Tesi sul tema "Spectroscopie photothermique"

Nouvelle technique de mesure non intrusive de la température des surfaces opaques. Création d'une perturbation thermique au sein du matériau à l'aide d'un faisceau laser module. Les champs de température sont calcules de façon à expliciter le flux radiatif partant induit par l'effet photothermique

La spectrometrie de deviation photothermique (effet mirage) permet d'etudier les interfaces liquide-solide. Cette technique est utilisee pour mesurer in situ la cinetique de fixation d'activant de flottation sur le zns

Au cours de cette étude, nous mettons en évidence les différents problèmes qui se présentent lorsque l'on désire mesurer la température d'une surface par détection du rayonnement émis. Si de multiples méthodes ont déjà été proposées afin de pallier la méconnaissance de l'émissivité et du flux réfléchi, il n'en reste pas moins que celles-ci ont été développées pour des cas particuliers et ne peuvent donc résoudre ces problèmes d'une façon générale. La méthode de mesure de température de surface que nous présentons permet d'effectuer une mesure du rayonnement émis, caractéristique de la température de surface, indépendamment du flux réfléchi. Cela est possible grâce à l'utilisation d'une technique photothermique. La validation de la méthode proposée est mise en évidence par l'utilisation de deux régimes temporels : module et impulsionnel. Cette technique constitue une méthode générale qui permet de s'affranchir du flux réfléchi. Pour les deux régimes temporels utilises, l'étude théorique de la variation de température et du signal photothermique permet de relier le signal détecté à la température de surface. Les résultats expérimentaux illustrent l'efficacité de cette méthode. Les performances des régimes module et impulsionnel sont présentées et une comparaison respective de celles-ci permet de définir des domaines complémentaires d'utilisation. La technique de mesure non intrusive présentée ici apporte une amélioration essentielle à la mesure de la température de surface par pyrométrie optique

La spectrométrie photothermique résulte de l'effet thermique produit par la relaxation des états excités consécutivement à l'absorption d'une radiation lumineuse et repose sur une mesure optique de l'élévation de température induite dans le milieu. La technique utilise deux faisceaux lasers en configuration pompe-sonde, arrivant colinéairement ou orthogonalement dans l'échantillon. L'objet de ce mémoire a été d'étudier la configuration orthogonale qui nous paraît la mieux adaptée à la microdétection. Quel que soit le mode d'excitation, continu ou pulsé, le signal dépend de la position de l'échantillon sur l'axe de propagation des faisceaux, de la taille du faisceau d'excitation et de la taille relative des deux faisceaux dans l'échantillon ; une formule semi-empirique permettant de décrire l'influence de ces paramètres et de définir un réglage optimum a pu être établie. Dans le cas où l'excitation de l'échantillon est réalisée avec un laser continu modulé, les caractéristiques du signal sont plus complexes car la formation de l'élément thermique est beaucoup plus lente. L'influence de la taille des faisceaux, de la taille de l'échantillon et du flux dépend de la taille de l'élément thermique formé et donc de la fréquence de modulation. Aux conditions optimales dans les deux cas, le signal est proportionnel à l'énergie ou puissance d'excitation, inversement proportionnel à la taille du faisceau d'excitation et indépendant du trajet optique. Les sensibilités intrinsèques sont comparables, mais les performances pourront dépendre des caractéristiques des lasers d'excitation utilisés et du traitement du signal. L'étude temporelle du signal pulsé a permis de mesurer des profils de vitesse pour un flux laminaire dans un capillaire. Enfin, un module de détection intégrant le capillaire contenant l'échantillon et les fibres optiques servant à conduire le faisceau de sonde a été mis au point. Ce module a été couplé à un micro-mélangeur chaotique et l'ensemble a été expérimenté pour l'analyse du fer (II) par l'o-phénanthroline (LOD = 11 µg L-1)

Cette thèse décrit le développement de la technique d'Imagerie Photothermique Hétérodyne (PHI). Cette nouvelle méthode optique en champ lointain permet de détecter une grande variété de nano-objets individuels absorbants (nanoparticules métalliques jusqu'à 1. 4 nm de diamètre, nanocristaux semiconducteurs, nanotubes de carbone métalliques et semiconducteur,. . . )sur un fond "noir", avec un très bon rapport signal à bruit. Le signal photothermique a été caractérisisé expérimentalement sur des nanoparticules d'or individuelles. Les mesures obtenues sont comparées à des calculs analytiques issus d'un modèle électrodynamique. Etant donné que ce signal est directement proportionnel à la puissance absorbée, la méthode PHI ouvre la voie à des expériences de spectroscopie d'absorption à l'échelle du nano-objet individuel. Dans un premier temps, nous avons sondé la résonance plasmon de surface de naoparticules d'or individuelle de 5 à 33 nm de diamètre. Cette étude a abouti à l'observation d'effets de taille intrinsèques, analysés dans le cadre de la théorie de Mie. Nous avons ensuite mesuré les spectres d'absorption de nanocristaux individuels de CdSe en régime multiexcitonique. Pour un même nanocristal, la comparaison des spectres d'absorption photothermique et d'émission permet de discuter l'origine physique du signal photothermique. Enfin, nous avons caractérisé la structure de nanotubes de carbone semiconducteurs et métalliques individuels en analysant leurs spectres d'absorption autour de leurs premières résonances optiques.

La spectrometrie photothermique est une methode tres sensible pour l'analyse de solutions faiblement absorbantes. Cette technique, basee sur la mesure de l'energie thermique degagee par relaxation d'especes prealablement excitees, est complementaire a la spectrometrie de fluorescence. L'objectif de ce travail est de mettre en uvre cette technique et d'evaluer ses performances par rapport aux spectrometries d'absorption et de fluorescence. Des etudes theoriques ont montre que le signal photothermique, qui depend de l'absorbance de la solution et des proprietes thermo-optiques du solvant, n'est lineaire que pour des solutions de faible concentration. Un modele theorique adapte a notre montage experimental a permis d'etalonner la methode avec une bonne precision jusqu'aux limites experimentales de la technique. La methode a ensuite ete utilisee pour etudier les proprietes de solutions de rhodamine 6g. Le rendement de fluorescence de ce colorant a d'abord ete determine a l'aide d'une reference calorimetrique nonfluorescente. A condition de tenir compte des sources d'erreurs inherentes a toute methode comparative, les resultats sont plus precis que ceux obtenus en spectrometrie de fluorescence. L'equilibre de dimerisation de la rhodamine dans l'eau a ensuite ete etudie. Comme les dimeres restituent toute l'energie absorbee sous forme de chaleur, on observe une forte augmentation du signal photothermique. Grace a cette methode, la constante de dimerisation a pu etre calculee de maniere plus precise qu'en absorption. En solution micellaire, la dimerisation est beaucoup moins importante et peut meme etre completement supprimee grace a un choix approprie du tensioactif et de sa concentration. Les resultats obtenus demontrent une meilleure sensibilite de la methode par rapport a la fluorescence pour detecter une dimerisation residuelle. L'etude de la reaction d'inhibition de fluorescence de la rhodamine 6g par les iodures montre egalement la complementarite entre les deux methodes pour le calcul des constantes d'inhibition. Par contre, lorsque le degre d'inhibition est plus eleve, un signal photothermique trop grand a ete mis en evidence. Une etude temporelle du signal a montre que l'intensite du faisceau de sonde adopte un profil qui laisse supposer qu'un phenomene thermique, contraire a l'effet de lentille, pouvait apparaitre consecutivement a la reaction d'inhibition.

Ce manuscrit décrit le développement de la technique d'Imagerie Photothermique<br />Hétérodyne (PHI). Cette nouvelle méthode optique en champ lointain permet de détecter une<br />grande variété de nano-objets individuels absorbants (nanoparticules métalliques jusqu'à 1.4 nm<br />de diamètre, nanocristaux semiconducteurs, nanotubes de carbone métalliques et semiconducteurs,.<br />. .), sur un fond « noir », avec un très bon rapport signal à bruit. Le signal photothermique<br />a été caractérisé expérimentalement sur des nanoparticules d'or individuelles. Les mesures obtenues<br />sont comparées à des calculs analytiques issus d'un modèle électrodynamique. Etant donné<br />que ce signal est directement proportionnel à la puissance absorbée, la méthode PHI ouvre la<br />voie à des expériences de spectroscopie d'absorption à l'échelle du nano-objet individuel. Dans<br />un premier temps, nous avons sondé la résonance plasmon de surface de nanoparticules d'or<br />individuelles de 5 à 33 nm de diamètre. Cette étude a abouti à l'observation d'effets de taille<br />intrinsèques, analysés dans le cadre de la théorie de Mie. Nous avons ensuite mesuré les spectres<br />d'absorption de nanocristaux individuels de CdSe en régime multiexcitonique. Pour un même<br />nanocristal, la comparaison des spectres d'absorption photothermique et d'émission permet de<br />discuter l'origine physique du signal photothermique. Enfin, nous avons caractérisé la structure<br />de nanotubes de carbone semiconducteurs et métalliques individuels en analysant leurs spectres<br />d'absorption autour de leurs premières résonances optiques.

Ce mémoire. Présente deux techniques de microscopie photothermique dédiées à la mesure de propriétés thermo élastiques locales appliquée ici aux barrières thermiques pour aubes de turbine et aux composites thermo structuraux. La première partie est consacrée à la photoréflexion utilisée pour caractériser les propriétés thermiques locales de fibres et matrices de carbone ainsi que celles de milieux hétérogènes (revêtements minces et milieux à gradient de propriétés). Les développements théoriques qui permettent l'analyse des mesures réalisées sur ces matériaux sont présentés ainsi que les résultats de plusieurs campagnes de mesures. La deuxième partie, est consacrée à la microscopie photothermique interférométrique. Le dispositif expérimental étant décrit, l'analyse du signal photothermique mesuré révèle la présence d'artefacts expérimentaux dont on peut partiellement s'affranchir. Cette technique est utilisée pour mesurer la diffusivité thermique d'un quasicristal d'AlPdMn ainsi que l'anisotropie élastique et l'orientation cristallographique de monocristaux cubiques d'AMl<br>Two photothermal microScopy techniques are presented, which are devoted to the local material therit~o elastic properties measurement. Here, we focus on thermal barrier coatings for turbine blades and carbon/carbon composites. In the first part, photoreflectance technique is used for local thermal properties characterization of carbon fibres and matrix so as heterogeneous media (thin coating and functionally graded materials). Theoretical development required for experimental results analysis are presented so as results of numerous experimental data. The second part deals with interferometric photothermal microscopy technique. Once th e experimental set up is described, the photothermal signal origin is analysed to point out several experimental artefacts which can be partially experimental removed. This technique is used for thermal diffusivity measurement of an A1PdMn quasicristal so as the elastic anisotropy and crystallographic orientation of AMI single cristal

Le but de ce travail est d’étudier les propriétés optiques et morphostructurales de nanoparticules de silicium (np-Si) dans des couches minces de silice, obtenues par recuit thermique de silices sous-stœchiométriques (SiOx 1<x<2). La taille des np-Si est comprise entre 1nm et 4nm. La séparation de phase est suivie par ellipsométrie (UV-vis et IR), et l’évolution de la cristallinité en fonction de la durée du recuit par spectroscopie Raman. La fonction diélectrique de la matrice est extraite au voisinage du mode TO de la silice et présente les caractéristiques d’une silice dense. L’interface np-Si/SiO2 est révélée par ellipsométrie IR et par XPS, après décapage HF. Elle est constituée d’une phase SiOx, x1, d’épaisseur 4Å. L’étude de la fonction diélectrique des np-Si, déterminée entre 1. 6eV-6. 5eV, suggère une redistribution des états électroniques de la structure associée au point critique E1 vers E2 quand la taille des np-Si diminue. Le bord d’absorption des np-Si est étudié par PDS et indique une queue d’Urbach liée au désordre et une bande de défauts localisés dans le gap due aux liaisons pendantes.

Nous avons développé deux instruments d’imagerie et de spectroscopie de nanoparticules d’or en microscopie optique plein champ. Les particules sont illuminées en fond noir pour ne détecter que la faible intensité de lumière diffusée. Pour le premier instrument, le signal, modulé par une modulation spatiale de l’échantillon, est détecté via une détection synchrone multiplexée. On utilise une source incohérente pour la caractérisation spectrale des nanoparticules et un laser à λ=532 nm, dans la bande de résonance plasmon de l'or, pour optimiser la détection en terme de puissance diffusée et de sélectivité. Pour imager les nanoparticules d'or en trois dimensions et les localiser, nous avons développé instrument d'holographie numérique hétérodyne. Un faisceau laser est scindé en deux faisceaux décalés en fréquence optique (référence et sonde) qui interfèrent dans le plan de la caméra pour former un hologramme enregistré par détection synchrone multiplexée. Les plans image sont reconstruits par propagation numériquement dans l'espace de Fourier. Pour augmenter la sensibilité, nous avons utilisé un effet photothermique.

Cette etude, realisee conjointement au laboratoire de physique des interfaces et des couches minces de l'ecole polytechnique et a la societe solems, vise a une meilleure connaissance des proprietes optiques des dispositifs photovoltaiques a base de silicium amorphe hydrogene (a-si/h). La spectroscopie de deflexion photothermique (pds) constitue la principale methode experimentale de ce travail. Quatre applications nouvelles sont presentees: par recours a l'effet joule, la deflexion photothermique a permis de caracteriser l'absorption optique dans les oxydes transparents conducteurs (tco), materiaux ici tres rugueux qui constituent l'electrode frontale des dispositifs. Par des mesures photothermiques d'une part resolues et d'autre part moyennees dans l'espace, le piegeage optique du a la reflexion totale a l'interface verre/air a ete analyse. De meme, le rendement energetique des dispositifs a pu etre evalue en determinant par pds les pertes thermiques dans les structures sous differentes polarisations electriques. Des mesures de reflexion et transmission diffuses ont apporte des renseignements importants sur les proprietes diffusantes des dispositifs. Certaines constituent les parametres d'entree d'un programme de calcul des absorptances dans les differentes couches des dispositifs. En raison des rugosites qui sont de taille voisine des longueurs d'onde visibles, ces absorptances ne peuvent etre deduites des lois habituelles de propagation dans les empilements multi-couches. Le programme de simulation elabore au cours de cette these repose sur une approche semi-empirique de la diffusion, en reservant un traitement electromagnetique exact a la propagation des composantes speculaires. Cette modelisation fournit une description satisfaisante des mesures experimentales de reponse spectrale et reflexion totale, et permet la determination detaillee des pertes optiques dans la structure

La détection des gaz à très faibles concentrations est indispensable dans divers domaines, de l'industrie à la biologie. L'amélioration continue des capteurs de gaz est essentielle pour répondre aux diverses exigences des applications. Les capteurs optiques se distinguent par leur précision et la réaction rapide. Parmi ceux-ci, les capteurs laser offrent une sensibilité et une sélectivité sans précédent. Au cours de ces dernières décennies, la technologie du laser à cascade quantique (QCL) a démontré des progrès significatifs, très attractifs pour la spectroscopie.Cette thèse présente les avancées sur la spectroscopie photo-thermique et des sources QCL. La première partie du travail est consacrée à l'interférométrie photo-thermique, une méthode dans laquelle les effets thermiques, photoinduits dans l'échantillon par la source d'excitation, sont détectés avec une lecture interférométrique d'un laser sonde. Cette approche offre une possibilité d’utiliser de faibles volumes de détection et une sensibilité élevée, proportionnelle à la puissance de la source d'excitation. Un élément clé de cette technique est un interféromètre Fabry-Pérot (FPI), qui offre une compacité, en raison de l'espacement étroit des miroirs, et une sensibilité élevée. Pour les scénarios réels, deux conditions fondamentales doivent être remplies: un recouvrement spatial des faisceaux de la sonde et d'excitation, entre les miroirs du FPI, et l'ajustement de la fréquence du laser de la sonde à la frange interférométrique. Une diode laser (DL) a été choisie comme sonde, en raison de son accordabilité efficace par le courant et de son faible cout.Un modèle pour les propriétés de transduction d'un DL couplé au FPI en présence d'excitation de l'échantillon a été développé. Le modèle concordait avec les résultats expérimentaux, obtenus sur la détection de l'oxyde nitrique. Un nouveau schéma de normalisation et une nouvelle méthode de verrouillage ont été mis au point pour une lecture stable du signal, compensant les dérives du système en auto-référenciant la mesure à la qualité de la cavité FP. Des limites de détection de quelques ppm ont été atteintes, conduisant à des absorptions équivalentes de bruit normalisées de l'ordre de -10-6 W cm-1 Hz-1/2. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à la technologie QCL à grande longueur d'onde (LW), basée sur le système de matériaux InAs/AlSb. La gamme spectrale choisie (λ &gt; 10 μm) joue un rôle central dans la détection des composés organiques visés car ils présentent de fortes absorptions entre 12,5 et 15 μm. Des QCL effilés émettant autours de 14 μm ont été fabriqués à cet effet. Le guide d'onde effilé vise à améliorer la puissance optique disponible en augmentant le volume actif tout en conservant le régime d’émission monomode spatial, une caractéristique des lasers étroites. Des lasers à ruban evasé avec des angles compris entre 0° et 3° ont été fabriqués et étudiés. Une augmentation de la puissance optique a été obtenue par rapport au dispositif à ruban étroit, jusqu'à un facteur 3 pour le plus grand angle. Le profil du faisceau a été étudiée pour évaluer son facteur de qualité. Dans la plupart des cas, un faisceau limité par la diffraction a été observé. Des revêtements diélectriques minces ont été également déposés sur les facettes des lasers pour améliorer la puissance optique découplée. Les applications spectroscopiques nécessitent généralement un fonctionnement monomode spectrale, ce qui a été démontré pour tous les dispositifs par la fabrication de réseaux de diffraction dans la couche de confinement optique supérieur des lasers. Une suppression des modes latéraux supérieur à 20 dB a été atteint, à la fois en mode pulsé et en mode continu. Enfin, le potentiel des QCL à grande longueur d'onde pour des applications spectroscopiques a été exploré dans le cadre de l'absorption classique, en combinaison avec une cellule multi-passage pour la détection du benzène, de l'acétylène et du dioxyde de carbone<br>The monitoring of gaseous compounds in trace concentrations is crucial across various fields, from industry to biology. Continuous improvement of gas sensors is essential to meet diverse application requirements. Optical sensors stand out for their fast and accurate results. Among these, laser-based sensors offer unprecedented sensitivity and selectivity. Over the past few decades, quantum cascade laser (QCL) technology has demonstrated significant progress that can be exploited in spectroscopy.This thesis presents advancements in both photothermal spectroscopy and QCL sources. The first part of the work is devoted to photothermal interferometry, an indirect method in which thermal effects, photoinduced in the sample by the excitation source, are detected with an interferometric readout of a probe laser. This approach enables small sensing volumes and high sensitivity which scales with optical power of the excitation source. This work makes use of the Fabry-Pérot Interferometer (FPI), since it offers compactness, due to the close mirror spacing, and high sensitivity. For real-case scenarios, two fundamental requirements must be fulfilled: spatial overlapping of the probe and excitation beams, between the mirrors of the FPI, and frequency tuning of the probe laser to the interferometric fringe. A diode laser (DL) source has been chosen as probe, for its cost-effectiveness, swift current tuning capabilities, and mature technology in the telecom region.A model for the transduction properties of a DL coupled with the FPI in presence of sample excitation was derived. The model agreed with the experimental results, tested on the case of nitric oxide detection. A novel normalization scheme and locking method were developed for a stable signal readout, compensating for system’s drifts by self-referencing the measurement to the cavity quality. Detection limits of few parts-per-million were achieved, leading to normalized noise equivalent absorptions on the order -10-6 W cm-1 Hz-1/2.The second part of this manuscript is focused on the long-wavelength (LW) QCL technology, based on the InAs/AlSb material system. The LW regime (λ &gt; 10 μm) plays a pivotal role for the detection of targeted organic compounds since they exhibit strong absorptions between 12.5 – 15 μm. Tapered QCLs emitting near 14 µm were fabricated for this purpose. The tapered waveguide aims at improving the available optical power by enhancing the active volume in the resonant cavity. Tapered lasers with angles between 0° and 3° were fabricated and compared in terms of optical and electrical properties. A scaling of the optical power was observed with respect to the ridge device, up to a factor of 3 for the largest taper. Far-field intensity distribution was investigated to assess the beam quality factor. In most cases, a diffraction-limited beam was observed. Thin dielectric coatings were also deposited on the laser facets to improve the outcoupled optical power. Spectroscopic applications usually require single-frequency operation, which was demonstrated for all the tapered devices by fabrication of Bragg gratings in the upper cladding. Side-mode suppression ratio above 20 dB, in both pulsed and continuous wave operation, has been achieved. Finally, the potential of long-wavelength QCLs for spectroscopic applications was explored in the context of classical absorption, in combination with a multi-pass cell for the detection of benzene, acetylene and carbon dioxide

Dans la premiere partie, la constante dielectrique complexe de couches minces d'alliages amorphes homogenes si#1##xsn#x (0<x<0. 5) preparees par coevaporation sur support froid a nancy, est etudiee en detail entre 0. 5 et 3 ev en fonction de la composition. L'analyse des spectres optiques permet entr'autres de determiner deux parametres caracteristiques des effets d'alliage, le gap optique et le gap moyen. L'ensemble des resultats est interprete a l'aide d'un modele de milieu effectif base sur la presence d'ordre chimique. La deuxieme partie est consacree a l'etude de l'hydrogenation de couches de si amorphe, puis d'alliages amorphes si#1##xsn#x, par incorporation d'hydrogene atomique pendant le depot. Les modes de liaison de l'hydrogene (et de l'oxygene) sont caracterises par spectroscopie infra-rouge, completee par des experiences d'exodiffusion a barcelone, et d'erda a strasbourg. Les modifications de la densite d'etats electroniques dans le pseudo-gap sont etudiees a partir des spectres d'absorption optique obtenus par spectroscopie de deflexion photothermique. L'influence des divers parametres est analysee systematiquement, dans le but d'ameliorer les materiaux hydrogenes. On montre notamment que la porosite induite, responsable de la contamination par l'oxygene, est reduite par depot a haute temperature. L'addition de sn favorise la porosite et l'incorporation d'hydrogene faiblement lie, et introduit des etats de defauts supplementaires dans le pseudo-gap, malgre la presence de liaisons sn-h

L’effet photothermique permet de détecter efficacement des nanoparticules d’or avec un microscope en champ lointain grâce à leur forte absorption de la lumière. L’absence de problème photophysique fait des nanoparticules d’or une alternative au marquage de biomolécules par des sondes fluorescentes. La méthode PhACS (Photothermal Absorption Correlation Spectroscopy) utilise les fluctuations de signal photothermique dues au passage de nanoparticules dans le volume de détection pour étudier leur diffusion. Cette méthode permet également la mesure précise de diamètres hydrodynamiques de nanoparticules fonctionnalisées. La méthode SNaPT (Single Nano-Particle Tracking) réalise le suivi bidimensionnel de nanoparticules individuelles grâce à une localisation effectuée par triangulation. Nous avons appliqué cette méthode pour étudier la diffusion des intégrines alphaV-beta3 marquées par des nanoparticules d’or de 5 nm dans les adhérences focales, points d’ancrage entre le cytosquelette de la cellule et la matrice extracellulaire. Nous observons que ces intégrines ont tendance à former des agrégats qui alternent entre un mouvement diffusif et un mouvement confiné. Ce résultat appelle maintenant à un nouveau modèle où nous aurions une redistribution continue des intégrines au sein des adhérences focales<br>Gold nanoparticles may be detected with optical far-field microscopy by use of the photothermal effect due to their strong light absorbance. With no photophysic issues, gold nanoparticles are an alternative to fluorescent probes for use in biological systems. The PhACS method (Photothermal Absorption Correlation Spectroscopy) is used to study diffusion by measuring the autocorrelation of photothermal signal fluctuations due to nanoparticles passing through the detection volume. This method is sensitive enough to mesure the precise hydrodynamic diameter of functionalised nanoparticles. The SnaPT method (Single Nano-Particle Tracking) can track 2-dimensional motion of individual nanoparticles by pinpointing the localization with a triangulation method. The SNaPT method was used to study motion of alphaV-beta3 integrins that were bound to a 5 nm gold nanoparticle inside focal adhesion, where the cell cytoskeleton is linked to the extracullular matrix. The integrin was found to organize into clusters oscillating between the bound and diffuse states. These observations require new working models where integrins would be constantly redistributed

La spectromicroscopie infrarouge est une technique d'analyse extrêmement performante capable à la fois de caractériser des composés chimiques par leurs bandes d'absorption et de les localiser spatialement grâce à un microscope. L'expérience AFMIR (Atomic Force Microscope InfraRed) est une méthode récente et originale de spectromicroscopie infrarouge sub-Iongueur d'onde qui couple un laser infrarouge pulsé accordable et un microscope à force atomique (AFM). En utilisant l'effet photothermique, elle permet de faire de la spectroscopie infrarouge « ultra locale» et de réaliser des cartographies chimiques avec une très bonne résolution latérale (quelques dizaines de nanomètres). Au cours de cette thèse, un travail de modélisation a été mené afin d'estimer la résolution spatiale de la technique AFMIR et de comprendre tous les phénomènes physiques qu'elle met enjeu. Parallèlement à cette étude théorique, une étape de développement instrumental a été nécessaire pour adapter l'expérience à des études en milieu liquide et permettre l'analyse d'échantillons biologiques vivants. Enfin, trois problématiques ont été abordées : infection de la bactérie Escherichia coli par le phage T5, production du polymère PHB par la bactérie Rhodobacter capsulatus et détermination de l'organite cible d'une hormone pour une lignée cellulaire hormono-indépendante du cancer du sein. L'ensemble des résultats a été confirmé avec des mesures de microscopie électronique en transmission et de spectroscopie d'absorption infrarouge classique. La technique AFMIR est maintenant opérationnelle pour être proposée à d'autres chercheurs du domaine de la biologie<br>Infrared spectromicroscopy is an extremely powerful analytical technique able both to characterize chemical compounds by their absorption bands and to locate them spatially through a microscope. The AFMIR facility (Atomic Force Microscope InfraRed) is a new and original technique of sub-wavelength infrared spectromicroscopy that combines a tunable pulsed infrared laser and an atomic force microscope (AFM). By using the photothermal effect, it allows the experimenter to do « ultra local» infrared spectroscopy and to achieve chemical mappings with a very good lateral resolution (a few tens of nanometers). During this thesis, a modeling work was conducted to estimate the spatial resolution of the AFMIR technique and to understand all involved physical phenomenons. Parallel to this theoretical study, a stage of instrumental development was necessary to adapt the facility to studies in liquid medium and to allow analysis of live biological samples. Finally, three scientific questions were addressed: infection of the bacterium Escherichia coli by the phage T5, production of the polymer PHB by the bacterium Rhodobacter capsulatus and identification of the organelle target for a hormone in a hormone independente breast cancer cellline. All results were confirmed with measurements by transmission electron microscopy and conventional infrared absorption spectroscopy. The AFMIR technique is now operational to be offered to other researchers in the field of biology

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse portent sur l’obtention de nanotubes de carbone ultracourts et leur biofonctionnalisation pour une utilisation comme biomarqueur proche infrarouge. Des dispersions de nanotubes de carbone en milieux aqueux ont été formulées à l’aide de différents tensioactifs. Un traitement chimique oxydant préalable et/ou l’application d’ultrasons aux nanotubes ont permis de réduire leur longueur de façon significative, la sélection des plus courts étant effectuée par ultracentrifugation en gradient de densité. Les différentes fractions sélectionnées à l’issu de ce processus ont été caractérisées par spectroscopie Raman et spectroscopie d’absorption ainsi que par microscopie à force atomique. Il est ainsi montré la sélection de nanotubes d’une longueur inférieure à 20 nm. Nous montrons également leur fonctionnalisation à l’aide d’anticorps monoclonaux et leur visualisation par imagerie photothermique hétérodyne. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec la fixation spécifique de nanotubes de carbone ultracourts sur des cellules. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives en bioimagerie et en particulier l’étude de la plasticité synaptique au sein de neurones vivants<br>This thesis reports the achievement of ultrashort carbon nanotubes and their biofunctionalization for applications as near-infrared biomarker. Dispersions of carbon nanotubes in aqueous media have been formulated with various surfactants. Oxidizing chemical treatments combined with the application of ultrasounds allowed significant shortening of the carbon nanotubes. Sorting and selection of the shortest nanotubes was done by density gradient ultracentrifugation. The different fractions selected at the end of this process have been characterized by Raman spectroscopy, UV-vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy. Selection of nanotubes of a length below 20 nm is demonstrated. We also show functionalization by antibodies and the visualization of ultrashort functionalized nanotubes by photothermal heterodyne imaging. Promising results were obtained with the specific binding of ultrashort carbon nanotubes to cells. This work open route towards bioimaging applications and in particular towards the study of the synapsis plasticity within alive neurons

Les nanomatériaux suscitent depuis quelques décennies de plus en plus d'intérêt tant sur le plan des études fondamentales que sur celui des applications. Parmi ces nouveaux matériaux, les nanotubes de carbone ont attiré beaucoup d'attention au sein de la communauté scientifique à cause de leurs propriétés physiques remarquables. Les travaux présentés dans cette thèse, concernent l'élaboration et la caractérisation de composites solides à base de nanotubes de carbone. Le choix des matériaux s'est porté sur une matrice solide à base de Bromure de Potassium (KBr) et des nanotubes de carbone mono et multifeuillets (SWNT, MWNT). L'étude de ces composites concerne deux aspects : dans un premier temps, l'effet de la charge et de la nature des nanotubes de carbone sur les propriétés électriques et thermiques ont été étudiés. L'étude des propriétés thermiques a été réalisée à l'aide d'une technique photothermique, la photoacoustique, qui présente un grand avantage pour ce type de composites. L'évolution des propriétés thermiques en fonction de la charge a montré un comportement atypique, une augmentation puis une diminution, avec un maximum autour de 2% de charge en nanotubes. Un modèle physique permettant de décrire cette évolution a été proposé. Concernant les propriétés électriques, cette étude a permis de mettre en évidence le phénomène de percolation et d'en déterminer le seuil. Dans un deuxième temps, l'étude a porté sur l'influence du gaz environnant sur les propriétés thermiques et électriques, et sur l'éventuelle utilisation de ces composites comme capteurs de gaz. La caractérisation thermique en présence d'éthanol n'a pas permis de mettre en évidence un changement notable des propriétés thermiques des composites. En revanche, la caractérisation électrique a montré une bonne réponse à ce gaz. L'évolution de la sensibilité en fonction de la charge en nanotubes dans les composites a montré une augmentation pour des charges inférieures à 4% et une stabilisation au-delà. L'influence d'autre gaz comme le dioxyde d'azote et le toluène a été aussi étudié. La réponse électrique au dioxyde d'azote a montré une forte interaction du gaz avec les composites. La réponse au toluène n'a pas montré d'influence de ce gaz sur les propriétés électriques des composites à base de SWNT, cependant, dans le cas des composites à base de MWNT, une réponse électrique comparable à celle de l'éthanol a été observée.

Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'une nouvelle méthode de détection optique de nanoparticules métalliques individuelles pour des applications à la biochimie et à la biologie. Cette méthode, appelée LISNA (Laser Induced Scattering around a NanoAbsorber) tire profit des propriétés absorbantes des nanoparticules métalliques au voisinage de la résonance plasmon. Nous montrons dans un premier temps qu'elle peut être utilisée sur des échantillons statiques, avec des applications en biochimie in vitro. Nous montrons ensuite qu'elle peut être appliquée efficacement pour étudier des phénomènes dynamiques selon deux modalités. En premier lieu, en utilisant une technique de triangulation, elle permet d'enregistrer la trajectoire de nanoparticules diffusant à 2 dimensions (Single Nanoparticle Photothermal Tracking – SNaPT). Nous avons ainsi pu suivre des récepteurs postsynaptiques marqués avec des billes d'or de 5 nm à la surface de neurones vivants pendant plusieurs minutes. Pour caractériser la diffusion de nanoparticules plus rapides, nous avons développé une seconde approche basée sur les corrélations de signal lors du passage de nanoparticules dans le volume de détection. Cette méthode (Absorption Correlation Spectroscopy – ACS) donne une information très précise sur le rayon hydrodynamique de l'objet observé, mais peut aussi être appliquée à l'étude du mouvement de molécules en milieu biologique où elle constitue une alternative intéressante à la corrélation de fluorescence dans le cas de dynamiques lentes. Enfin, l'imagerie par la méthode LISNA des mitochondries, des organelles cellulaires absorbantes, a été démontrée sur cellules vivantes sans avoir recours à un marqueur extrinsèque, et l'origine du signal a été étudiée.

Si la microscopie de fluorescence est la plus couramment utilisée pour détecter des nano-objets individuels, les méthodes d’absorption permettent de s’affranchir de la photostabilité imparfaite des objets luminescents et d’accéder à d’autres objets en ne se limitant pas aux espèces luminescentes. Au cours de ce travail de thèse, nous avons cherché à pousser les limites des méthodes basées sur l’absorption existantes en termes de sensibilité et de caractère quantitatif. La microscopie photothermique hétérodyne permet de détecter une grande variété de nano-objets absorbants sur fond noir. Nous présentons une nouvelle implémentation de cette technique permettant d’exalter la réponse photothermique de nanoparticules d’or individuelles autour de la transition de phase du milieu les entourant. Un gain d’un facteur 10 a été obtenu par rapport à un milieu classique. Afin de déterminer l’absorption de petits nano-objets à fort rapport d’aspect, comme les nanotubes de carbone, la détection directe est en revanche plus quantitative. En développant une méthode d’absorption à modulation spatiale optimisée, nous avons déterminé pour la première fois la valeur de la section efficace d’absorption de nanotubes de carbone (6,5) de manière absolue. Finalement, nous avons mis au point un protocole de préparation et de tri en longueur de nanotubes de carbone ultracourts. Les longueurs obtenues ont été caractérisées par spectroscopie, microscopies optique et à force atomique. Dans le futur, ces nanotubes pourront être utilisés comme sondes biologiques détectées par le dispositif photothermique. Les nanotubes possèdent en effet des résonances optiques dans le proche infrarouge correspondant à la plage de transparence des tissus biologiques<br>Absorption methods can overcome the limited photostability of luminescent nano-objects and allow for detection of non-luminescent ones, making it a desirable alternative to commonly used fluorescence microscopy for single particle detection. During this project, we optimized the sensitivity of existing absorption based methods and developed their use for quantitative applications. Photothermal heterodyne microscopy is a highly sensitive, “background-free” detection method that can be applied to a large variety of individual absorbing nano-objects. We implement a new version of this technique that enhances the photothermal response of single gold nanoparticles by using a phase transition in their surrounding environment. Compared to a standard medium, we demonstrate a 10 fold enhancement of the signal to noise ratio. On the other hand, for measurement of the absorption cross section of small, and high aspect ratio nano-objects, such as carbon nanotubes, direct detection is more quantitative. In pursuit of this goal, we developed an optimized modulated absorption method and used it to directly measure the absolute absorption cross section of (6,5) carbon nanotubes for the first time. Finally, we set up a protocol to prepare ultrashort carbon nanotubes and sort them by length. As they exhibit strong optical resonances in the near infrared corresponding to a transparency window in biological tissues, they will be useful as photothermally detected biological probes. These nanotubes were characterized spectroscopically, and by optical and atomic force microscopy

Dans une première partie de ce travail, nous avons développé de nouveaux outils pour la micromanipulation d'ADN en pinces magnétiques. Cet appareil permet d'appliquer une force contrôlée à une molécule d'ADN tout en mesurant son extension. Nous avons amélioré la résolution spatiale du dispositif, limitée par le bruit de photons affectant la détection optique, et la mesure de force, limitée par la résolution temporelle de la microscopie vidéo. Nous avons donc couplé une imagerie haute-fréquence par ondes évanescentes aux pinces magnétiques et l'avons appliqué à un nouveau principe de séquençage d'ADN démontrant une résolution sub-nanométrique. Pour mesurer de hautes forces, nous avons mis au point un protocole de modulation de l'exposition vidéo qui permet d'échantillonner correctement les fluctuations browniennes du système senseur magnétique-brin d'ADN et de restaurer leur niveau au-delà de la fréquence de coupure du système d'acquisition. Dans une seconde partie, nous proposons une imagerie photothermique, en champ large et en temps réel, de nanoparticules métalliques pour le marquage de moteurs moléculaires uniques. Nous avons démontré la possibilité d'imager rapidement des nanoparticules d'or uniques par effet photothermique, cependant des améliorations restent à produire pour visualiser des nanoparticules de taille adaptée aux applications biologiques. Dans cette optique, nous avons aussi exploré un nouveau mode de chauffage périodique et spatialement étendu: les interactions électromagnétiques entre champ radio-fréquence et nanoparticules métalliques. Finalement, nous avons appliqué le principe de démodulation optique utilisé pour la photothermie à l'identification sélective d'espèces biochimiques résonantes, visualisées en microscopie de fluorescence.