoblanchiment de nos objets tout en conservant un signal de uorescence permettant l'observation des phénomènes souhaités. Cette méthode de microscopie per-mettant d'améliorer la résolution en comparaison avec une méthode de microscopie confocale classique sera éprouvée sur un grand nombre de particules et corrélée avec des mesures AFM réalisées sur les mêmes nanoparticules.
Etude bibliographique
Sommaire1.1 Fluorescence . . . 16
1.1.1 Bref historique de la uorescence . . . 16
1.1.2 Dé nition et autres modes de désexcitation . . . 16
1.1.3 Propriétés de uorescence . . . 16
1.2 Photochromisme . . . 17
1.2.1 Généralités . . . 17
1.2.2 Les deux types de photochromisme . . . 19
Photochromisme de type T . . . 19
Photochromisme de type P . . . 19
1.3 Les diaryléthènes . . . 20
1.3.1 DAE uorescents en forme ouverte . . . 21
1.3.2 DAE uorescents en forme fermée . . . 22
1.3.3 DAE uorescents en forme ouverte et en forme fermée . . . 24
1.3.4 Spéci cité des dyades photochromes- uorophores . . . 24
1.4 Applications des photochromes . . . 26
1.4.1 Utilisation des photochromes comme mémoires optiques . . . 26
1.4.2 Application à la microscopie super-résolution . . . 27
Limite de résolution . . . 27
Premières méthodes de microscopie super-résolution . . . 28
Les méthodes de microscopie super-résolution actuelles . . . 30
Utilisation des DAE en microscopie super-résolution . . . 31
1.5 Plasmons de surface . . . 32
1.5.1 Dé nition et historique . . . 32
1.5.2 In uence des paramètres sur la position de la résonance plasmon . . . 33
1.5.3 Applications . . . 36
Spectroscopie Raman exaltée de Surface (SERS) . . . 36
Modi cation de la uorescence . . . 36
Modi cation du photochromisme : cas des DAE . . . 37
1.6 Objectifs de l'étude . . . 39
In uence d'une composante plasmonique sur un système incluant une compé-tition photochromisme- uorescence . . . 39
Études de dyades photochromes- uorescentes et application à la microscopie super résolution . . . 40
1.1 Fluorescence
1.1.1 Bref historique de la uorescence
La première observation connue de la uorescence remonte à l'année 1565 par le botaniste espagnol Nicolás Monardes [1]. Il remarque une luminescence bleue sur une décoction de bois de Lignum Ne-phriticum alors utilisé comme médicament. Ce n'est pourtant que 300 ans plus tard que le phénomène a été compris grâce aux travaux de G. G. Stokes sur le sulfate de quinine en 1852 [2]. Stokes reprend à cette occasion une expérience de J. Herschel [3]. Ce dernier a montré en 1845 qu'une solution de sulfate de quinine sous irradiation peut émettre une lumière bleue. Il montre en outre que cet eet n'apparaît que si la solution est exposée à certaines longueurs d'onde incidentes. Stokes reprit les ex-périences précédentes et en séparant la lumière du soleil grâce à une série de prismes il put montrer que l'émission du sulfate de quinine n'était observée que pour des excitations dans la gamme UV. Cette expérience permet de démontrer que l'émission de la quinine, qu'il nomme uorescence un an plus tard, est nécessairement causée par deux phénomènes consécutifs : une absorption (qui se produit grâce à une excitation à une longueur d'onde dans l'UV) et une émission (dont la longueur d'onde est dans le bleu). Il démontre alors que la première est toujours plus énergétique que la seconde : c'est la loi de Stokes. On appelle désormais déplacement de Stokes la diérence d'énergie entre le maximum d'absorption et le maximum de la uorescence.
1.1.2 Dé nition et autres modes de désexcitation
La uorescence est la désexcitation radiative d'une espèce chimique entre deux états de même spin qui fait suite à une excitation de cette espèce par absorption d'au moins un photon issu d'une excitation lumineuse. Il s'agit du phénomène radiatif ayant le temps caractéristique le plus court (entre 10−10s
et 10−7 s), ce qui implique que ce phénomène ne peut être observé que pendant l'excitation. Le temps
caractéristique extrêmement court oppose ainsi la uorescence au phénomène de phosphorescence qui correspond lui aussi à la désexcitation radiative d'une espèce mais cette fois ci entre deux états de spins diérents. Le caractère interdit de spin de cette transition implique un temps caractéristique bien plus long (compris entre 10−6 s et 1s) ce qui implique que l'émission de phosphorescence peut
perdurer bien après l'arrêt de l'excitation. La diérence entre ces deux processus est aisément visible sur le diagramme de Perrin-Jablonski de la gure 1.1.
Lorsqu'une molécule est excitée, de son état S0 vers son premier état excité S1 sans modi cation
de géométrie du système (c'est le principe de Franck-Condon), cette excitation est suivie par une relaxation vibrationnelle incluant un réarrangement de géométrie depuis cet état excité Franck-Condon vers l'état excité relaxé. La molécule peut alors revenir dans son état fondamental par un processus radiatif (émission de uorescence) ou non radiatif (conversion interne). Dans les deux cas, le processus est suivi d'une relaxation vibrationnelle qui mène la molécule vers son état fondamental relaxé. Il est à noter que ce sont ces relaxations vibrationnelles (qui suivent respectivement l'excitation et l'émission de uorescence) qui sont à l'origine du déplacement de Stokes.
De plus, l'état excité relaxé peut subir un croisement inter-systèmes faisant passer la molécule dans un état triplet. A partir de cet état T1 , le système peut revenir dans l'état S0 de manière radiative
(phosphorescence), ou non radiative (via un enchainement croisement inter-systèmes puis relaxation vibrationnelle).
1.1.3 Propriétés de uorescence
Les paramètres qui entrent en jeu pour caractériser un uorophore sont multiples. Les longueurs d'onde maximales d'absorption et d'émission peuvent être obtenues directement à l'aide des spectres d'absorption et de uorescence du composé. De ces deux valeurs peut être déduit le déplacement de Stokes précédemment introduit, dans l'hypothèse où les états électroniques impliqués dans les deux
Figure 1.1 Diagramme de Perrin-Jablonski pour une espèce excitée par un photon. Les diérents phénomènes pouvant se produire sont schématisés par des èches bleues (absorption), vertes ( uores-cence), orange (croisements inter-systèmes), cyan (conversion interne), noires (relaxations vibration-nelles), rouge (phosphorescence) et verte ( uorescence).
processus sont les mêmes. Les espèces uorescentes sont aussi caractérisées par leur rendement quan-tique de uorescence ainsi que la durée de vie de l'état excité duquel la uorescence est issue. Le rendement quantique de uorescence représente la proportion de molécules qui se desexcite par émis-sion de uorescence parmi les molécules excitées par absorption d'un photon. La durée de vie de l'état excité est, elle, dé nie pour un système à deux états tel que dans l'équation 1.1, pour laquelle kr et knr
sont respectivement les constantes de vitesse des processus de désexcitation radiatif et non radiatif. τf =
1
kr+ knr (1.1)
Dans le cas d'un uorophore où l'émission de uorescence et les processus de désexcitation non radia-tive sont les seules voies de désexcitation qui interviennent, le rendement quantique de uorescence précédemment décrit peut être dé ni comme l'e cacité relative du processus radiatif par rapport à la somme des processus conduisant à la désexcitation. On obtient ainsi la dé nition du rendement quantique donnée dans l'équation 1.2.
φf =
kr
kr+ knr
= kr× τf (1.2)
1.2 Photochromisme
Le processus de uorescence ainsi que les désexcitations non radiatives sont des processus n'im-pliquant pas de transformation chimique de la structure des molécules excitées. Les molécules pho-tochromes, elles, mettent en jeu un autre mode de désexcitation qui induit une transformation de la molécule.
1.2.1 Généralités
Le photochromisme est dé ni comme étant la transformation photo-induite réversible entre deux états d'une espèce chimique présentant des spectres d'absorption diérents (cf. gure 1.2). Les deux états du photochrome possèdent la même formule brute mais peuvent diérer par leur structure élec-tronique ou leur géométrie. En plus de la modi cation du spectre d'absorption, d'autres propriétés
photophysiques telles que l'indice de réfraction, le caractère uorescent ou les propriétés mécaniques peuvent aussi être impactées.
Ce phénomène a été dé ni et étudié pour la première fois en 1867 par J. Fritzsche [4]. Il observe alors le changement de couleur de l'espèce C14H10 consécutif à sa simple exposition au soleil à température
ambiante. Une espèce photochrome peut donc passer d'un état A à un état B via une irradiation à une longueur d'onde λA→B et inversement de l'état B à l'état A via une irradiation à une autre longueur
d'onde λB→A. Il est à noter que l'une de ces transformations peut se produire de manière thermique,
sans irradiation. On parle alors de photochromisme de type T. A l'inverse, si cette réaction ne peut se faire que de manière photo-induite, on parle de photochromisme de type P. En n, il est important de noter que ce phénomène peut aussi, pour certaines espèces être observé sous forme solide, comme on peut le voir sur la gure 1.3
Figure 1.2 Schéma de principe du phochromisme incluant la diérence entre le photochromisme de type P et le photochromisme de type T.
Figure 1.3 Phénomène photochrome a) en solution, b) à l'état solide, image tirée de [5]. De même que pour les composés uorescents, l'e cacité du photochromisme d'un échantillon est caractérisée par ses rendements quantiques de photochromisme φA→B et φB→A. Par analogie avec le
rendement quantique de uorescence φA→B (resp. φB→A), il s'agit de la proportion de molécules
ex-citées A (resp. B), qui se convertit vers l'autre état du photochrome à la suite de l'absorption d'un photon.
Une autre propriété caractéristique d'un photochrome est sa résistance à la fatigue, cette dernière constitue un paramètre crucial. Il s'agit de caractériser la capacité d'une espèce à eectuer un grand nombre de cycle A → B → A sans dégradation de l'échantillon.
Lorsque la conversion d'une espèce photochrome est réalisée, l'irradiation peut donner lieu à la forma-tion d'un état photostaforma-tionnaire (EPS). Ceci se produit lorsque l'irradiaforma-tion réalisée induit l'excitaforma-tion des deux formes du photochrome. Dans ce cas, l'état consécutif à une irradiation tendra (aux temps in niment longs) vers un état photostationnaire (EPS) constitué d'une proportion non nulle de cha-cune des formes A et B. Le taux de conversion χB est alors dé ni comme la proportion de molécules
photochromes sous la forme B à l'EPS. Cet état photostationnaire dépend du coe cient d'absorption molaire à la longueur d'onde d'irradiation pour les deux formes du photochrome, mais aussi des deux rendements quantiques de photochromisme φA→B et φB→A.
1.2.2 Les deux types de photochromisme Photochromisme de type T
Comme cela a été évoqué précédemment, un photochrome de type T peut eectuer une de ses deux conversions sous l'eet de la chaleur. Les équilibres photochromes de certaines familles de molécules possèdant ce type de photochromisme sont représentés sur la gure 1.4. Ce caractère dépend du type de transformation mis en jeu dans l'équilibre photochrome. Parmi ce type de photochromes, les spi-ropyranes ont fait partie des premiers à être étudiés [6]. Leur équilibre photochrome consiste en une ouverture de cycle. Ce type de photochrome, tout comme les spirooxazines qui en sont très proches, est encore très étudié notamment pour des applications qui concernent la lunetterie et le stockage optique de données [7] , dont le principe sera étudié plus loin. Les équilibres faisant intervenir un transfert de proton comme le N-(3,5-di-tert-butylsalicylidène)-4-iodobenzène [8], représenté sur la gure 1.4 noté DTSIB appartenant à la famille des salycilidène anilines est un photochrome de type T puisque la réaction de formation du phénol se produit spontanément.
De même, les molécules photochromes via une isomérie E/Z sont généralement de type T. Celle-ci nécessite la présence d'une double liaison telle que la liaison N−−N la famille des azobenzènes (en l'occurence une liaison N−−N. L'équilibre photochrome E/Z peut, dans ce cas, se produire non seule-ment via irradiation lumineuse (d'où ses propriétés photochromes), mais aussi consécutiveseule-ment à une contrainte mécanique ou même à un stimulus électrique. La réaction inverse Z → E se produit de manière spontanée sans stimulus extérieur, en raison de la stabilité plus importante du stéréoisomère E. De plus ces composés sont, sous leur forme E, très stables même après plusieurs cycles d'irradiation. A la suite de cette photoconversion, les propriétés optiques (notamment le spectre d'absorption) ne sont que peu modi ées. Seule une très faible bande apparaît en eet dans le visible. Cependant, ces transitions présentent de l'intérêt grâce à la modi cation importante de la géométrie induite lors de l'isomérisation E/Z [9] [10].
Photochromisme de type P
Les photochromes de types P, contrairement à leurs homologues de types T, ne peuvent pas subir de conversion thermique pour les températures classiquement utilisées. L'intérêt principal de ce type de photochrome réside donc en leur bistabilité. Comme nous le verrons dans la partie 1.4, cette bistabilité en fait des candidats idéaux pour les mémoires optiques. C'est notamment le cas des fulgimides, et des fulgides [11]. Toutefois, la famille de photochromes qui va nous intéresser tout particulièrement est celles des diaryléthènes (DAE).
Azobenzène N N hν hν ou ∆ N N DTSIB N OH I hν hν ou ∆ HN O I Spiropyranes N R O NO2 hν hν ou ∆ N + R -O NO2 Spirooxazines N R O N hν hν ou ∆ N+ R -O
Figure 1.4 Equilibres photochromes pour plusieurs familles de photochromes de type T.
1.3 Les diaryléthènes
La famille photochrome des diaryléthènes a été découverte en 1988 [12] par le professeur M. Irie. Ces composés ont principalement été étudiés en raison de leur bistabilité, qui résulte en un photochromisme de type P et de leur très bonne résistance à la fatigue, ce qui conduit à la possibilité d'eectuer un très grand nombre de cycles photochromes sans dégradation apparente que ce soit en solution [13] ou à l'état solide [14]. Cette dernière propriété est cruciale dans le développement actuel de la microscopie super-résolution avec ce type de molécule (cf. paragraphe 1.4) mais aussi dans le cadre du développement de systèmes de mémoire optique. Ces possibilités d'applications expliquent en partie l'intérêt croissant porté aux diaryléthènes comme illustré sur la gure 1.5.
200 150 100 50 Nombre d'articles 2015 2010 2005 2000 1995 Année
Figure 1.5 Évolution du nombre d'articles publiés par an concernant les DAE (Diaryléthène, Web of Sciences).
Les diaryléthènes sont des dérivés de stilbène et peuvent comme ces derniers subir une cyclisa-tion (4n+2) conrotatoire photoinduite [15] en accord avec les règles de Woodward et Homann [16].
Cependant, dans le cadre de l'étude de diaryléthènes pour leurs propriétés photochromes, quelques modi cations ont été réalisées. Tout d'abord le dérivé de stilbène est généralement substitué en cis pour bloquer l'isomérisation E/Z qui peut se produire [17] de manière similaire à celle observée sur les azobenzènes. Les subtitutions les plus courantes résultent en la formation d'un cycle à cinq atomes de carbone qu'il s'agisse d'un anhydride maléique ou d'un cyclopentène per uoré.
De plus les groupements phényles initialement présents de part et d'autre de la double liaison C−−C sont généralement remplacés par des hétérocycles [12] [18]. Cette substitution est cruciale pour assurer la bistabilité du photochrome. En eet, sans ce changement, la barrière d'énergie à franchir lors de la réouverture de cycle est très faible car la forme fermée (FF) est bien moins stable que la forme ouverte (FO). Par conséquent, on se retrouve dans le cas d'un photochrome de type T qui peut eectuer la cyclo-réversion de manière thermique. L'obtention de la bistabilité des DAE passe alors par l'augmen-tation de cette barrière d'énergie, autrement dit, les deux formes du DAE doivent être les plus proches possibles d'un point de vue énergétique. La substitution des groupes phényles par des cycles thienyles substitués en ortho donne les meilleurs résultats dus à une moins grande diérence d'aromaticité entre les deux formes. Cette substitution permet de diviser par cinq la diérence d'énergie entre la forme ouverte (FO) et la forme fermée (FF). L'ensemble des modi cations décrites précédemment ainsi que les limitations successives qu'elles permettent de résoudre sont explicitées gure 1.6.
La cyclisation des DAE rend ces molécules quasiment planes et étend la conjugaison. Ceci conduit au rapprochement des orbitales moléculaires la plus haute occupée (HO) et la plus basse vacante (BV). La diminution de cet écart d'énergie implique l'apparition d'une bande d'absorption à des longueurs d'onde plus élevées dans le cas de la FF que de la FO. Cette modi cation de spectre permet la modula-tion de propriétés physico-chimiques, à la base des multiples applicamodula-tions des molécules photochromes. Parmi les propriétés pouvant être modulées, on retrouve parmi d'autres exemples, la conductivité électrique [19] ou le magnétisme [20]. Dans leurs travaux, H. Shimizu et al intercalent des DAE (préa-lablement préparés sous forme anionique) entre les diérentes couches d'un matériau magnétique. La photoconversion du DAE de sa forme ouverte vers sa forme fermée par une irradiation UV permet de moduler les propriétés magnétiques de l'ensemble [20]. La température de Curie, température à partir de laquelle le matériau perd son caractère ferromagnétique passe ainsi de 9 K lorsque le DAE est en forme ouverte à 20 K lorsque le DAE est sous sa forme fermée.
Cependant, la modulation qui nous intéressera tout particulièrement est celle de la uorescence. En eet, si la plupart des molécules de la famille des diaryléthènes ne sont uorescentes dans aucune de leurs formes, de nombreux DAE ont été synthétisés de manière à ce qu'au moins une forme soit émis-sive. La grande modulabilité de ces composés permet d'ajouter de nombreux groupements permettant de moduler la uorescence sur la quasi totalité du spectre visible. En outre, le caractère uorescent peut apparaître sur la FO, la FF ou sur les deux formes des DAE.
1.3.1 DAE uorescents en forme ouverte
Les diaryléthènes uorescents dans leur forme ouverte sont la catégorie la plus représentée parmi les DAE uorescents. L'idée de base pour la synthèse de ce type de molécules est d'intégrer au DAE un fragment uorescent. Il peut s'agir d'un fragment indole (DAE2), de groupements furane (DAE3)
ou encore d'un fragment pyrazole (DAE4) ou pyrole (DAE5). Dans les cas précédemment explicités,
les groupes uorescents constituent un, dans les cas des groupes indole (DAE2), pyrazole (DAE4)
et pyrole (DAE5) ou les deux, dans le cas des groupes furane (DAE3) des héterocycles utilisés pour
stabiliser la forme fermée du DAE (cf. gure 1.6). Les rendements quantiques de uorescence obtenus pour ces photochromes sont relativement faibles, le plus élevé étant celui de DAE2 dont le rendement
quantique de uorescence est de 0,046 (cf. tableau 1.1). Dans le cas de ces espèces, la désexcitation radiative entre en compétition avec la réaction de photocyclisation. L'ajout d'une deuxième voie de désexcitation pour ces molécules implique une diminution du rendement quantique de uorescence pour les DAE par rapport à ceux des fragments latéraux considérés seuls. A titre d'exemple, un uorophore équivalent à celui utilisé dans DAE2 (le 1-methyl-2-phenylindole) possède un rendement quantique de
F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 F2 S S R R F2 F2 F2 S S R R F2 F2 F2 S S R R F2 F2 F2 S S R R F2 F2 F2 S S R R Photochromisme de type T Photochromisme de type P Oxydation possible Pas d'oxydation Stabilisation de la forme fermée Suppression des H Isomérisation Z/E Blocage de l'isomérisation
Figure 1.6 Stratégie permettant l'obtention d'un photochrome de type P (DAE) à partir d'un simple stilbène.
0,85 soit environ vingt fois supérieur à celui du DAE [21] [22]. De même, un composé modèle pour le furane est décrit comme ayant un rendement quantique de uorescence de 0,47 [23] contre 0,03 pour DAE3.
1.3.2 DAE uorescents en forme fermée
L'obtention de DAE uorescents sous leur forme fermée permet une modulation diérente de la uorescence puisque celle-ci apparaît lors de la cyclisation du DAE sous irradiation UV alors que tous les DAE exposés précédemment voyaient leur intensité de uorescence diminuer au fur et à mesure de la photocyclisation. Ceci constitue une amélioration du point de vue du contraste de l'intensité de uorescence. En eet il existe ici un état non uorescent obtenu lorsque tous les photochromes sont en FO. Pour les DAE précédents ( uorescents en FO), l'état complètement éteint n'était pas accessible par irradiation en raison de l'existence d'un état photostationnaire. Plusieurs stratégies de synthèse ont été utilisées de manière à rendre les DAE uorescents sous leur forme fermée. La première est l'oxydation
Tableau 1.1 DAE intrinsèquement uorescents dans leur forme ouverte. DAE1[24] [25] S S F F F F F F UV Visible S S F F F F F F λmaxf(F O) = 430 nm (n-hexane) φf(F O) = 0.012 (cyclohexane) DAE2[22] N S F F F F F F UV Visible N S F F F F F F φ f(F O) = 0.046 (n-hexane) DAE3[26] O O F F F F F F R UV Visible O O F F F F F F λmaxf(F O) = 382 nm φf(F O) = 0.03 (n-hexane) DAE4[27] N N S F F F F F F OMe UV Visible N N S F F F F F F OMe λmaxf(F O) = 414 nm φf(F F ) = N.A. (n-hexane) DAE5[28] N S F F F F F F OMe NC UV Visible N S F F F F F F OMe NC λmaxf(F O) = 421 nm φf(F O) = 0.016 (cyclohexane)
des hétérocycles qui substituent les DAE en sulfone. Cette méthode permet notamment d'obtenir les DAE6 et DAE7 du 1.2. D'autre part, le cycle à cinq atomes de carbone qui bloque l'isomérisation
cis/trans peut lui aussi être substitué pour induire un caractère uorescent en forme fermée comme dans le cas de DAE8. Sur ce dernier exemple, c'est un groupement térarylène qui est utilisé. Des
exemples de photochromes intrinsèquement uorescents dans leur forme fermée sont présentés dans le tableau 1.2
Tableau 1.2 DAE intrinsèquement uorescents en forme fermée.
