Photomultiplier nonlinear response in time-domain laser-induced luminescence spectroscopy

A new procedure to find the limiting range of the photomultiplier linear response of a low-cost, digital oscilloscope-based time-resolved laser-induced luminescence spectrometer (TRLS), is presented. A systematic investigation on the instrument response function with different signal input terminations, and the relationship between the luminescence intensity reaching the photomultiplier and the measured decay time are described. These investigations establish that setting the maximum intensity of the luminescence signal below 0.3V guarantees, for signal input terminations equal or higher than 99.7 ohm, a linear photomultiplier response.

Defects in Persistent Luminescence Materials

Persistent luminescence materials can store energy from solar radiation or artificial lighting and release it over a period of several hours without a continuous excitation source. These materials are widely used to improve human safety in emergency and traffic signalization. They can also be utilized in novel applications including solar cells, medical diagnostics, radiation detectors and structural damage sensors. The development of these materials is currently based on methods based on trial and error. The tailoring of new materials is also hindered by the lack of knowledge on the role of their intrinsic and extrinsic lattice defects in the appropriate mechanisms. The goal of this work was to clarify the persistent luminescence mechanisms by combining ab initio density functional theory (DFT) calculations with selected experimental methods. The DFT approach enables a full control of both the nature of the defects and their locations in the host lattice. The materials studied in the present work, the distrontium magnesium disilicate (Sr₂MgSi₂O₇) and strontium aluminate (SrAl₂O₄) are among the most efficient persistent luminescence hosts when doped with divalent europium Eu²⁺ and co-doped with trivalent rare earth ions R³⁺ (R: Y, La-Nd, Sm, Gd-Lu). The polycrystalline materials were prepared with the solid state method and their structural and phase purity was confirmed by X-ray powder diffraction. Their local crystal structure was studied by high-resolution transmission electron microscopy. The crystal and electronic structure of the nondoped as well as Eu²⁺, R^2+/3+ and other defect containing materials were studied using DFT calculations. The experimental trap depths were obtained using thermoluminescence (TL) spectroscopy. The emission and excitation of Sr₂MgSi₂O₇:Eu²+,Dy³⁺ were also studied. Significant modifications in the local crystal structure due to the Eu²⁺ ion and lattice defects were found by the experimental and DFT methods. The charge compensation effects induced by the R³⁺ co-doping further increased the number of defects and distortions in the host lattice. As for the electronic structure of Sr₂MgSi₂O₇ and SrAl₂O₄, the experimental band gap energy of the host materials was well reproduced by the calculations. The DFT calculated Eu²⁺ and R^2+/3+ 4fn as well as 4f^n-15d¹ ground states in the Sr₂MgSi₂O₇ band structure provide an independent verification for an empirical model which is constructed using rather sparse experimental data for the R³⁺ and especially the R²⁺ ions. The intrinsic and defect induced electron traps were found to act together as energy storage sites contributing to the materials’ efficient persistent luminescence. The calculated trap energy range agreed with the trap structure of Sr₂MgSi₂O₇ obtained using TL measurements. More experimental studies should be carried out for SrAl₂O₄ to compare with the DFT calculations. The calculated and experimental results show that the electron traps created by both the rare earth ions and vacancies are modified due to the defect aggregation and charge compensation effects. The relationships between this modification and the energy storage properties of the solid state materials are discussed.

Luminescence-based assay methods in drug discovery

The drug discovery process is facing new challenges in the evaluation process of the lead compounds as the number of new compounds synthesized is increasing. The potentiality of test compounds is most frequently assayed through the binding of the test compound to the target molecule or receptor, or measuring functional secondary effects caused by the test compound in the target model cells, tissues or organism. Modern homogeneous high-throughput-screening (HTS) assays for purified estrogen receptors (ER) utilize various luminescence based detection methods. Fluorescence polarization (FP) is a standard method for ER ligand binding assay. It was used to demonstrate the performance of two-photon excitation of fluorescence (TPFE) vs. the conventional one-photon excitation method. As result, the TPFE method showed improved dynamics and was found to be comparable with the conventional method. It also held potential for efficient miniaturization. Other luminescence based ER assays utilize energy transfer from a long-lifetime luminescent label e.g. lanthanide chelates (Eu, Tb) to a prompt luminescent label, the signal being read in a time-resolved mode. As an alternative to this method, a new single-label (Eu) time-resolved detection method was developed, based on the quenching of the label by a soluble quencher molecule when displaced from the receptor to the solution phase by an unlabeled competing ligand. The new method was paralleled with the standard FP method. It was shown to yield comparable results with the FP method and found to hold a significantly higher signal-tobackground ratio than FP. Cell-based functional assays for determining the extent of cell surface adhesion molecule (CAM) expression combined with microscopy analysis of the target molecules would provide improved information content, compared to an expression level assay alone. In this work, immune response was simulated by exposing endothelial cells to cytokine stimulation and the resulting increase in the level of adhesion molecule expression was analyzed on fixed cells by means of immunocytochemistry utilizing specific long-lifetime luminophore labeled antibodies against chosen adhesion molecules. Results showed that the method was capable of use in amulti-parametric assay for protein expression levels of several CAMs simultaneously, combined with analysis of the cellular localization of the chosen adhesion molecules through time-resolved luminescence microscopy inspection.

Frequency-Domain and Wide-Pulse Time-Domain Measurements of Lanthanide Luminescence and Lanthanide-Based Resonance Energy Transfer

Resonance energy transfer (RET) is a non-radiative transfer of the excitation energy from the initially excited luminescent donor to an acceptor. The requirements for the resonance energy transfer are: i) the spectral overlap between the donor emission spectrum and the acceptor absorption spectrum, ii) the close proximity of the donor and the acceptor, and iii) the suitable relative orientations of the donor emission and the acceptor absorption transition dipoles. As a result of the RET process the donor luminescence intensity and the donor lifetime are decreased. If the acceptor is luminescent, a sensitized acceptor emission appears. The rate of RET depends strongly on the donor–acceptor distance (r) and is inversely proportional to r6. The distance dependence of RET is utilized in binding assays. The proximity requirement and the selective detection of the RET-modified emission signal allow homogeneous separation free assays. The term lanthanide-based RET is used when luminescent lanthanide compounds are used as donors. The long luminescence lifetimes, the large Stokes’ shifts and the intense, sharply-spiked emission spectra of the lanthanide donors offer advantages over the conventional organic donor molecules. Both the organic lanthanide chelates and the inorganic up-converting phosphor (UCP) particles have been used as donor labels in the RET based binding assays. In the present work lanthanide luminescence and lanthanide-based resonance energy transfer phenomena were studied. Luminescence lifetime measurements had an essential role in the research. Modular frequency-domain and time-domain luminometers were assembled and used successfully in the lifetime measurements. The frequency-domain luminometer operated in the low frequency domain ( 100 kHz) and utilized a novel dual-phase lock-in detection of the luminescence. One of the studied phenomena was the recently discovered non-overlapping fluorescence resonance energy transfer (nFRET). The studied properties were the distance and temperature dependences of nFRET. The distance dependence was found to deviate from the Förster theory and a clear temperature dependence was observed whereas conventional RET was completely independent of the temperature. Based on the experimental results two thermally activated mechanisms were proposed for the nFRET process. The work with the UCP particles involved the measurement of the luminescence properties of the UCP particles synthesized in our laboratory. The goal of the UCP particle research is to develop UCP donor labels for binding assays. In the present work the effect of the dopant concentrations and the core–shell structure on the total up-conversion luminescence intensity, the red–green emission ratio, and the luminescence lifetime was studied. Also the non-radiative nature of the energy transfer from the UCP particle donors to organic acceptors was demonstrated for the first time in aqueous environment and with a controlled donor–acceptor distance.

Switchable Lanthanide Luminescence for Detection of Biomolecules

Binary probes are oligonucleotide probe pairs that hybridize adjacently to a complementary target nucleic acid. In order to detect this hybridization, the two probes can be modified with, for example, fluorescent molecules, chemically reactive groups or nucleic acid enzymes. The benefit of this kind of binary probe based approach is that the hybridization elicits a detectable signal which is distinguishable from background noise even though unbound probes are not removed by washing before measurement. In addition, the requirement of two simultaneous binding events increases specificity. Similarly to binary oligonucleotide probes, also certain enzymes and fluorescent proteins can be divided into two parts and used in separation-free assays. Split enzyme and fluorescent protein reporters have practical applications among others as tools to investigate protein-protein interactions within living cells. In this study, a novel label technology, switchable lanthanide luminescence, was introduced and used successfully in model assays for nucleic acid and protein detection. This label technology is based on a luminescent lanthanide chelate divided into two inherently non-luminescent moieties, an ion carrier chelate and a light harvesting antenna ligand. These form a highly luminescent complex when brought into close proximity; i.e., the label moieties switch from a dark state to a luminescent state. This kind of mixed lanthanide complex has the same beneficial photophysical properties as the more typical lanthanide chelates and cryptates - sharp emission peaks, long emission lifetime enabling time-resolved measurement, and large Stokes’ shift, which minimize the background signal. Furthermore, the switchable lanthanide luminescence technique enables a homogeneous assay set-up. Here, switchable lanthanide luminescence label technology was first applied to sensitive, homogeneous, single-target nucleic acid and protein assays with picomolar detection limits and high signal to background ratios. Thereafter, a homogeneous four-plex nucleic acid array-based assay was developed. Finally, the label technology was shown to be effective in discrimination of single nucleotide mismatched targets from fully matched targets and the luminescent complex formation was analyzed more thoroughly. In conclusion, this study demonstrates that the switchable lanthanide luminescencebased label technology can be used in various homogeneous bioanalytical assays.

