Modélisation des propriétés photophysiques de capteurs chimiques pour des applications de détection de cations par fibre optique

Chemical Sensors : Modelling the Photophysics of Cation Detection by Organic Dyes

• Auteur / Autrice : Claire Tonnelé
• Direction : Frédéric Castet, Roberto Lazzaroni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique
• Date : Soutenance le 24/09/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1 en cotutelle avec Université de Mons-Hainaut (1965-2009)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux) - Institut des Sciences Moléculaires / ISM
• Jury : Président / Présidente : Toussaint Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Beljonne, Jean-Luc Brédas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mark Van der auweraer, Luisa De Cola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de produits chimiques

Optique non linéaire

Chimie quantique

Mots clés libres

Détection de cation

Chromoionophore

Chimie quantique

Relations structure-propriétés optiques

Capteur à fibre optique

Cation detection

Chromoionophore

Quantum-chemical calculations

Structure-optical properties relationships

Rational design

Fiber-optic sensor

Résumé

La présence croissante de diverses substances dans notre environnement, conséquencedes activités anthropiques de ces dernières décennies, a entraîné un besoingrandissant et urgent de nouveaux matériaux et dispositifs dans la quête de senseurschimiques efficaces et fiables. D'énormes progrès technologiques ont permis de mettreà disposition toute une gamme d'outils techniques pour leur développement, enprenant en compte les exigences à respecter en terme de sélectivité ou de rapidité deréponse, entre autres. Dans ce contexte, les méthodes de chimie quantique permettentune compréhension fondamentale des processus en jeu dans la détection des espèceschimiques, et par extension, l'élaboration de manière rationnelle de nouveauxmatériaux sensibles. Certaines molécules organiques pouvant être largementfonctionnalisées, elles constituent un point de départ idéal en raison des importantesmodulations possibles de leurs propriétés par des modifications structuralesappropriées.Cette étude vise à développer de manière rationnelle des chromoionophores pour lacomplexation de cations par une approche combinant méthodes de chimiecomputationnelles et caractérisation par spectroscopie optique. Deux pointsprincipaux ont été traités à l'aide de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité(DFT) et son extension dépendante du temps (TD-DFT): d'une part les relationsstructure moléculaire-propriétés optiques de chromophores, d'autre part le phénomènede complexation. En particulier, la détection de l'ion Zn2+, démontrée de manièrethéorique et expérimentale, est finalement réalisée après intégration du senseurmoléculaire dans un dispositif à fibre optique.

The increasing presence of various substances in our environment has brought abouta growing need for rapid emergence of new materials and devices in the quest forefficient and reliable chemical sensors. Massive technological progress have madeavailable an extensive range of technical tools to serve their development, accountingfor the requirements to be fulfilled (selectivity, quick response..). In this context,quantum chemistry methods provide a fundamental understanding of the processes atstake in the detection of chemical species and allow for rational design of sensingmaterials. Certain organic molecules can be extensively functionalised and thusconstitute an evident starting point owing to the tunability of their propertiesprovided by appropriate choice of structural modifications. The versatility of somechromophores associated to the selectivity offered by receptor units constitute theresearch playground for the development of ever better chemosensors.The present research aims at the rational development of chromoionophores for thecomplexation of cations, combining computational chemistry methods with basicspectroscopic characterisation. Using Density Functional Theory (DFT) and its timedependentextension (TD-DFT), two main aspects were treated, namely therelationship between molecular structure and optical properties of organicchromophores featuring valuable characteristics, and the complexation phenomenon.Photophysics of Zn2+ ion detection were more specifically studied, and recognitionwas demonstrated with both quantum-chemical calculations and experiments,accounting for the future integration of the chemical sensor in an optical fibre device.