Sondes luminescentes à base de lanthanides solubles dans l'eau

par Pascal N'Guessan Kadjane

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Raymond Ziessel.

Soutenue en 2009

à Strasbourg .

mots clés

• Lanthanides
• Europium
• Terbium
• Platine
• Transfert d'énergie
• Sondes fluorescentes
• Luminophores
• Luminescence
• Marqueurs biologiques
• Spectroscopie de luminescence -- Mesure
• Métaux de transition -- Complexes
• Métaux des terres rares

Résumé

La très forte sensibilité des méthodes analytiques basées sur la fluorescence a conduit au développement de nouveaux marqueurs fluorescents pour l’analyse et l’imagerie biologique. Cependant, l’utilisation de ces marqueurs est limitée par des problèmes d’autofluorescence des milieux biologiques et de diffraction de lumière. L’utilisation de luminophores possédant un temps de vie de luminescence long couplé à la détection du signal en temps résolu permet de s’affranchir de ces problèmes et d’augmenter la sensibilité de détection. Les chélates d’ions lanthanides, en particulier d’europium et de terbium, se sont avérés être de très bons candidats, notamment du fait de leurs longs temps de vie de l’état excité. Dans ces complexes l’excitation directe des ions lanthanides étant difficile à obtenir, celle-ci a lieu indirectement par l’intermédiaire de chromophores organiques qui absorbent généralement la lumière UV, créant des risques de photodégradation. Dans un premier temps, ce travail a porté sur la synthèse de ligands organiques et de métalloligands à base de platine permettant d’étudier le déplacement vers le visible des propriétés d’absorption des complexes d’europium. Dans un deuxième temps, nous avons synthétisé des complexes d’europium et de terbium à partir de ligands nonadentade à base de bispyrazolylpyridine et étudié leurs propriétés spectroscopiques (absorption, émission, rendement quantique et temps de vie de luminescence). Ces complexes possèdent de très bonnes propriétés de complexation et de luminescence et la méthode synthétique utilisée permet l’introduction d’une fonction carboxylate, potentiellement activable en ester de NHS pour le marquage covalent de matériel biologique. Certains chélates d’europium ont été testés en imagerie cellulaire et en absorption biphotonique, permettant d’envisager leur utilisation en microscopie à deux photons, par excitation dans le rouge ou le proche infra-rouge. Pour un complexe d’ytterbium soluble dans l’eau et possédant une fonction de greffage, le temps de vie de luminescence très élevé (1,6 ms) permet d’envisager des applications à la détection en temps résolu dans le proche infra-rouge.

Titre traduit

Lanthanide-based water soluble luminescent probes

Résumé

The high sensitivity of analytical methods based on fluorescence has led to the development of new fluorescent markers for biological analysis and imaging. However, the use of these dyes is limited by the selffluorescence of biological media and light scattering. The use of long-lived luminophores coupled to time-resolved detection of the signal allow to avoid these problems and to enhance the detection sensitivity. The lanthanide ion chelates, in particular of europium and terbium, proved to be good candidates due to their long-lived excited states lifetimes. In these complexes, the direct excitation of lanthanide being difficult to achieve, it is indirectly obtained through organic chromophores, absorbing in the UV, creating risks of photodegradation. This work was first based on the synthesis of organic ligands and platinum-based metalloligands allowing to study the displacement of the absorption properties of europium complexes toward the visible region. Then, we synthesised europium and terbium complexes from nonadentate ligands based on bispyrazolylpyridine and studied their spectroscopic properties (absorption, emission, luminescence quantum yield and lifetime). These complexes possess good complexation and luminescence properties and the synthetic methodology permits the introduction of a carboxylate function, potentially activable into NHS ester for biological labelling. Some europium chelates have been tested in cell imaging and others for their biphotonic absorption properties (allowing the excitation of the complexes in the red or infra-red region). For a water soluble ytterbium complex possessing a grafting function, the long-lived luminescence lifetime (1,6 ms) opens perspectives for time-resolved detection in the infra-red region.