Upconverting diagnostics: Multiplex assays utilizing upconversion luminescence technology

Conventional diagnostics tests and technologies typically allow only a single analysis and result per test. The aim of this study was to propose robust and multiplex array-inwell test platforms based on oligonucleotide and protein arrays combining the advantages of simple instrumentation and upconverting phosphor (UCP) reporter technology. The UCPs are luminescent lanthanide-doped crystals that have a unique capability to convert infrared radiation into visible light. No autofluorescence is produced from the sample under infrared excitation enabling the development of highly sensitive assays. In this study, an oligonucleotide array-in-well hybridization assay was developed for the detection and genotyping of human adenoviruses. The study provided a verification of the advantages and potential of the UCP-based reporter technology in multiplex assays as well as anti-Stokes photoluminescence detection with a new anti- Stokes photoluminescence imager. The developed assay was technically improved and used to detect and genotype adenovirus types from clinical specimens. Based on the results of the epidemiological study, an outbreak of adenovirus type B03 was observed in the autumn of 2010. A quantitative array-in-well immunoassay was developed for three target analytes (prostate specific antigen, thyroid stimulating hormone, and luteinizing hormone). In this study, quantitative results were obtained for each analyte and the analytical sensitivities in buffer were in clinically relevant range. Another protein-based array-inwell assay was developed for multiplex serodiagnostics. The developed assay was able to detect parvovirus B19 IgG and adenovirus IgG antibodies simultaneously from serum samples according to reference assays. The study demonstrated that the UCPtechnology is a robust detection method for diverse multiplex imaging-based array-inwell assays.

From Molecular Blocks To Bioanalytical Assays: Combining Lanthanide Luminescence and Bioaffinity Binders for Protein Detection

Measuring protein biomarkers from sample matrix, such as plasma, is one of the basic tasks in clinical diagnostics. Bioanalytical assays used for the measuring should be able to measure proteins with high sensitivity and specificity. Furthermore, multiplexing capability would also be advantageous. To ensure the utility of the diagnostic test in point-of-care setting, additional requirements such as short turn-around times, ease-ofuse and low costs need to be met. On the other hand, enhancement of assay sensitivity could enable exploiting novel biomarkers, which are present in very low concentrations and which the current immunoassays are unable to measure. Furthermore, highly sensitive assays could enable the use of minimally invasive sampling. In the development of high-sensitivity assays the label technology and affinity binders are in pivotal role. Additionally, innovative assay designs contribute to the obtained sensitivity and other characteristics of the assay as well as its applicability. The aim of this thesis was to study the impact of assay components on the performance of both homogeneous and heterogeneous assays. Applicability of two different lanthanide-based label technologies, upconverting nanoparticles and switchable lanthanide luminescence, to protein detection was explored. Moreover, the potential of recombinant antibodies and aptamers as alternative affinity binders were evaluated. Additionally, alternative conjugation chemistries for production of the labeled binders were studied. Different assay concepts were also evaluated with respect to their applicability to point-of-care testing, which requires simple yet sensitive methods. The applicability of upconverting nanoparticles to the simultaneous quantitative measurement of multiple analytes using imaging-based detection was demonstrated. Additionally, the required instrumentation was relatively simple and inexpensive compared to other luminescent lanthanide-based labels requiring time-resolved measurement. The developed homogeneous assays exploiting switchable lanthanide luminescence were rapid and simple to perform and thus applicable even to point-ofcare testing. The sensitivities of the homogeneous assays were in the picomolar range, which are still inadequate for some analytes, such as cardiac troponins, requiring ultralow limits of detection. For most analytes, however, the obtained limits of detection were sufficient. The use of recombinant antibody fragments and aptamers as binders allowed site-specific and controlled covalent conjugation to construct labeled binders reproducibly either by using chemical modification or recombinant technology. Luminescent lanthanide labels were shown to be widely applicable for protein detection in various assay setups and to contribute assay sensitivity.

