A STUDY OF ION KINETIC ENERGY SPECTROMETRY OF FERROCENE DOUBLY CHARGED IONS IN GAS PHASE

The unimolecular charge separation reactions of the doubly charged ions FeC10H102+, FeC10H theta 2+, FeC10H82+ produced in the ion source by electron impact from ferrocene have been studied using Mass analyzed Ion Kinetic Energy Spectrometry (MIKES) technique. From the values of the kinetic energy releases (T), the intercharge distances (R) of the exploding doubly charged ions in their transition structures have been estimated and some structural informations about the transition states can be obtained. The collision induced reactions of the FeC10H102+ ion with Ar have been studied using MIKES, we postulate a new type of continuing reaction which may be "collisional charge separation induced dissociation".

Engineering of metal oxide interfaces for renewable energy applications

Diminishing non-renewable energy resources and planet-wide de-pollution on our planet are among the major problems which mankind faces into the future. To solve these problems, renewable energy sources such as readily available and inexhaustible sunlight will have to be used. There are however no readily available photocatalysts that are photocatalytically active under visible light; it is well established that the band gap of the prototypical photocatalyst, titanium dioxide, is the UV region with the consequence that only 4% of sun light is utilized. For this reason, this PhD project focused on developing new materials, based on titanium dioxide, which can be used in visible light activated photocatalytic hydrogen production and destruction of pollutant molecules. The main goal of this project is to use simulations based on first principles to engineer and understand rationally, materials based on modifying TiO2 that will have the following properties: (1) a suitable band gap in order to increase the efficiency of visible light absorption, with a gap around 2 – 2.5 eV considered optimum. (2). The second key aspect in the photocatalytic process is electron and hole separation after photoexcitation, which enable oxidation/reduction reactions necessary to i.e. decompose pollutants. (3) Enhanced activity over unmodified TiO2. In this thesis I present results on new materials based on modifying TiO2 with supported metal oxide nanoclusters, from two classes, namely: transition metal oxides (Ti, Ni, Cu) and p-block metal oxides (Sn, Pb, Bi). We find that the deposited metal oxide nanoclusters are stable at rutile and anatase TiO2 surfaces and present an analysis of changes to the band gap of TiO2, identifying those modifiers that can change the band gap to the desirable range and the origin of this. A successful collaboration with experimental researchers in Japan confirms many of the simulation results where the origin of improved visible light photocatalytic activity of oxide nanocluster-modified TiO2 is now well understood. The work presented in this thesis, creates a road map for the design of materials with desired photocatalytic properties and contributes to better understanding these properties which are of great application in renewable energy utilization.

Stability of 5-aminolevulinic acid in novel non-aqueous gel and patch-type systems intended for topical application.

Aminolevulinic acid (ALA) stability within topical formulations intended for photodynamic therapy (PDT) is poor due to dimerisation to pyrazine-2,5-dipropionic acid (PY). Most strategies to improve stability use low pH vehicles, which can cause cutaneous irritancy. To overcome this problem, a novel approach is investigated that uses a non-aqueous vehicle to retard proton-induced charge separation across the 4-carbonyl group on ALA and lessen nucleophilic attack that leads to condensation dimerisation. Bioadhesive anhydrous vehicles based on methylvinylether-maleic anhydride copolymer patches and poly(ethyleneglycol) or glycerol thickened poly(acrylic acid) gels were formulated. ALA stability fell below pharmaceutically acceptable levels after 6 months, with bioadhesive patches stored at 5°C demonstrating the best stability by maintaining 86.2% of their original loading. Glycerol-based gels maintained 40.2% in similar conditions. However, ALA loss did not correspond to expected increases in PY, indicating the presence of another degradative process that prevented dimerisation. Nuclear magnetic resonance (NMR) analysis was inconclusive in respect of the mechanism observed in the patch system, but showed clearly that an esterification reaction involving ALA and both glycerol and poly(ethyleneglycol) was occurring. This was especially marked in the glycerol gels, where only 2.21% of the total expected PY was detected after 204 days at 5°C. Non-specific esterase hydrolysis demonstrated that ALA was recoverable from the gel systems, further supporting esterified binding within the gel matrices. It is conceivable that skin esterases could duplicate this finding upon topical application of the gel and convert these derivatives back to ALA in situ, provided skin penetration is not affected adversely.