DAE6[29] S O2 S O2 F F F F F F S S UV Visible S O2 S O2 F F F F F F S S λmaxf(F F ) = 600 nm φf(F F ) = 0.78 (1,4-dioxane) DAE7[29] S O2 S O2 F F F F F F UV Visible S O2 S O2 F F F F F F λmaxf(F F ) = 550 nm φf(F F ) = 0.87 (1,4-dioxane) DAE8[30] S S S S O UV Visible S S S S O λmaxf(F F ) = 580 nm φf(F F ) = 0.11 (Acétate d'éthyl) DAE9[31] S O2 S O2 N S UV Visible S S N S λmaxf(F F ) = 543 nm φf(F F ) = 0.37 (2-méthyl-THF)
1.3.3 DAE uorescents en forme ouverte et en forme fermée
En plus de sa uorescence en forme ouverte, le photochrome DAE1 est très faiblement uorescent
en forme fermée à une longueur d'onde diérente. Cette dernière n'est pas quanti ée mais peut être améliorée par l'oxydation des cycles benzothiophène comme cela a été précédemment mentionné pour donner le DAE10. Cette molécule qui possède une uorescence bicolore sera au centre de l'étude du
chapitre 2. Cette propriété d'émission de uorescence est retrouvée sur d'autres DAE tel que DAE11.
Les propriétés et les équilibres photochromes de ces DAE sont disponibles dans le tableau 1.3. Ce type de photochrome uorescent est celui qui a été le moins étudié dans la littérature. Ces molécules se caractérisent par une uorescence généralement très faible dans au moins une des formes du DAE. 1.3.4 Spéci cité des dyades photochromes- uorophores
Les DAE en forme ouverte intrinsèquement uorescents précédemment évoqués sont soit soit fai-blement uorescents, soit faifai-blement photochromes, en raison de la compétition entre photochromisme et uorescence. Les unités uorescentes sont directement intégrées aux hétérocyles qui constituent le
Tableau 1.3 DAE intrinsèquement uorescents sous leurs deux formes. DAE10[32] S O2 S O2 F F F F F F UV Visible S O2 S O2 F F F F F F λmaxf(F O) = 464 nm φf(F O) = 0.025 (EtOAc) λmaxf(F F ) = 492 nm φf(F F ) = 0.011 (EtOAc) DAE11[33] S S Cl Cl NH N UV Visible S S Cl Cl NH N λmaxf(F O) = 381 nm φf(F O) = 0.017 (Acétonitrile) λmaxf(F F ) = 452 nm φf(F F ) = 0.014 (Acétonitrile)
DAE. Par conséquent les processus de désexcitation radiative et de photocyclisation entrent en com-pétition l'un avec l'autre. L'obtention de DAE fortement uorescents en forme ouverte passe alors par la synthèse de dyades moléculaire pour lesquelles une unité uorescente est greée au DAE. Cette méthode de synthèse ne modi e pas, ou peu, la structure du fragment photochrome.
L'extinction de uorescence qui se produit lors de la fermeture du cycle DAE peut alors être due, selon le type de dyade à un transfert d'électron intramoléculaire ou à un transfert d'énergie de type Förster (FRET). Dans ce dernier cas, le processus nécessite un donneur d'énergie (le fragment uorophore de la dyade) et un accepteur d'énergie dont le rôle sera assuré par une des formes du DAE. Pour que la dyade soit uorescente en forme ouverte, il faut donc que le transfert d'énergie entre le uoro-phore et le DAE ne puisse se faire qu'en forme fermée. Par conséquent, il est nécessaire que la bande d'absorption du DAE recouvre la bande de uorescence du uorophore. De plus les deux fragments considérés doivent être proches l'un de l'autre pour que le transfert d'énergie puisse se produire (ce qui est généralementle cas lorsque l'on considère le donneur et l'accepteur faisant partie de la même dyade). L'importance de cette proximité spatiale est illustrée par le rayon de Förster (R0) dé ni pour
un couple donneur-accepteur. Ce rayon représente la distance pour laquelle la probabilité du processus de transfert d'énergie est de 0,5. L'ordre de grandeur classique pour R0 est de quelques nanomètres et
il peut être calculé en utilisant l'équation (1.3) [34] :
R0 = 0, 2108 × ( κ2n−4φF JD/A)1/6 (1.3)
où κ2 est le facteur d'orientation du donneur et de l'accepteur. Il s'agit d'une fonction qui dépend
des orientations respectives des moments de transitions dipolaires des deux espèces impliquées dans le transfert. n est l'indice de réfraction du milieu (généralement celui du solvant), φF est le rendement
quantique de uorescence du donneur et en n JD/A l'intégrale de recouvrement entre le spectre de
uorescence du donneur et le spectre d'absorption de l'accepteur. Ces deux types de dyades seront étudiés dans le chapitre 4 et les diérences induites par ces deux diérents modes de désexcitation se-ront présentées. Les unités uorescentes ajoutées au DAE sese-ront alors des cyanostilbènes. Cependant, ce type de dyades uorescentes peut mettre en jeu nombre d'autres types de uorophores tels qu'une terpyridine (DAE12), un bodipy (DAE13), une uorescéine (DAE14), ou un naphtalimide (DAE15) .
Tableau 1.4 Dyades composées d'un fragment DAE et d'un fragment uorescent. DAE12[35] [25] S S OC12H25 N N N UV Visible S S N N N OC12H25 λmaxf(F O) = 440 nm φf(F O) = 0.041 (THF) DAE13[36] S S F F F F F F N B -N+ F F N B -N+ F F UV Visible S S F F F F F F NB -N+ F F N B -N+ F F λmaxf(F O) = 503 nm φf(F O) = 0.27 (n-hexane) DAE14[37] S S F F F F F F O O N O O NH O O O -O COO -UV Visible S S F F F F F F O O N O O NH O O O -O COO -λmaxf(F O) = 520 nm φf(F O) = 0.71 (PBS / EtOH (7/3)) DAE15[38] S S F F F F F F N N H N O O UV Visible S S F F F F F F N N H N O O λmaxf(F O) = 452 nm φf(F O) = 0.23 (cyclohexane)
Les rendements quantiques de uorescence obtenus avec de tels composés peuvent être du même ordre de grandeur que ceux des DAE intrinsèquement uorescents, comme c'est le cas pour le composé DAE6
dont le rendement quantique est de 0,04, mais peuvent aussi être bien plus élevés comme c'est le cas du DAE8 fonctionnalisé par une uorescéine et dont le rendement quantique de uorescence en FO
est égal à 0,71. Les dyades à base de DAE fonctionnalisées par les uorophores précédemment évoqués ainsi que leur équilibre photochrome, sont représentées dans le tableau 1.4.
1.4 Applications des photochromes
1.4.1 Utilisation des photochromes comme mémoires optiques
Le stockage optique de données utilise une source lumineuse pour coder une information sur un support. Cette dé nition est analogue à celle du stockage magnétique de données actuellement utilisé dans la large majorité des dispositifs commerciaux [39] notamment en informatique. Actuellement l'écriture d'un bit de donnée (0 ou 1) se fait par modi cation du champ magnétique local sur un disque dur via une pointe de quelques nanomètres, et la lecture de l'information est réalisée par détection de ce même champ local.
Ce codage binaire convient parfaitement à l'utilisation de dérivés photochromes. Les deux formes du photochrome représentent alors les deux états (0 et 1) du bit de donnée. L'écriture de l'information peut alors se faire via deux lasers aux longueurs d'onde d'irradiation permettant d'induire les deux sens de la réaction photochrome. Deux paramètres sont alors cruciaux pour que le stockage de l'information soit e cace. Tout d'abord le photochrome doit être bistable (autrement dit de type P) car une réaction inverse spontanée engendrerait la perte des données. De plus, pour que le stockage soit performant, il est nécessaire d'être en présence d'un système sur lequel l'eacement et la réécriture des données soient possibles de nombreuses fois. Ce dernier point implique une résistance à la fatigue importante pour les espèces utilisées. Dans ce contexte, les fulgides [11] et les diaryléthènes [40] sont les familles
de photochromes ayant donné lieu au plus grand nombre d'applications potentielles dans le domaine du stockage optique de l'information.
La principale di culté de ce type de stockage de données n'est cependant pas le codage de l'information puisque la réaction photochrome est induite de manière relativement simple (par irradiation laser) mais plutôt la lecture de l'information une fois que celle-ci a été codée. Celle-ci peut s'eectuer par mesure de l'absorption à des longueurs d'onde spéci ques d'une des formes, par l'acquisition du spectre infra-rouge (IR) [41], ou encore par l'enregistrement de l'émission de uorescence. Si la première méthode peut sembler la plus simple, elle implique l'irradiation (nécessaire pour sonder la valeur de l'absorption) du système à une longueur d'onde spéci que à une des deux formes et qui peut, par conséquent, induire la réaction photochrome. La lecture de l'information via observation d'un signal de uorescence peut permettre de passer outre ce problème. Pour cela, deux types de photochromes peuvent être utilisés. La première solution est l'utilisation d'un photochrome intrinsèquement uorescent dont une bande d'absorption est inactive pour la réaction photochrome mais permet de sonder la uorescence [42] [43]. Ainsi, la uorescence peut être sondée (et on peut par conséquent connaitre la forme du photochrome) sans que l'état de l'unité photoactive ne soit modi é. La seconde solution est l'utilisation d'une dyade uorescente pour laquelle l'excitation de uorescence est eectuée à une longueur d'onde disjointe des spectres d'absorption des deux formes du photochrome comme cela a été expliqué précédemment. Si le photochrome est dans une forme pour laquelle un transfert d'énergie de type FRET est possible, la uorescence ne sera pas observée et l'information sera lue sans excitation du photochrome.
En n, la spectroscopie infra-rouge (IR) peut elle aussi être utilisée pour la lecture de la uorescence de manière non destructive. Ici l'irradiation est complètement en dehors du spectre UV-Visible et ne peux pas in uencer le système. Pour les DAE, la zone IR observée est majoritairement celle entre 1400 cm−1 et 1650 cm−1 dans laquelle la présence d'une liaison C−−C sur le cycle per uoré peut être
observée. Cependant, l'intensité du signal pour de telles mesures sur des systèmes nanométriques est très faible [40].
1.4.2 Application à la microscopie super-résolution Limite de résolution
Lorsqu'un objet de taille inférieure à la longueur d'onde est observé en microscopie optique au moyen d'un objectif circulaire, le signal observé est une tache d'Airy. Celle-ci est représentée par une tache lumineuse centrée sur l'objet étudié (qui représente la frange d'interférences d'ordre 0) autour de laquelle alternent des franges d'interférences circulaires alternativement sombres et lumineuses. En pratique, les franges d'interférence observées possèdent une intensité bien plus faible que la tache lumi-neuse centrale. Cette gure de diraction est représentée sur la gure 1.7 a). Les franges d'interférences d'ordre supérieur à 0 n'y sont pas visibles. La gure 1.7 b) représente un pro l d'intensité de la tache d'Airy de la gure a) pris horizontalement au centre de l'image. Ce pro l montre clairement l'existence des franges d'interférences secondaires. L'image de la gure 1.7 b) représente ainsi la tache d'Airy pour laquelle l'échelle d'intensité à été modi ée de manière à voir apparaître les franges d'ordres 1 et 2. A la vue de la faible intensité de la gure d'interférences pour les ordres supérieurs à 1, on se limitera pour les études suivantes à des considérations prenant en compte la tache centrale (l'ordre 0) uniquement.
Par conséquent, si deux objets sont observés alors qu'ils sont trop proches l'un de l'autre, leur taches d'Airy vont se superposer. La limite de résolution d'un système optique peut alors être dé nie comme étant la plus courte distance entre deux objets discernables l'un de l'autre. Cette limite dépend forte-ment du critère choisi lorsqu'il s'agit de "distinguer" deux objets. Diérents critères ont été proposés à cet eet. Le plus contraignant d'entre eux est le critère de Schuster [44], qui stipule que pour que deux objets soient discernables l'un de l'autre, leurs taches d'Airy (ordre 0) ne doivent pas se recouvrir. En revanche, le critère le plus communément utilisé est celui proposé par Lord Rayleigh [45]. Considérant deux objets diérents, ceux-ci sont considérés comme discernables si le centre de la tache d'Airy de l'un n'est pas inclus dans la frange d'interférence d'ordre zéro de la tache d'Airy du second. La mise en équation de ce critère permet de calculer la limite de diraction d'un système optique déterminé
Coordonnée d'espace a 1.0 0.5 0.0 Instensité relative Coordonnée d'espace Profil d'intensité relatif de la tache d'Airy
b
Coordonnée d'espace
c
Figure 1.7 (a) Représentation d'une Tache d'Airy (b) et du pro l d'intensité de celle ci. (c) L'échelle d'intensité de la gure d'interférence est ensuite adaptée pour distinguer les franges secondaires. par E. Abbe [46] qui est donnée sur l'équation (1.4) :
d = 0, 61 λ
O.N. (1.4)
dans laquelle O.N. est l'ouverture numérique de l'objectif qui permet de collecter le signal et λ la longueur d'onde de la lumière qui provient de la particule. Les deux critères précédemment décrits sont représentés sur la gure 1.8.
Depuis la découverte de cette limite de résolution optique, l'avènement de la microscopie élec-tronique (notamment à la suite des inventions des microscopes élecélec-troniques à transmission (MET) en 1933 et des microscopes électroniques à balayage (MEB) en 1965) a permis d'observer des objets bien plus petits que 200 nm. Ces appareils utilisent des électrons (dont l'onde électromagnétique as-sociée présente une longueur d'onde de l'ordre du picomètre) plutôt que des photons pour observer l'in niment petit. Cette diminution de longueur d'onde permet d'observer des particules à l'échelle du nanomètre. Cependant, ces nouvelles méthodes d'observation nécessitent des conditions d'utilisation bien particulières : les dépôts d'échantillons doivent être réalisés sur un substrat conducteur et les mesures sont réalisées sous vide. Ces méthodes de mesures sont parfois inadaptées à une utilisation en milieu biologique par exemple.
Premières méthodes de microscopie super-résolution
Depuis les années 1990, le développement de méthodes de microscopie optique permettant de dis-tinguer des objets en dépassant la limite de diraction de la lumière a connu un intérêt croissant. Ces méthodes de "super-résolution" sont toutes basées sur l'existence, pour un système donné, de deux états (un de ces états étant uorescent). L'ensemble des méthodes détaillées ci-après permet de dépas-ser la limite de Abbe et de distinguer des objets de taille inférieure à 200 nm.
La première méthode développée à cet eet est la méthode de microscopie STED (STimulated Emission Depletion) [47] [48]. Dans cette méthode, les deux états respectivement sombre et uorescent sont les états fondamentaux et premier état excité d'un uorophore. Les uorophores sont excités par un faisceau laser qui est immédiatement suivi d'un autre faisceau, qui provoque l'émission stimulée du uorophore. La géomètrie de ce deuxième faisceau doit être choisie de manière à ce que sont inten-sité soit nulle au point central de l'excitation précédente 1.9 b). L'observation via cette méthode de plusieurs zones proches permet alors de distinguer des objets non discernables en microscopie confo-cale traditionnelle. Ce résultat est disponible sur la gure 1.9 d). Pour que ce type de mesure puisse être eectué, la durée de vie de uorescence doit être supérieure à l'intervalle de temps τr séparant
a b 1.0 0.5 0.0 Instensité relative Coordonnée d'espace c 1.0 0.5 0.0 Instensité relative Coordonnée d'espace d
Figure 1.8 a) c) Représentation des critères de Schuster et b) d) de Rayleigh via a) b) la représen-tation de deux particules à peine discernables par chacun de ces critères et c) d) les pro ls d'intensité lumineuse obtenus le long des taches d'Airy observées.
les faisceaux d'irradiation tel que représenté sur la gure 1.9 a). Un diagramme de Perrin-Jablonski représentant les transitions mises en jeu est disponible sur la gure 1.9 c). La microscopie GSD [49] (Ground State Depletion) est très proche dans son principe de la méthode STED. La seule diérence réside dans l'eet du faisceau d'extinction. Au lieu de provoquer l'émission stimulée, il induit le passage des uorophores de l'état excité uorescent vers un état triplet non émissif.
Les techniques de microscopies STED et GSD utilisent des états noirs et uorescents en ne met-tant en jeu que les états S0, S1 et T1 d'une molécule qui ne subit aucun réarrangement. La méthode
RESOLFT [50] (REversible Saturable Optical Fluorescent Transition) consiste en l'utilisation d'une réaction de photoconversion induite par les faisceaux d'activation et d'extinction. Les allures spatiales de ces faisceaux sont les mêmes que celles décrites pour les expériences STED sur la gure 1.9 b). Pour se placer dans une con guration analogue à celle décrite pour les méthodes STED et GSD, une population de uorophores est initialement dans son état non uorescent. L'échantillon est alors photo-converti au point focal de manière à ce que ces objets soient dans leur état uorescent. Un faisceau d'extinction dont l'intensité est nulle au centre du faisceau précédent est alors utilisé pour réaliser la photo-conversion inverse de la même manière que sur la gure 1.9 b). La uorescence provient alors uniquement du point central. Les prérequis principaux d'une espèce pour qu'elle soit utilisée pour mettre en ÷uvre la méthode RESOLFT sont une forte modulation de la uorescence (supérieure à 90%) lors de la photoconversion, un rendement quantique de uorescence élevé et un coe cient
d'ab-Figure 1.9 a) Cycle d'irradiation des lasers utilisés pour les expériences de microscopie de type STED. b) Représentation schématiques des formes spatiales des lasers utilisés pour le STED. c) Dia-gramme de Perrin-Jablonski simpli é qui représente les processus induits par les irradiations consé-cutives lors des expériences STED. d) Fonctions d'étalement du point (Point Spread Function, PSF) observées pour des mesures réalisées en microscopie confocale (courbe noire) et en microscopie STED (courbe rouge) [48].
sorption molaire également élevé.
Les méthodes de microscopie super-résolution actuelles
Pour l'ensemble des méthodes décrites jusqu'à présent les cycles d'allumage et d'extinction de la uorescence sont réalisés spéci quement sur des zones cibles. Ainsi, l'image d'un échantillon peut être réalisée par balayage de celui-ci en illuminant chaque point de cet échantillon de manière à construire une image en récupérant la uorescence en chaque point. C'est sur ce dernier aspect que les méthodes PALM [51] [52] (PhotoActivation Localization Microscopy) et STORM [53] (Stochastic Optical Recons-truction Microscopy) dièrent. Ces deux méthodes sont complètement analogues et ont été développées en même temps par deux laboratoires diérents. En eet, elles se basent sur le fait que la uorescence est un processus aléatoire. Le principe des irradiations consécutives réalisées sur les échantillons est représenté sur la gure 1.10 pour un petit ensemble de six particules.
Dans cette méthode, des cycles d'irradiations vont être répétés de nombreuses fois pour toutes les positions de l'échantillon. Considérons une étape d'irradiation sur une petite zone (qui correspond au diamètre des faisceaux laser d'excitation). Tous les uorophores sont en premier lieu éteints (par irradiation avec un laser rouge pour l'exemple). Une petite partie de ces uorophores est alors acti-vée vers leur état brillant. Cette irradiation d'un petit nombre d'objets est réalisée en contrôlant la
puissance utilisée pour le laser d'activation. Le laser rouge permet alors de désactiver, une nouvelle fois les uorophores . Parmi les objets qui se désexcitent, certains le font en émettant un photon de uorescence. Dans ce cas, l'objet en question peut être cartographié de manière statistique, la qualité de reconstruction de l'image dépendant notamment du nombre d'objets présent. Même dans le cas où plusieurs uorophores sont activés, tous ne vont pas se désexciter par voie radiative. Chaque cycle permet de localiser une petite proportion des uorophores et ainsi, en répétant les cycles de nombreuses fois, cette méthode permet de cartographier totalement la zone sondée. Ces cycles d'irradiation sont alors réalisés sur toute la surface de l'échantillon de manière à le cartographier complètement.
Si le caractère stochastique de la photo-conversion et de la uorescence est utilisé pour que seuls quelques uorophores émettent à chaque cycle d'irradiation, il implique aussi la principale limite de la méthode. En eet, les puissances utilisées pour les photo-activations et pour sonder la uorescence doivent être choisie en fonction de la concentration de l'échantillon et des rendements quantiques de uorescence des uorophores de manière à ce que deux uorophores proches l'un de l'autre (dont les signaux de uorescence ne sont pas distinguables selon le critère de Rayleigh) n'émettent pas lors d'un même cycle d'irradiation. En eet, dans ce dernier cas, les deux signaux se superposerait et la mesure serait en tout point semblable à une mesure de microscopie confocale.
Figure 1.10 Principe de microscopie STORM pour la cartographie de six molécules proches [53].
Utilisation des DAE en microscopie super-résolution
Comme cela a été discuté dans la partie 1.3, les diaryléthènes sont des molécules qui permettent de moduler aisément la propriété de uorescence. Pour que la modulation de uorescence soit la plus élevée possible, les DAE uorescents sous leur forme fermée permettent une meilleure modulation de la uorescence puisque la forme ouverte pure, pouvant être induite par une irradiation dans le visible, est un état éteint de la molécule. L'utilisation d'un DAE uorescent en forme ouverte impliquerait une modulation de uorescence trop faible due à l'existence d'un état photostationnaire sous irradiation UV.
Une démonstration de l'e cacité des DAE dans le cadre d'une utilisation pour une technique de type RESOLFT a été réalisée par Roubinet et al. [54] [55]. Les images obtenues par les mesures de type RESOLFT permettent d'observer des objets dont la fonction d'étalement du point (PSF : Point Spread Function) possède une largeur à mi-hauteur (FWHM : Full Width at Half Maximum) de 74 nm alors que l'observation des mêmes objets via microscopie confocale résulte en l'observation de PSF dont la FWHM est de 175 nm comme cela est observable sur la gure 1.11. Les mesures présentées sur cette gure mettent en jeu des DAE uorescents sous leur forme fermée.
Figure 1.11 Exemple d'utilisation de DAE dans le cadre de la méthode de microscopie RESOLFT pour la super-résolution [54].
1.5 Plasmons de surface
Nous avons précédemment montré que les propriétés photochromes pouvaient être utilisées de ma-nière à moduler des propriétés photophysiques telles que la uorescence. L'utilisation de nanoparticules métalliques peut permettre de parvenir au même résultat via l'action de plasmon de surface.
1.5.1 Dé nition et historique
Un plasmon de surface est une oscillation collective d'électrons induite par un champ électroma-gnétique extérieur à l'interface entre deux milieux de constantes diélectriques diérentes dont l'un est conducteur. La première observation de ce phénomène remonte à 1902 lorsque R. W. Woods décrit le résultat d'une expérience de diraction de lumière blanche par un réseau métallique [56]. Au cours de cette expérience, il remarque de nes bandes sombres inexpliquées qui apparaissent pour certaines polarisations de la lumière incidente par rapport à l'orientation des stries du réseau. Cet eet est en partie expliqué par U. Fano [57] qui associe les raies sombres à des ondes de surfaces qui, en raison de l'angle d'incidence ne peuvent pas quitter le voisinage du réseau métallique et apparaissent alors comme des raies sombres pour un observateur. L'énergie de ces ondes de surface a été quanti ée par R. H. Ritchie [58] par la réalisation de mesures de perte d'énergie d'électrons en fonction de l'épaisseur du lm métallique.