NIR-Vis Up-Conversion Luminescence in the Yb3+,Er3+ Doped Y2O2S, ZrO2, and NaYF4 Nanomaterials

Since the discovery of the up-conversion phenomenon, there has been an ever increasing interest in up-converting phosphors in which the absorption of two or more low energy photons is followed by emission of a higher energy photon. Most up-conversion luminescence materials operate by using a combination of a trivalent rare earth (lanthanide) sensitizer (e.g. Yb or Er) and an activator (e.g. Er, Ho, Tm or Pr) ion in a crystal lattice. Up-converting phosphors have a variety of potential applications as lasers and displays as well as inks for security printing (e.g. bank notes and bonds). One of the most sophisticated applications of lanthanide up-conversion luminescence is probably in medical diagnostics. However, there are some major problems in the use of photoluminescence based on the direct UV excitation in immunoassays. Human blood absorbs strongly UV radiation as well as the emission of the phosphor in the visible. A promising way to overcome the problems arising from the blood absorption is to use a long wavelength excitation and benefit from the up-conversion luminescence. Since there is practically no absorption by the whole-blood in the near IR region, it has no capability for up-conversion in the excitation wavelength region of the conventional up-converting phosphor based on the Yb3+ (sensitizer) and Er3+ (activator) combination. The aim of this work was to prepare nanocrystalline materials with high red (and green) up-conversion luminescence efficiency for use in quantitative whole-blood immunoassays. For coupling to biological compounds, nanometer-sized (crystallite size below 50 nm) up-converting phosphor particles are required. The nanocrystalline ZrO2:Yb3+,Er3+, Y2O2S:Yb3+,Er3+, NaYF4:Yb3+,Er3+ and NaRF4-NaR’F4 (R: Y, Yb, Er) materials, prepared with the combustion, sol-gel, flux, co-precipitation and solvothermal synthesis, were studied using the thermal analysis, FT-IR spectroscopy, transmission electron microscopy, EDX spectroscopy, XANES/EXAFS measurements, absorption spectroscopy, X-ray powder diffraction, as well as up-conversion and thermoluminescence spectroscopies. The effect of the impurities of the phosphors, crystallite size, as well as the crystal structure on the up-conversion luminescence intensity was analyzed. Finally, a new phenomenon, persistent up-conversion luminescence was introduced and discussed. For efficient use in bioassays, more work is needed to yield nanomaterials with smaller and more uniform crystallite sizes. Surface modifications need to be studied to improve the dispersion in water. On the other hand, further work must be carried out to optimize the persistent up-conversion luminescence of the nanomaterials to allow for their use as efficient immunoassay nanomaterials combining the advantages of both up-conversion and persistent luminescence.

Novel Cellular Luminescence Probes for Immunological and Toxicological Assessments

Escherichia coli K-12 (pEGFPluxABCDEAmp) (E. coli-lux), constitutively emitting bioluminescence (BL), was constructed and its BL emitting properties tested in different growth and killing conditions. The BL emission directly correlated with the number of viable E. coli-lux cells, and when subjected to the antimicrobial agent, the diminishment of the BL signal was linked directly to the number of killed bacterial cells. The method provided a very convenient application, especially when compared to conventional plate counting assays. This novel real-time based method was utilized in both immunological and toxicological assessments. The parameters such as the activation phase, the lytic phase and the capacity of the killing of the serum complement system were specified not only in humans but also in other species. E. coli-lux was also successfully used to study the antimicrobial activities of insect haemolymph. The mechanisms of neutrophil activity, like that of a myeloperoxidase (MPO)-H2O2-halide system, were studied using the E. coli-lux approach. The fundamental role of MPO was challenged, since during the actual killing in described circumstances in phagolysosome the MPO system was inactivated and chlorination halted. The toxicological test system, assessing indoor air total toxicity, particularly suitable for suspected mold damages, was designed based on the E. coli-lux method. Susceptibility to the vast number of various toxins, both pure chemicals and dust samples from the buildings and extracts from molds, were investigated. The E. coli-lux application was found to possess high sensitivity and specificity attributes. Alongside the analysis system, the sampling kit for indoor dust was engineered based on the swipe stick and the container. The combination of practical specimen collector and convenient analysis system provided accurate toxic data from the dust sample within hours. Neutrophils are good indicators of the pathophysiological state of the individual, and they can be utilized as a toxicological probe due to their ability to emit chemiluminescence (CL). Neutrophils can either be used as probe cells, directly exposed to the agent studied, or they can act as indicators of the whole biological system exposed to the agent. Human neutrophils were exposed to the same toxins as tested with the E. coli-lux system and measured as luminol amplified CL emission. The influence of the toxins on the individuals was investigated by exposing rats with moniliniformin, the mycotoxin commonly present in Finnish grains. The activity of the rat neutrophils was found to decrease significantly during the 28 days of exposure.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Études spectroscopiques expérimentales et théoriques de complexes de métaux de transition

Cette thèse présente une série d'études qui visent la compréhension de la structure électronique de complexes de métaux de transition en employant diverses méthodes de spectroscopie. L'information sur la structure électronique aide à comprendre et développer des nouveaux matériaux, des nouvelles voies de synthèses, ainsi que des nouveaux modèles théoriques. Habituellement, afin d'explorer la structure électronique d'un système qui comporte en son centre un métal de transition, l'information fournie par les spectres d'un seul composé n'est pas suffisante. On étudie une série de composés similaires, qui ont le même métal de transition à un degré d'oxydation donné, ainsi que des ligands qui forment des liaisons de différentes forces et caractéristiques avec le métal. Cependant, ces changements, bien qu'on les désire de faible impact, créent une grande perturbation de la structure électronique visée par les études. Afin d'étudier en profondeur une seule structure électronique, nous employons une stratégie d'analyse moins perturbante. Nous appliquons une pression hydrostatique sur les complexes de métaux de transition. Cette pression perturbe le système suffisamment pour nous livrer davantage d'informations sur la structure électronique, sans la « dénaturer ». Afin d'étudier précisément ces systèmes perturbés, la technique d'application de pression est conjuguée, dans la littérature, aux diverses techniques de spectroscopie d'absorption UV-visible, de luminescence, ainsi que de diffusion Raman. Pour extraire un maximum d'informations de ces expériences, on emploie des techniques de calculs de structure électronique ainsi que de dynamique des noyaux. Dans cette thèse, on tente de mettre en lumière la structure électronique de composés de molybdène(IV), de platine(II) et palladium(II) à l'aide de la technique de pression couplée aux spectroscopies de luminescence et de diffusion Raman. Dans le chapitre 3, on observe un déplacement de la bande de luminescence de +12 cm-1/kbar entre la pression ambiante et 25 kbar pour le complexe trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4, dont le centre métallique molybdène(IV)est de configuration électronique 4d2. Il s'agit de la première variation positive observée pour un complexe de type métal-oxo. À des pressions plus élevées, la tendance s'inverse. Le maximum d'énergie de la bande de luminescence se déplace de -8 cm-1/kbar. Ce changement de variation présage d'une compétition interne entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. À l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, on propose un mécanisme pour expliquer ce phénomène. Au cours du chapitre 4, on étudie des complexes de palladium(II) et de platine(II) qui ont les mêmes ligands. Un de ces ligands est le 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). On constate qu'à basse pression le ligand est bidentate. Par contre, lorsque la pression augmente, on constate, par exemple à l'aide du complexe [Pt(ttcn)Cl2], qu'une interaction anti-liante supplémentaire se produit entre le ligand ttcn et le métal, ce qui change la nature de l'orbitale HOMO. On observe un déplacement de la bande de luminescence de -19 cm-1/kbar. Tel que pour le complexe de molybdène(IV), le déplacement de la bande de luminescence dépend de la compétition entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. L'interaction liante entre l'ion platine(II) et l'atome de soufre axial est l'effet le plus plausible qui peut induire un déplacement de la bande de luminescence vers les basses énergies. Ceci nous indique que cette interaction domine. Par contre, pour ce qui est du complexe palladium(II), la compétition est remportée par d'autres effets, car le déplacement de la bande de luminescence est de +6 cm-1/kbar. Encore une fois, des calculs, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, aident à explorer les causes de ces observations en suggérant des explications corroborées simultanément par les diverses expériences de spectroscopie. Lors du chapitre 5, une étude plus exacte de la structure électronique ainsi que de la dynamique des noyaux de complexes de métaux de transition est présentée. En effet, les complexes de palladium(II) et de platine(II), de type [M(X)4]2-, ont une structure simple, très symétrique. Le premier état excité de ces molécules subit la distorsion Jahn-Teller. On veut établir un protocole de travail pour les expérimentateurs afin d'analyser des spectres de molécules pour lesquelles l'approximation de Born-Oppenheimer n'est pas valide. On utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps ainsi que le modèle de Heidelberg afin de décrire des effets non adiabatique. On tente d'établir l'influence des effets non adiabatiques sur les spectres de ce type de complexe.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de la diffusion dans les hydrogels polymères par spectroscopie et imagerie RMN

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal