Application of thermal ion-molecule reactions in tackling spectroscopic inferences in inductively coupled plasma mass spectrometry

Part I: Ultra-trace determination of vanadium in lake sediments: a performance comparison using O2, N20, and NH3 as reaction gases in ICP-DRC-MS Thermal ion-molecule reactions, targeting removal of specific spectroscopic interference problems, have become a powerful tool for method development in quadrupole based inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) applications. A study was conducted to develop an accurate method for the determination of vanadium in lake sediment samples by ICP-MS, coupled with a dynamic reaction cell (DRC), using two differenvchemical resolution strategies: a) direct removal of interfering C10+ and b) vanadium oxidation to VO+. The performance of three reaction gases that are suitable for handling vanadium interference in the dynamic reaction cell was systematically studied and evaluated: ammonia for C10+ removal and oxygen and nitrous oxide for oxidation. Although it was able to produce comparable results for vanadium to those using oxygen and nitrous oxide, NH3 did not completely eliminate a matrix effect, caused by the presence of chloride, and required large scale dilutions (and a concomitant increase in variance) when the sample and/or the digestion medium contained large amounts of chloride. Among the three candidate reaction gases at their optimized Eonditions, creation of VO+ with oxygen gas delivered the best analyte sensitivity and the lowest detection limit (2.7 ng L-1). Vanadium results obtained from fourteen lake sediment samples and a certified reference material (CRM031-040-1), using two different analytelinterference separation strategies, suggested that the vanadium mono-oxidation offers advantageous performance over the conventional method using NH3 for ultra-trace vanadium determination by ICP-DRC-MS and can be readily employed in relevant environmental chemistry applications that deal with ultra-trace contaminants.Part II: Validation of a modified oxidation approach for the quantification of total arsenic and selenium in complex environmental matrices Spectroscopic interference problems of arsenic and selenium in ICP-MS practices were investigated in detail. Preliminary literature review suggested that oxygen could serve as an effective candidate reaction gas for analysis of the two elements in dynamic reaction cell coupled ICP-MS. An accurate method was developed for the determination of As and Se in complex environmental samples, based on a series of modifications on an oxidation approach for As and Se previously reported. Rhodium was used as internal standard in this study to help minimize non-spectral interferences such as instrumental drift. Using an oxygen gas flow slightly higher than 0.5 mL min-I, arsenic is converted to 75 AS160+ ion in an efficient manner whereas a potentially interfering ion, 91Zr+, is completely removed. Instead of using the most abundant Se isotope, 80Se, selenium was determined by a second most abundant isotope, 78Se, in the form of 78Se160. Upon careful selection of oxygen gas flow rate and optimization ofRPq value, previous isobaric threats caused by Zr and Mo were reduced to background levels whereas another potential atomic isobar, 96Ru+, became completely harmless to the new selenium analyte. The new method underwent a strict validation procedure where the recovery of a suitable certified reference material was examined and the obtained sample data were compared with those produced by a credible external laboratory who analyzed the same set of samples using a standardized HG-ICP-AES method. The validation results were satisfactory. The resultant limits of detection for arsenic and selenium were 5 ng L-1 and 60 ng L-1, respectively.

The Synthesis and Coordination Chemistry of Two Families of Polydentate Ligands - Exploring Their Potential for the Preparation of Molecule-Based Magnets

The synthesis and studies of two classes of poly dentate ligands are presented as two projects. In project 1, four new carboxamide ligands have been synthesised via the condensation of 2,2',6,6'-tetrachloroformyl-4,4'-bipyridine or 2,6-dichloroformyl pyridine together with heterocyclic amines containing pyridine or pyrazole substituents. The coordination chemistry of these ligands has been investigated and studies have shown that with a Cu(II) salt, two carboxamide ligands LJ and L2 afford large clusters with stoichiometries [Cu8(L1)4Cl16].CHCl3.5H2O.7CH3OH (I) and [Cu9(L2)6Cl6].CH3OH.5H2O.(C2H5)3N (II) respectively. [molecular diagram availabel in pdf]. X-ray diffraction studies of cluster (I) reveal that it has approximate S4 symmetry and is comprised of four ligands and eight copper (II) centers. Here, coordination takes place via amide 0 atoms, and pyrazole nitrogens. This complex is the first reported example of an octanuclear copper cluster with a saddle-shaped structure. The second cluster comprises nine copper ions that are arranged in a cyclic array. Each ligand coordinates three copper centers and each copper ion shares two ligands to connect six ligands with nine copper ions. The amide nitrogens are completely deprotonated and both amide Nand 0 atoms coordinate the metal centres. The cluster has three-fold symmetry. There are six chloride ions, three of which are bridging two neighbouring Cu(II) centres. Magnetic studies of (I) and (II) reveal that both clusters display weak antiferromagnetic interactions between neighbouring Cu(II) centers at low temperature. In the second project, three complexes with stoichiometries [Fe[N302](SCN)2]2 (III), R,R-[Fe[N3O2](SCN)2 (IV) and R,R-]Fe[N3O2](CN)2] (V) were prepared and characterized, where [N302] is a pentadentate macrocycle. Complex (III) was prepared via the metal templated Schiff-base condensation of 2,2',6,6'-tetraacetyl-4,4'-bipyridine together with 3,6-dioxaoctane-I,8-diamine and comprises of a dimeric macro cycle where the two Fe(II) centres are in a pentagonal-bipyramidal environment with the [N302] ligands occupying the equatorial plane and two axial NCS ligands. Complexes (IV) and (V) were prepared via the condensation of 2,6-diacetylpyridine together with a chiral diamine in the presence of FeCh. The synthetic strategy for the preparation of the chiral diamine (4R,5R)-4,5-diphenyl-3,6-dioxa-I,8-octane-diamine was elucidated. The chirality of both macrocycles (IV) and (V) was probed by circular dichroism spectroscopy. The crystal structure of (IV) at 200 K contains two independent molecules in the unit cell, both of which contain a hepta-coordinated Fe(II) and axial NCS ligands. Variable temperature magnetic susceptibility and structural studies are consistent with a high spin Fe(II) complex and show no evidence of any spin crossover behaviour. In contrast, the bis cyanide derivative (V) crystallizes with two independent molecules in the unit cell, both of which have different coordination geometries consistent with different spin states for the two Fe(II) centres. At 250 K, the molecular structure of (V) shows the presence of both 7- and a 6-coordinate Fe(II) complexes in the crystal lattice. As the temperature is lowered, the molecules undergo a structural change and at 100 K the structural data is consistent with a 6- and 5-coordinate Fe(II) complex in the unit cell. Magnetic studies confirm that this complex undergoes a gradual, thermal, spin crossover transition in the solid state. Photomagnetic measurements indicate this is the first chiral Fe (II) sea complex to exhibit a LIESST.

Ligand design for molecule-based magnetic and/or conducting materials

Work in the area of molecule-based magnetic and/or conducting materials is presented in two projects. The first project describes the use of 4,4’-bipyridine as a scaffold for the preparation of a new family of tetracarboxamide ligands. Four new ligands I-III have been prepared and characterized and the coordination chemistry of these ligands is presented. This project was then extended to exploit 4,4’-bipyridine as a covalent linker between two N3O2 macrocyles. In this respect, three dimeric macrocycles have been prepared IV-VI. Substitution of the labile axial ligands of the Co(II) complex IV by [Fe(CN)6]4- afforded the self-assembly of the 1-D polymeric chain {[Co(N3O2)H2O]2Fe(CN)6}n•3H2O that has been structurally and magnetically characterized. Magnetic studies on the Fe(II) complexes V and VI indicate that they undergo incomplete spin crossover transitions in the solid state. Strategies for the preparation of chiral spin crossover N3O2 macrocycles are discussed and the synthesis of the novel chiral Fe(II) macrocyclic complex VII is reported. Magnetic susceptibility and Mössbauer studies reveal that this complex undergoes a gradual spin crossover in the solid state with no thermal hysteresis. Variable temperature X-ray diffraction studies on single crystals of VII reveal interesting structural changes in the coordination geometry of the macrocycle accompanying its SCO transition. The second project reports the synthesis and characterization of a new family of tetrathiafulvalene derivatives VIII – XII, where a heterocyclic chelating ligand is appended to a TTF donor via an imine linker. The coordination chemistries of these ligands with M(hfac)2.H2O (M( = Co, Ni, Mn, Cu) have been explored and the structural and magnetic properties of these complexes are described.

Novel Magnetic Materials Based on Macrocyclic Ligands: Towards High Relaxivity Contrast Agents and Mononuclear Single-Molecule Magnets

The preparation and characterization of coordination complexes of Schiff-base and crown ether macrocycles is presented, for application as contrast agents for magnetic resonance imaging, Project 1; and single-molecule magnets (SMMs), Projects 2 and 3. In Project 1, a family of eight Mn(II) and Gd(III) complexes of N3X2 (X = NH, O) and N3O3 Schiff-base macrocycles were synthesized, characterized, and evaluated as potential contrast agents for MRI. In vitro and in vivo (rodent) studies indicate that the studied complexes display efficient contrast behaviour, negligible toxicity, and rapid excretion. In Project 2, DyIII complexes of Schiff-base macrocycles were prepared with a view to developing a new family of mononuclear Ln-SMMs with pseudo-D5h geometries. Each complex displayed slow relaxation of magnetization, with magnetically-derived energy barriers in the range Ueff = 4 – 24 K. In Project 3, coordination complexes of selected later lanthanides with various crown ether ligands were synthesized. Two families of complexes were structurally and magnetically analyzed: ‘axial’ or sandwich-type complexes based on 12-crown-4 and 15-crown-5; and ‘equatorial’ complexes based on 18-crown-6. Magnetic data are supported by ab initio calculations and luminescence measurements. Significantly, the first mononuclear Ln-SMM prepared from a crown ether ligand is described.

Single-Molecule Magnets and Multifunctional Molecular Magnetic Materials Based on Polynuclear Metal Complexes

Our work on single molecule magnets and multifunctional magnetic materials is presented in four projects. In the first project we show for first time that heteroatomic-type pseudohalides, such as OCN-, can be employed as structure-directing ligands and ferromagnetic couplers in higher oxidation state metal cluster chemistry. The initial use of cyanato groups in Mn cluster chemistry has afforded structurally interesting MnII/III14 (1) and MnII/III/IV16 (2) clusters in which the end-on bridging cyanates show a preference in binding through their O-atom. The Mn14 compound shows entirely visible out-of-phase alternating currect signals below 5 K and large hysteresis loops below 2 K. Furthermore, the amalgamation of azido groups with the triethanolamine tripodal ligand in manganese carboxylate cluster chemistry has led to the isolation of a new ferromagnetic, high-nuclearity and mixed-valence MnII/III15Na2 (3) cluster with a large ground-state spin value of S = 14. In the second project we demonstrate a new synthetic route to purely inorganic-bridged, transition metal-azido clusters [CoII7 (4) and NiII7 (5)] and coordination polymers [{FeII/III2}n (6)] which exhibit strong ferromagnetic, SMM and long-range magnetic ordering behaviors. We also show that access to such a unique ferromagnetic class of inorganic, N-rich and O-free materials is feasible through the use of Me3SiN3 as the azido-ligand precursor without requiring the addition of any organic chelating/bridging ligand. In the last projects we have tried to bring together molecular magnetism and optics via the synthesis of multifunctional magnetic materials based on 3d- or 4f-metal ions. We decided to approach such challenge from two different directions: firstly, in our third project, by the deliberate replacement of non-emissive carboxylato ligands in known 3d-SMMs with their fluorescent analogues, without perturbing the metal-core structure and SMM properties (complexes 7, 8, and 9). The second route (last project) involves the use of naphthalene or pyridine-based polyalcohol bridging ligands for the synthesis of new polynuclear LnIII metal clusters (Ln = lanthanide) with novel topologies, SMM behaviors and luminescent properties arising from the increased efficiency of the “antenna” organic group. This approach has led us to the isolation of two new families of LnIII8 (complexes 10-13) and LnIII4 (complexes 14-20) clusters.

Ligand Design for Dual Property Single Molecule Magnets

This thesis describes two different approaches for the preparation of polynuclear clusters with interesting structural, magnetic and optical properties. Firstly, exploiting p-tert-butylcalix[4]arene (TBC4) macrocycles together with selected Ln(III) ions for the assembly of emissive single molecule magnets, and secondly the preparation and coordination of a chiral mpmH ligand with selected 3d transition metal ions, working towards the discovery of chiral polynuclear clusters. In Project 1, the coordination chemistry of the TBC4 macrocycle together with Dy(III) and Tb(III) afforded two Ln6[TBC4]2 complexes that have been structurally, magnetically and optically characterized. X-ray diffraction studies reveal that both complexes contain an octahedral core of Ln6 ions capped by two fully deprotonated TBC4 macrocycles. Although the unit cells of the two complexes are very similar, the coordination geometries of their Ln(III) ions are subtly different. Variable temperature ac magnetic susceptibility studies reveal that both complexes display single molecule magnet (SMM) behaviour in zero dc field and the energy barriers and associated pre-exponential factors for each relaxation process have been determined. Low temperature solid state photoluminescence studies reveal that both complexes are emissive; however, the f-f transitions within the Dy6 complex were masked by broad emissions from the TBC4 ligand. In contrast, the Tb(III) complex displayed green emission with the spectrum comprising four sharp bands corresponding to 5D4 → 7FJ transitions (where J = 3, 4, 5 and 6), highlighting that energy transfer from the TBC4 macrocycle to the Tb(III) ion is more effective than to Dy. Examples of zero field Tb(III) SMMs are scarce in the chemical literature and the Tb6[TBC4]2 complex represents the first example of a Tb(III) dual property SMM assembled from a p-tert-butylcalix[4]arene macrocycle with two magnetically derived energy barriers, Ueff of 79 and 63 K. In Project 2, the coordination of both enantiomers of the chiral ligand, α-methyl-2-pyridinemethanol (mpmH) to Ni(II) and Co(II) afforded three polynuclear clusters that have been structurally and magnetically characterized. The first complex, a Ni4 cluster of stoichiometry [Ni4(O2CCMe3)4(mpm)4]·H2O crystallizes in a distorted cubane topology that is well known in Ni(II) cluster chemistry. The final two Co(II) complexes crystallize as a linear mixed valence trimer with stoichiometry [Co3(mpm)6]·(ClO4)2, and a Co4 mixed valence complex [Co(II)¬2Co(III)2(NO3)2(μ-mpm)4(ONO2)2], whose structural topology resembles that of a defective double cubane. All three complexes crystallize in chiral space groups and circular dichroism experiments further confirm that the chirality of the ligand has been transferred to the respective coordination complex. Magnetic susceptibility studies reveal that for all three complexes, there are competing ferro- and antiferromagnetic exchange interactions. The [Co(II)¬2Co(III)2(NO3)2(μ-mpm)4(ONO2)2] complex represents the first example of a chiral mixed valence Co4 cluster with a defective double cubane topology.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Theory of Breaking of a Potyrner Molecule under Tension

The thesis presents the dynamics of a polymer chain under tension. It includes existing theories of polymer fracture, important theories of reaction rates, the rate using multidimensional transition state theory and apply it to the case of polyethylene etc. The main findings of the study are; the life time of the bond is somewhat sensitive to the potential lead to rather different answers, for a given potential a rough estimate of the rate can be obtained by a simples approximation that considers the dynamics of only the bond that breaks and neglects the coupling to neighboring bonds. Dynamics of neighboring bonds would decrease the rate, but usually not more than by one order of magnitude, for the breaking of polyethylene, quantum effects are important only for temperatures below 150K, the lifetime strongly depends on the strain and as the strain varies over a narrow range, the life varies rapidly from 105 seconds to 10_5 seconds, if we change one unit of the polymer by a foreign atom, say by one sulphure atom, in the main chain itself, by a weaker bond, the rate is found to increase by orders of magnitude etc.

Magnetism of isolated Mn12 single-molecule magnets detected by magnetic circular dichroism: Observation of spin tunneling with a magneto-optical technique

We report magnetic and magneto-optical measurements of two Mn12 single-molecule magnet derivatives isolated in organic glasses. Field-dependent magnetic circular dichroism (MCD) intensity curves (hysteresis cycles) are found to be essentially identical to superconducting quantum interference device magnetization results and provide experimental evidence for the potential of the optical technique for magnetic characterization. Optical observation of magnetic tunneling has been achieved by studying the decay of the MCD signal at weak applied magnetic field

Calculations of the polycentric linear molecule H^2+_3 with the finite element method

A fully numerical two-dimensional solution of the Schrödinger equation is presented for the linear polyatomic molecule H^2+_3 using the finite element method (FEM). The Coulomb singularities at the nuclei are rectified by using both a condensed element distribution around the singularities and special elements. The accuracy of the results for the 1\sigma and 2\sigma orbitals is of the order of 10^-7 au.

Systematic study of the static electrical properties of the CO molecule: influence of the basis set size and correlation energy

The influence of the basis set size and the correlation energy in the static electrical properties of the CO molecule is assessed. In particular, we have studied both the nuclear relaxation and the vibrational contributions to the static molecular electrical properties, the vibrational Stark effect (VSE) and the vibrational intensity effect (VIE). From a mathematical point of view, when a static and uniform electric field is applied to a molecule, the energy of this system can be expressed in terms of a double power series with respect to the bond length and to the field strength. From the power series expansion of the potential energy, field-dependent expressions for the equilibrium geometry, for the potential energy and for the force constant are obtained. The nuclear relaxation and vibrational contributions to the molecular electrical properties are analyzed in terms of the derivatives of the electronic molecular properties. In general, the results presented show that accurate inclusion of the correlation energy and large basis sets are needed to calculate the molecular electrical properties and their derivatives with respect to either nuclear displacements or/and field strength. With respect to experimental data, the calculated power series coefficients are overestimated by the SCF, CISD, and QCISD methods. On the contrary, perturbation methods (MP2 and MP4) tend to underestimate them. In average and using the 6-311 + G(3df) basis set and for the CO molecule, the nuclear relaxation and the vibrational contributions to the molecular electrical properties amount to 11.7%, 3.3%, and 69.7% of the purely electronic μ, α, and β values, respectively