Macroscopic evidence of soliton formation in multiterawatt laser-plasma interaction

A novel physical phenomenon has been observed following the interaction of an intense (10(19) W/cm(2)) laser pulse with an underdense plasma. Long-lived, macroscopic bubblelike structures have been detected through the deflection that the associated electric charge separation causes in a proton probe beam. These structures are interpreted as the remnants of a cloud of relativistic solitons generated in the plasma by the ultraintense laser pulse. This interpretation is supported by an analytical study of the soliton cloud evolution, by particle-in-cell simulations, and by a reconstruction of the proton-beam deflection.

A multiconfigurational time-dependent Hartree-Fock method for excited electronic states. II. Coulomb interaction effects in single conjugated polymer chains

Conjugated polymers have attracted considerable attention in the last few decades due to their potential for optoelectronic applications. A key step that needs optimisation is charge carrier separation following photoexcitation. To understand better the dynamics of the exciton prior to charge separation, we have performed simulations of the formation and dynamics of localised excitations in single conjugated polymer strands. We use a nonadiabatic molecular dynamics method which allows for the coupled evolution of the nuclear degrees of freedom and of multiconfigurational electronic wavefunctions. We show the relaxation of electron-hole pairs to form excitons and oppositely charged polaron pairs and discuss the modifications to the relaxation process predicted by the inclusion of the Coulomb interaction between the carriers. The issue of charge photogeneration in conjugated polymers in dilute solution is also addressed. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3600404]

A simple and low-cost method for the preparation of self-supported TiO2-WO3 ceramic heterojunction wafers

Robust, bilayer heterojunction photodiodes of TiO₂-WO₃ were prepared successfully by a simple, low-cost powder pressing technique followed by heat-treatment. Exclusive photoirradiation of the TiO₂ side of the photodiode resulted in a rapid colour change (dark blue) on the WO₃ surface as a result of reduction of W⁶⁺ to W⁵⁺ (confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy). This colour was long lived and shown to be stable in a dry environment in air for several hours. A similar photoirradiation experiment in the presence of a mask showed that charge transfer across the heterojunction occurred approximately normal to the TiO₂ surface, with little smearing out of the mask image. As a result of the highly efficient vectorial charge separation, the photodiodes showed a tremendous increase in photocatalytic activity for the degradation of stearic acid, compared to wafers of the respective individual materials when tested separately.

Comparative study of bovine heart and bacillus subtilis cytochrome c oxidase vesicles and the influence of bulk pH on cytochrome c oxidase components

Studies on the steady state behavior of soluble cytochrome c oxidase are extensive. These studies have examined the influence of ionic strength and pH and may provide answers to questions such as the link between proton translocation and charge separation. The present study examined the influence of external bulk pH on ApH formation, biphasic kinetics, and steady state reduction of cytochromes c and a of cytochrome c oxidase in proteoliposomes. Bulk pH has an appreciable effect on ApH formation and steady state reduction levels of cytochromes c and 8. Bulk pH affected total Vmax and Km at the low affinity binding site of cytochrome c. This study also examined the influence of bovine serum albumin and free fatty acids on proton pumping activity in bovine heart proteoliposomes. Proton pumping activity decreased after treatment with BSA, and was subsequently reinstated after further treatment with FFA. Much study in the superfamily of haem/copper oxidases has recently been devoted to the bacterial oxidases. The present study has examined some protein composition characteristics and bioenergetic features of Bacillus subtilis cytochrome caa3 oxidase. Results provide evidence for the structural composition of the enzyme in relation to the covalently bound cytochrome c to the oxidas~. Bioenergetically, caa3 COV showed appreciable proton pumping activity. Steady state analysis of the caa3 COV showed significantly different cytochrome c and a reduction characteristics compared to the bovine enzyme.

Dynamique de recombinaison dans les puits quantiques InGaN/GaN

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation.

Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Mise en place de l'expérience d'absorption transitoire femtoseconde et son application sur des dérivés du pérylène diimide

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dynamique de recombinaison radiative dans les nanofils InGaN/GaN : étude détaillée de la photoluminescence

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Dynamique de séparation de charges à l'hétérojonction de semi-conducteurs organiques

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk