Dissertations / Theses on the topic 'Fluorescence and Raman spectroscopy'

Protein based biopharmaceuticals are becoming increasingly popular therapeutic agents. Recent changes to the legislation governing stem cell technologies will allow many further developments in this field. Characterisation of these therapeutic proteins poses numerous analytical challenges. In this work we address several of the key characterisation problems; detecting glycosylation, monitoring conformational changes, and identifying contamination, using vibrational spectroscopy. Raman and infrared spectroscopies are ideal techniques for the in situ monitoring of bioprocesses as they are non-destructive, inexpensive, rapid and quantitative. We unequivocally demonstrate that Raman spectroscopy is capable of detecting glycosylation in three independent systems; ribonuclease (a model system), transferrin (a recombinant biopharmaceutical product), and GFP (a synthetically glycosylated system). Raman data, coupled with multivariate analysis, have allowed the discrimination of a glycoprotein and the equivalent protein, deglycosylated forms of the glycoprotein, and also different glycoforms of a glycoprotein. Further to this, through the use of PLSR, we have achieved quantification of glycosylation in a mixture of protein and glycoprotein. We have shown that the vibrational modes which are discriminatory in the monitoring of glycosylation are relatively consistent over the three systems investigated and that these bands always include vibrations assigned to structural changes in the protein, and sugar vibrations that are arising from the glycan component. The sensitivity of Raman bands arising from vibrations of the protein backbone to changes in conformation is evident throughout the work presented in this thesis. We used these vibrations, specifically in the amide I region, to monitor chemically induced protein unfolding. By comparing these results to fluorescence spectroscopy and other regions of the Raman spectrum we have shown that this new method provides improved sensitivity to small structural changes. Finally, FT-IR spectroscopy, in tandem with supervised machine learning methods, has been applied to the detection of protein based contaminants in biopharmaceutical products. We present a high throughput vibrational spectroscopic method which, when combined with appropriate chemometric modelling, is able to reliably classify pure proteins and proteins ‘spiked’ with a protein contaminant, in some cases at contaminant concentrations as low as 0.25%.

Photoactivated fluorescence from individual silver nanoclusters ranging in size from 2 8 atoms has been demonstrated at room temperature. The optical properties of such clusters are far superior to those of fluorescence dyes with absorption cross sections ~50 times stronger than those of even the best organic dyes. The strong oscillator strengths produced from such nanoclusters has been shown to yield comparable enhancement factors in the surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) process to those observed in the presence of a plasmon- supporting nanoparticle. Raman transitions are in fact so strong that antistokes scattering is also observable on a single molecule (SM) level marking the first true demonstration of SM-SERS to date. Capable of generating true scaffold specific Raman scattering on the single molecule level, the combination of fluorescence from the small nanoclusters and strong observed Raman signals in the absence of a nanoparticle strongly indicate a chemical or charge transfer SERS enhancement mechanism.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Chemistry, 2016.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 133-145).
Semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs) have been used in solid state light emission applications ranging from fluorescent downconverters to LEDs and lasers, as well as energy generation devices such as solar photovoltaics and thermoelectrics. In order to realize these myriad applications, the fundamental physics of both electronic and vibrational energy transfer must be understood to engineer better device performance. This thesis begins with a general introduction to the physics and chemistry of QDs as well as an introduction to lattice vibrations, including a proposed model for understanding thermal conductivity in solid state QD-based devices. It continues with a discussion of the methods used to understand the photoluminescence and vibrational characteristics of QDs, including spectrally-resolved time-correlated single photon counting measurements to understand QD photoluminescence lifetime as a function of emission wavelength, and low-frequency Raman spectroscopy to measure acoustic phonons in nanocrystal solids. These two chapters serve as an introduction to the ideas and methods used throughout the thesis. In Chapter 3, Förster theory is used in conduction with spectrally- and temporally-resolved photoluminescence spectroscopy to understand the rates of excitonic energy transfer in CdSe/CdZnS core/shell QDs through a calculation of the effective dipole-dipole coupling distance known as the Förster radius. This work demonstrated energy transfer rates between donor and acceptor QDs between 10-100 times faster than the predictions based on standard applications of Förster theory, corresponding to an effective Förster radius of 8-9 nm in close packed QD films. Several possible effects, including an enhanced absorption cross section, ordered dipole orientations, or dipole-multipole coupling, can explain the observed difference between our measurements and the Förster theory predictions, demonstrating that several standard assumptions commonly used for calculating QD resonant energy transfer rates must be carefully considered when the QDs are in a thin-film geometry. Chapters 4-5 involve the use of low-frequency Raman spectroscopy to probe acoustic phonons in QDs. These low-frequency acoustic vibrations affect the electronic, optical, and thermal properties of semiconductor nanocrystals, and the ability to rationally tune these modes would offer a powerful strategy for controlling phonon-assisted processes. Chapter 4 demonstrates that surface chemistry can be used to manipulate the low-frequency acoustic vibrations of CdSe QDs, and shows in particular that surface-bound ligands modify the resonant vibrational frequencies of the core. This effect is more pronounced for smaller nanocrystals, where the surface ligands constitute a larger fraction of the overall mass. A continuum mechanics model that explicitly includes the ligand shell quantitatively reproduces most of our experimental results. This model can be extended to understand the effect of inorganic shells as well, and we demonstrate that by growing a CdS epitaxial shell we can achieve reduction in acoustic phonon frequencies by more than 70% compared to the CdSe core alone. In Chapter 5, these low frequency phonons are further measured as a function of temperature. Low-temperature measurements allow the unambiguous assignment of overtone modes in large CdSe/CdS nanocrystals to a higher order (n = 2) vibrational mode rather than a multiphonon mode. Additionally, the acoustic phonon frequency is shown to vary with temperature though the linewidth remains constant for a variety of sizes of QDs. This variation of frequency without a corresponding broadening suggests that the pure volume contribution to the temperature-dependent phonon energies dominates over phononphonon interactions through anharmonic coupling.
by Anna Jolene Mork.
Ph. D.

Many attempts have been made to reduce fluorescence backgrounds in Raman spectra. A critical appraisal of fluoresence rejection techniques reveals that while many techniques are available which improve the Raman/fluorescence ratio (R/F), very few actually increase the spectral signal/noise (R/N), which is the most important parameter. Temporal-resolution of Raman and fluorescence photons was investigated in this laboratory, using a picosecond-laser system and gated photon detection. Two detection methods were evaluated. The first, an intensified diode array detector (DAD), could be gated "on" for periods of ca. 5 ns, at rates of up to 5kHz. This gave a 5-fold increase in R/F, but a slight reduction in R/N, for a fluorescor with τ(_f) ̴̱ 1O.5 ns. The R/N degradation arose as a result of the low laser output intensity at kHz pulse rates, rather than inefficiency in fluorescence rejection. The second method used a continuously-operated photomultiplie tube (PMT), and time-correlated photon counting with ca. 1 ns timing-resolution. This yielded R/F and R/N improvements of ca. 15 and 3 respectively (τ(_f) ̴̱ 12 ns).Although efficient fluorescence rejection was obtained with each system, the corresponding R/N enhancements were not practically significant. However, the development of theoretical models describing the performance of each system has identified modifications which should give valuable improvements. These include the use of a laser with MW peak powers at kHz pulse rates (DAD system), and use of a microchannel-plate PMT with 50 ps timing resolution. When these (and other) modifications are made, significant R/N enhancements (ca. 7 and 13 (DAD and PMT systems respectively)) are expected, thus enabling the study of the majority of "real world" samples. In addition, the limiting theoretical and practical performance of time-resolved rejection is considered, and several hitherto unreported aspects of the behaviour of the laser and detection systems are discussed. Other techniques were also evaluated, in particular utilising the differing Raman and fluorescence response to variations in laser intensity. While the non-linear fluorescence responseto intensity variations of cw lasers has been previously exploited, simple calculations indicate that the use of high-powered pulsed sources could allow discrimination at ca. 100-fold lower average powers. However, a satisfactory test of the calculations requires the construction of apparatus not presently available in this laboratory.

Functional properties of biological molecules and cells are affected by environmental parameters such as temperature and pressure. While Raman spectroscopy provides an intrinsic probe of molecular structural changes, the incorporation of a microscope enables studies of minuscule amounts of biological compounds with spatial resolution on a micron scale. We have developed a novel setup which combines a Raman microscope and a high pressure cell. A micro-capillary made out of fused silica simultaneously serves as the supporting body and the optical window of the pressure cell. The cell has been tested over the pressure range from 0.1 to 4 kbar. Raman spectra of less than 100 nanoliter amount of amino acid and protein solutions have been measured in the micro-capillary high pressure cell. It is also demonstrated that the setup is well suited for spectrally resolved fluorescence measurements at variable pressure.
M.S.
Department of Physics
Sciences
Physics MS

In order to provide an alternative to day-old chick culling in the layer hatcheries, a noninvasive method for egg sexing is required at an early stage of incubation before onset of embryo sensitivity. Fluorescence and Raman spectroscopy of blood offers the potential for precise and contactless in ovo sex determination of the domestic chicken (Gallus gallus f. dom.) eggs already during the fourth incubation day. However, such kind of optical spectroscopy requires a window in the egg shell, is thus invasive to the embryo and leads to decreased hatching rates. Here, we show that near infrared Raman and fluorescence spectroscopy can be performed on perfused extraembryonic vessels while leaving the inner egg shell membrane intact. Sparing the shell membrane makes the measurement minimally invasive, so that the sexing procedure does not affect hatching rates. We analyze the effect of the membrane above the vessels on fluorescence signal intensity and on Raman spectrum of blood, and propose a correction method to compensate for it. After compensation, we attain a correct sexing rate above 90% by applying supervised classification of spectra. Therefore, this approach offers the best premises towards practical deployment in the hatcheries.

Ek’ Balam is a Maya archaeological site located in Yucatán, Mexico. Due to its considerable size, the quality of its monumental architecture, and its substantial epigraphic record, archaeologists believe that it was a powerful regional polity throughout the Late and Terminal Classic period. As part of restoration projects conducted in the early 2000s, Vandenabeele et al. (2005a) employed Raman spectroscopy using a traditional benchtop spectrometer as well as an early portable Raman spectrometer to analyze thirty-three samples of a wall painting from Room 23 of the Ek’ Balam Acropolis. In the present thesis, these same samples were analyzed using two new mobile Raman spectrometers. The B&WTek i-Raman EX is a portable spectrometer that utilizes a 1064-nm excitation source and a TE-cooled InGaAs detector, while the Bruker BRAVO is a handheld spectrometer that uses a dual laser excitation source and employs a patented process known as Sequentially Shifted Excitation (SSETM) to automatically subtract fluorescence. By comparing current results to the data acquired in 2005, the performance of these two relatively new spectrometers was evaluated. The results show that the new instruments successfully captured spectra of calcite, haematite, cinnabar, Maya blue, and carbon black, all of which were reported in the original study. In addition, the new data indicates the presence of limewash putty or slaked lime, as well as the possible presence of oxalates. Although the new instruments showed some disadvantages with regard to spot size, focusing capabilities, spectral resolution, and signal-to-noise ratio when compared to benchtop instrumentation, the results indicate that the new mobile spectrometers show a great deal of promise for future cultural heritage studies, especially in cases where sampling cannot occur or can only occur sparingly; Resumo: Ek’ Balam é um sítio arqueológico Maya localizado em Yucatán, no México. Devido ao seu tamanho, a qualidade de sua arquitetura monumental e seu registro epigráfico substancial, os arqueólogos acreditam o sitio Ek' Balam como evidencia duma política regional poderosa durante todo o período clássico final e terminal. No âmbito de projetos de restauração conduzidos no início de 2000, Vandenabeele et al (2005a) utlizou espectroscopia Raman usando um modelo de bancada tradicional, bem como um espectrômetro Raman portátil antigo para analisar 33 amostras de uma pintura de parede da Sala 23 da Acrópole Ek' Balam. Na presente tese, as mesmas amostras foram analisadas usando dois espectrômetros Raman portáteis relativamente inovativos. O sistema B & WTek i-Raman é um espectrômetro portátil que utiliza uma fonte de excitação de 1064 nm e detector InGaAs, enquanto o Bruker BRAVO é um espectrômetro portátil que usa um sistema de laser duplo e emprega um processo patenteado conhecido como Sequentially Shifted Excitation (SSETM) para subtrair automaticamente a fluorescência. Ao comparar os resultados atuais com os dados mais antigos adquiridos em 2005, o desempenho desses dois espectrômetros relativamente novos foi avaliado. Os resultados mostram que os novos instrumentos capturaram com sucesso os espectros de calcita, hematita, cinábrio, azul Maya e carbono, todos relatados no estudo original. Além disso, os novos dados indicam a presença de massa de cal ou cal apagada, bem como a possível presença de oxalatos, que não puderam ser detectados em 2005. Embora os novos instrumentos apresentem algumas desvantagens em comparação com a instrumentação de bancada, incluindo o tamanho do ponto, capacidades de foco, resolução espectral e relação sinal-ruído, os resultados indicam que os novos espectrômetros portáteis mostram uma grande promessa para futuros estudos de patrimônio cultural, especialmente em casos onde a amostragem não pode ocorrer ou pode ocorrer apenas com moderação.

Bioengineering
M.S.
Raman spectroscopy is an effective optical analysis of the biochemically specific characterization of tissues without contrast agents or exogenous dyes. Applications of Raman spectroscopy include analysis and biomarker investigation, disease diagnosis and surgical guidance. One major challenge in Raman spectroscopy is removing inherent fluorescence background present in samples to acquire Raman signatures. In some tissues, like liver, kidney and darkly pigment skin, the auto-fluorescence background is strong enough to overwhelm the Raman peaks in conventional Near-Infrared (NIR) Raman systems. Recent publications have shown that using Raman systems with excitation sources with wavelengths beyond 830 nm and short-wave infrared (SWIR) InGaAs Array detectors resulted in dramatically reduced auto-fluorescence. The unique characteristics of Raman signals collected from SWIR systems versus NIR Raman systems requires inspection of the suitability of spectral pre-processing techniques. This thesis focused on the development of spectral processing techniques at three different steps; 1) detector background & noise reduction; 2) Auto-fluorescence background subtraction; 3) detection of outlier measurements to assist statistical classification. Detector background and noise reduction was compared between two different techniques, and a direct subtraction method resulted in better performance to reduce fixed pattern noise unique to InGaAs arrays. For the aim 2, three different algorithms for fluorescence background removal were developed, and a modified polynomial fitting method was found to be most appropriate for the low signal-to-noise (SNR) spectra. Finally, local outlier factor(LOF), a multivariate statistical outlier metric, was implemented in a two-stage fashion, and shown to be effective at identifying raw measurement errors and Raman spectra outliers. The overall outcome of this thesis was the evaluation of spectral processing techniques for SWIR Raman spectroscopy systems, and the development of specific techniques to optimize data quality and best prepare spectra for statistical analysis.
Temple University--Theses

Since the mid 1980s, Raman and X-ray fluorescence spectroscopy have become instrumental techniques that can be easily and successfully applied to chemical analysis. In this respect, scientific studies of works of art and the materials used in their creation are one of the fields that have received great impulse.
Several reasons for the spectroscopic investigation of antiquities and art objects can be pointed out. One of them is the interest in the materials and techniques in use during a certain period or region. This knowledge may be utilized for roughly dating the art object (retrieving pigments with a known date of invention may indicate that the artifact dates from a more recent period). Another reason is that this analysis is a useful source of information during a restoration or conservation treatment, and signs of a previous restoration, retouching or even forgeries can be found.

At the beginning of this century investigation in cultural heritage became an important research field that posed great scientific interest, requiring unprecedented interdisciplinary knowledge of a wide spectrum of areas such as history, archaeology, physics, chemistry, engineering, chemometrics and many other disciplines. On the other hand, improvements in the instrumental techniques used have been the goal of many important studies. Even more, in this decade the investigation has been focalized on the development of a new generation of instruments which allows the combination of complementary analytical techniques along with the advantage of portable instrumentation. Both improvements permit a robust and non-destructive chemical analysis of works of art which are difficult or impossible to study in a laboratory (highly valuable masterpieces, large paintings, and wall paintings).
Chemometrics methods are the necessary complement to these instrumental improvements. In order to maximize the robustness of these instruments, automatic and robust data processing tools are needed to obtain the maximum possible information from a work of art.
This doctoral thesis presents a framework to perform data-fusion systems for classification analysis of pigments investigated in the field of cultural heritage. These systems were developed and evaluated within a European Community research project, the main objective of which was to develop a portable micro Raman and micro X-ray fluorescence instrument (PRAXIS).

The general aim of this doctoral thesis is to study different strategies for the implementation of Raman-XRF data-fusion systems, in order to improve classification analysis of pigments investigated in the field of cultural heritage. This study takes into account the nature of the different interferences usually encountered in these types of signals and its elimination by developing dedicated algorithms. Moreover, this study evaluates automation in classification analysis by developing inference systems.


In order to reach that global aim these particular objectives are defined:

1) To study the nature of stochastic events and signal interferences present in Raman and XRF spectroscopy in order to enable the implementation of chemometrics techniques for classification. This is done in more detail for Raman data, due to the fact that this technique is mainly used in this field for "fingerprint" analysis. The methodology used is Wavelet transform and the improvements achieved in this area are presented in a paper entitled Noise and background removal in Raman spectra of ancient pigments using wavelet transform.
2) To establish the capabilities of a fuzzy logic system for automatic pigment identification. This issue is presented in a paper entitled Fuzzy logic for identifying pigments studied by Raman spectroscopy.
3) To review the current state-of-art of data-fusion in analytical chemistry and to establish actual data-fusion methodologies onto a Raman-XRF sensor fusion system. The performance of each data-fusion architecture is discussed in a paper entitled Micro Raman and X-ray fluorescence spectroscopy data fusion for the classification of ochre pigments.
4) To improve data-fusion methodologies by dual-domain analysis achieved by Wavelet transform. The achievements are presented in two papers Data fusion and dual-domain classification analysis of pigments studied in works of art and Data fusion in the wavelet domain by means of fuzzy aggregation connectives.
5) To define the necessary parameters and propose a methodology to implement data-fusion strategies in Raman and XRF spectroscopy.

Structure

The thesis has been structured in different chapters, each one containing the following information:

Chapter 1 is a theoretical chapter; the first part gives an overview of the basic concepts and latest advances in the fields of micro-Raman spectroscopy and micro-X ray fluorescence spectrometry. The characteristics of a new instrument which combines both techniques are presented along with the improvements achieved in that area. In the second part, the background of chemometrics techniques used in this work is presented.

Chapter 2 introduces the framework for the study of ancient pigments. It describes the nature of samples analyzed and gives an overview of the different techniques used in the creation of works of art throughout the years. Finally, the instruments used in this doctoral thesis for preliminary and final validation analysis are described.

Chapter 3 deals with the data pre-treatment needed before applying chemometric techniques, both for classification and data-fusion. In that respect, the first part focuses on the principles of Wavelet transform as a tool to eliminate signal interferences. This chapter includes a paper in which the development of an innovative method to eliminate noise and background signals from Raman spectra simultaneously is presented. It has been successfully applied for Raman spectra of ancient pigments.

Chapter 4 presents a preliminary study of automatic analysis of pigments by means of soft computing solutions such as Fuzzy logic. A published paper is presented in which Fuzzy logic is used to perform an automatic system for pigment identification. This study is extended to a fusion model and X-ray fluorescence analysis data is incorporated in the developed identification system. The ability of fuzzy logic to process imprecise information is described in the last part of this chapter.

Chapter 5 deals with three data-fusion architectures and their analysis by means of hard computing solutions as Principal components analysis (PCA) and Partial least squares - discriminant analysis (PLS-DA). The models are implemented for the classification of a set of ancient pigments from Byzantine iconography. Benefits and drawbacks of each method are pointed out.

Chapter 6 incorporates a new innovative strategy for data-fusion. The fusion of data in the wavelet domain is discussed and two approaches are presented for Raman and X-ray fluorescence data-fusion: Mid-level and High level dual domain data-fusion. Both are used and successfully applied for the automatic identification of pigments in classification problems with different levels of difficulty. Two papers are included in which both methods are used for the classification of ancient pigments, which face difficult identification problems. These two methods combine the benefits described in the previous chapters of this thesis with the consequent improvement of classification results. The developed systems are suitable to perform a rapid and automatic classification of ancient pigments.

Chapter 7 presents a review of the state of the art regarding data-fusion. The different steps necessary to achieve a proper data fusion are discussed.

Finally, Chapter 8 presents the conclusions of the thesis and suggests some possible issues for future research.




Fusión de datos en espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X para la identificación de pigmentos en trabajos de arte
Desde mediados de los años 80s, las espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X (XRF) se pueden considerar técnicas instrumentales de fácil aplicación en el análisis químico. Uno de los ámbitos de gran aplicación de dichas técnicas se centra en el estudio científico de una obra de arte y de los materiales utilizados en su creación.
Existen varias razones para la investigación de antigüedades y objetos de arte por medio de técnicas espectroscópicas. Una de ellas es el estudio de los materiales y técnicas aplicados durante un cierto período o en una determinada región. Este conocimiento puede ser muy útil para ubicar aproximadamente un objeto de arte en una determinada época o periodo. Otra razón es que este análisis es una importante fuente de información para la restauración o el tratamiento de conservación, y permite encontrar señales de una restauración anterior, de repintado o de falsificaciones.

Desde el comienzo de este siglo, la investigación en el patrimonio cultural se sitúa como un campo de la investigación importante con un gran interés científico. Esta investigación, requiere un importante trabajo multidisciplinario que implica a especialistas en áreas como historia, arqueología, física, química, ingeniería, quimiometría y otras disciplinas. Por otro lado, el objetivo de muchos trabajos científicos y estudios importantes, ha sido el desarrollo y las mejoras en estas técnicas instrumentales de análisis. Más aun, en esta década la investigación está enfocada en el desarrollo de una nueva generación de instrumentos que permiten la combinación de técnicas analíticas complementarias junto con la ventaja de una instrumentación portátil. Ambas mejoras permiten un análisis químico robusto y no destructivo de los objetos de arte, en especial de aquellos en los que resulta difícil o casi imposible de estudiar en un laboratorio. Como por ejemplo obras de arte de gran valor y pertenecientes al patrimonio cultural del país, pinturas de grandes dimensiones y pinturas realizadas en murales.

Los métodos Quimiométricos de análisis son el complemento necesario a estas mejoras instrumentales. Con objeto de aumentar al máximo la robustez de estos instrumentos, es necesario proveerlos de herramientas de procesamiento automáticas y robustas para obtener el máximo de información del objeto bajo estudio.
Esta tesis doctoral, presenta un marco de referencia para realizar fusión de datos para la clasificación e identificación de pigmentos estudiados en el campo de patrimonio cultural. Estos sistemas se desarrollan y evalúan dentro de un proyecto de investigación de la comunidad europea. El objetivo principal de este proyecto ha sido desarrollar un instrumento portátil para realizar espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos-X (PRAXIS).

El objetivo general de esta tesis doctoral es estudiar diferentes estrategias para el desarrollo de sistemas de fusión de datos Raman y XRF para mejorar la clasificación de pigmentos. Este estudio contempla la naturaleza de las distintas interferencias que habitualmente se encuentran en estos tipos de mediciones (espectros) y su eliminación por medio del desarrollo de metodologías adecuadas. También, se evalúa la posibilidad de automatización en el proceso de clasificación.


Para alcanzar este objetivo global, se definen los siguientes objetivos particulares:

1) Estudiar la naturaleza de eventos estocásticos (ruido) e interferencias habitualmente presentes en espectroscopia Raman y XRF, con el fin de facilitar la aplicación de técnicas quimiométricas de clasificación. Este estudio se realiza más profundamente para los espectros obtenidos por espectroscopia Raman, ya que es la técnica principalmente utilizada en este campo para una identificación del tipo "huella digital." La metodología usada es la transformada Wavelet y las mejoras logradas se presentan en un artículo titulado "Ruido y eliminación de señales de fondo en espectros Raman de pigmentos antiguos por medio de la transformada Wavelet".
2) Establecer un sistema de lógica difusa para la identificación automática de pigmentos. Este estudio se presenta en un articulo titulado "Lógica difusa para identificar pigmentos estudiados por espectroscopia Raman".
3) Estudiar la situación actual de aplicaciones y desarrollos de fusión de datos en química analítica y establecer las metodologías de fusión de datos reales en un instrumento Raman-XRF. Los resultados obtenidos en distintos modelos de fusión de datos se discute en un articulo titulado "Fusión de espectros Raman y de fluorescencia de rayos X para la clasificación de pigmentos ocres".
4) Mejorar las metodologías de fusión de datos por medio del análisis en el dominio dual dado por la transformada Wavelet. Los logros obtenidos se presentan en dos artículos "Fusión de espectros y análisis de clasificación en el dominio dual de pigmentos estudiados en obras de arte" y "Fusión de datos en el dominio Wavelet por medio de conectores de agregado difuso".
5) definir los parámetros necesarios y proponer a una metodología llevar a cabo las estrategias de fusión de espectros en espectroscopias Raman y XRF.

Estructura

La tesis ha sido la estructura en capítulos diferentes, donde cada uno contiene la siguiente información:

El capítulo 1 es un capítulo teórico; donde en una primera parte se da una apreciación global de los conceptos básicos y de los últimos adelantos en espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X. Las características de un nuevo instrumento que combina ambas técnicas se presentan junto con las mejoras logradas en él. En una segunda parte, se describen las técnicas quimiométricas usadas en este trabajo.

El capítulo 2 describe la naturaleza de las muestras estudiadas y de su uso en la creación de obra de arte. Finalmente, se describen instrumentos Raman y XRF usados en esta tesis doctoral.

El capítulo 3 presenta el tratamiento necesario en los datos antes de aplicar las técnicas quimiométricas, ya sea para la clasificación y/o fusión de datos. En ese sentido, se presenta un estudio de la aplicación de la transformada Wavelet como una herramienta para eliminar las interferencias señaladas. Este capítulo incluye un artículo en el que nosotros presentamos el desarrollo de un método innovador para eliminar simultáneamente las señales de ruido y fondo es espectros Raman.

El capítulo 4 presenta un estudio preliminar del análisis automático de pigmentos por medio de la lógica difusa. Se presenta artículo donde la lógica difusa es utilizada para realizar un sistema automático de identificación de pigmentos. Este estudio se extiende a un modelo de fusión y por el cuál la información obtenida por XRF es incorporada en el sistema de identificación desarrollado.

El capítulo 5 presenta tres arquitecturas de fusión de datos y el posterior análisis por medio de técnicas quimiométricas como el análisis de componentes Principal (PCA) y la regresión por mínimos cuadrados parciales para análisis discriminante (PLS-DA). Los modelos se llevan a cabo con el estudio de pigmentos antiguos referidos a la iconografía bizantina. Esta parte acaba señalando los beneficios y desventajas de cada método.

El capítulo 6 presenta una nueva estrategia para la fusión de datos, que es la fusión de datos en el dominio del wavelet. Se discuten los fundamentos y se presentan dos modelos de fusión de datos Raman y XRF en el dominio wavelet: El nivel medio y el nivel alto, ambos se aplican a la identificación automática de pigmentos. Dos artículos son incluidos, donde se describen ambos métodos y se presenta su aplicación para la clasificación de pigmentos antiguos.

El Capítulo 7 presenta un estudio sobre el estado actual en la investigación de fusión de datos y su aplicación en química analítica. Las etapas necesarias para desarrollar métodos apropiados de fusión de análisis.

Finalmente, en el capítulo 8 presenta las conclusiones de la tesis y propone posibles trabajos de investigación futura.

This project set out to examine the possibility that by acquiring Raman spectra and performing multi-photon imaging we can get better diagnosis and understanding of the biochemistry of an individual cancerous tumour and distinguish it from the healthy tissue. Within the frame of this study, colorectal primary and secondary cancer cells are examined with Raman spectroscopy in order to (i) study and distinguish them according to their chemical composition by applying multivariate methods and (ii) determine whether Raman spectroscopy can identify the cells which are the link between primary and secondary colorectal cancer cells, the so-called Cancer Stem Cells. The second part of this thesis is based on tissue studies. Human colorectal tissue sections are examined in a label-free manner with the use of multi-photon imaging modes (i) Two photon excitation fluorescence, (ii) stimulated Raman scattering and (iii) second harmonic generation, in order to determine whether these can provide fast and accurate diagnosis of colorectal cancer. These techniques were able to distinguish between healthy and cancerous tissue regions, based on the chemically-specific images of the tissue microenvironment and architecture. The hypothesis of Cancer stem cell is examined with the use of Raman spectroscopy shown that the CSCs have some small differences according to their tissue origin.

Deux études distinctes mettant en oeuvre la détection et l'analyse de signaux spectroscopiques optiques de molécules individuelles- colorants ou molécules organiques- ont été menées.
Par microscopie grand champ de fluorescence, l'émission de molécules uniques de pérylène orange insérées dans un film solgel mince, par enregistrement de films d'une large zone de l'échantillon sur laquelle plus d'une centaine d'émetteurs individuels sont détectés, fournit des informations sur cette espèce et la matrice sondée. Pour exploiter les films, un outil logiciel a été développé. Les processus de photoblanchiment, la mobilité moléculaire, la nucléation des molécules excitées sont mis en évidence et discutés. On note une grande richesse des dynamiques temporelles d'émission, mais aussi des spectres qui reflètent notamment la reconformation proposée du pérylène orange excité. Il s'ensuit l'existence de nombreux nanoenvironnements différents dans la matrice poreuse.
Par microscopie confocale à balayage, le signal de diffusion Raman exaltée de surface de molécules uniques organique adsorbées sur des agrégats d'argent de morphologie complexe est exploité. Certains objets présentent une exaltation géante, estimée être de plus de 14 ordres de grandeur, ce qui permet l'enregistrement de spectres résolus en seulement une seconde. L'analyse chimique offerte permet de distinguer différentes espèces, et la présence nécessaire sur ces points chauds d'Ag+ est démontrée. Une caractérisation corrélée par microscopie électronique des agrégats actifs repérés met aussi en avant l'existence d'une morphologie privilégiée, avec de nombreuses protubérances de dimension nanométrique et interstices.

Orientador: René Alfonso Nome Silva
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química
Made available in DSpace on 2018-08-27T06:54:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dantas_WillianFranciscoCordeiro_M.pdf: 2446830 bytes, checksum: a6ef77a86d65956736e20e7c5e22ff59 (MD5) Previous issue date: 2015
Resumo: A espectroscopia vibracional de femtossegundos da vizinhança é ideal para caracterizar os movimentos moleculares da vizinhança acoplados com o sistema eletrônico captador de luz. No caso dos movimentos nucleares intramoleculares, isto pode ser realizado tanto por infravermelho quanto por Raman, ambos de femtossegundos. No caso de movimentos intermoleculares, a dinâmica de femtossegundos somente pode ser caracterizada com experimento Raman coerente, e, por essa razão, é importante sabermos qual é o comportamento do clorofórmio em um experimento de femtossegundo. Dessa forma, pode-se realizar a comparação entre os dados experimentais e teóricos e concluir se o comportamento observado experimentalmente é o mesmo que o esperado. Este trabalho explora a análise de Franck-Condon para os espectros de emissão do pireno com dependência da temperatura. Assume-se que uma progressão vibrônica de bandas no formato de Lorenzianas pode representar o formato das bandas de emissão do fluoróforo. Consequentemente, é possível obter alguns parâmetros, como a largura de linha das bandas obtidas, as intensidades relativas dos picos observados (valores que são utilizados para encontrar os fatores de Huang-Rhys), a variação do comprimento de onda de emissão com o aumento da temperatura e a área integrada dos espectros
Abstract: The femtosecond vibrational spectroscopy of the neighborhood is ideal to characterize the molecular movements of the neighborhood coupled with the electronics pickup light. In the case of intra-molecular nuclear movements, this can be accomplished either by infrared and Raman both femtosecond. In the case of intermolecular movements, the dynamics of femtosecond can only be characterized with coherent Raman experiment, and so it is important to know the behavior of chloroform in a femtosecond experiment. Thus, it is possible to make a comparison between experimental and theoretical data and conclude that the observed experimentally is the same behavior expected. This work explores the Franck-Condon analysis for the emission spectra of pyrene in dependence on temperature. It is assumed that a vibronic bands in the progression Lorenzianas shape may represent the format of fluorophore emission bands. Consequently, it is possible to obtain some parameters such as the line width of the bands obtained, the relative intensities of the observed peaks (values that are used to find the Huang-Rhys factors), the variation of emission wavelength with increasing temperature and the integrated area of the spectra
Mestrado
Físico-Química
Mestre em Química

Dès l'Antiquité, les oculistes, médecins spécialisés dans le soin des yeux, utilisaient des médicaments solides sophistiqués appelés collyres. Ils étaient composés de substances minérales, végétales et animales. Ce travail résulte d'une collaboration interdisciplinaire destinée à préciser la composition chimique et les structures des phases inorganiques ainsi que les procédés de fabrication de ces collyres. Les techniques analytiques mises en œuvre sont la spectroscopie Raman, la spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) et la diffraction des rayons X (XRD). L'étude de la stabilité de réplicas à base de sels métalliques (plomb, zinc, cuivre, fer), fréquemment mentionnés dans les textes antiques, a permis de préciser les phases initialement présentes dans ces médicaments. Quatre collections de collyres archéologiques (Musée Gallo-Romain de Lyon, Musée d'Archéologie Nationale, Cabinet des Médailles de la BnF, Musée Atestino d'Este) ont été étudiées sur site au moyen d'instruments portables. Une méthodologie, combinant les résultats obtenus par XRF et par XRD, a été développée afin d'obtenir les proportions entre les phases inorganiques présentes. Les compositions obtenues par analyses physico-chimiques ont ainsi été comparées aux compositions décrites dans les textes anciens et, pour la première fois, des liens entre les deux ont été établis
In the Antiquity, oculists (eye care specialised physicians) mixed mineral, vegetal and animal substances to prepare elaborate solid medicines termed collyria. In an interdisciplinary work, we investigated the chemical composition, the inorganic phases structure and the manufacturing process of such collyria. The implemented analytical techniques were Raman spectroscopy, X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD). The stability of metallic salts based replicas prepared according to ancient texts recipes was studied in order to identify the pristine phases. Four collections of archaeological collyria (Musée Gallo-Romain de Lyon, Musée d’Archéologie Nationale, Cabinet des Médailles de la BnF, Musée Atestino d’Este) were studied on site, using portable devices. A methodology combining XRF and XRD results was developed to quantify the inorganic phases distribution. For the first time, a straight relationship was established between compositions obtained by physico-chemical analysis and ancient recipes

Les techniques de spectroscopies optiques fournissent des informations moléculaires sur un échantillon. Leur séparation est nécessaire pour identifier les espèces présentes et analyser leur distribution spatiale. La modélisation des données et l'analyse de leurs propriétés nous permettent de désigner des techniques de séparation de sources propres à chaque spectroscopie. La positivité et la forme à variations lentes des spectres suggèrent l'utilisation de la Factorisation en Matrices Non-négatives (FMN) pour séparer les informations. Son efficacité est illustrée sur des grains de blé et d'orge dont les acides phénoliques principaux sont identifiés par la FMN. L'acide férulique, constituant principal de la couche à aleurone qui est indicatrice de la qualité d'une farine, peut être utilisé comme un indicateur de la contamination d'une farine par les sons. Ensuite, une méthode de déparaffinage numérique basée sur l'association de la spectroscopie Raman et de l'Analyse en Composantes Indépendantes (ACI) est proposée. La propriété d'indépendance chimique entre les espèces constitutives d'un échantillon et les propriétés de parcimonie et de décorrélation de leurs spectres Raman suffisent à admettre leur indépendance mutuelle. L'application de l'ACI permet d'estimer les spectres de la paraffine, de la fluorine et du tissu sous-jacent. Lors de l'application de cette procédure sur des échantillons paraffinés de peau, la paraffine est prouvée comme modélisable par trois sources indépendantes, et les spectres d'épidermes de mélanome et de naevus sont isolés. La mise en évidence de descripteurs moléculaires rend possible la discrimination entre ces deux types de pathologies
Optical spectroscopies give molecular informations of a sample. The separation of these informations is required in order to identify pure present chemical species and analyze their spatial distribution. The modelization of spectroscopic data and the analysis of their properties lead to choose source separation techniques well suited for each spectroscopy. Positivity and smooth shape of fluorescence spectra suggest the use of Non-negative Matrix Factorization (NMF) to separate spectra. Its efficacy is illustrated on wheat and barley grains. Their major phenolic acids are identified by NMF. Ferulic acid is the major component of the aleuron layer. This layer is an indicator of the quality of a flour. This acid can be used as an indicator of the bran contamination of a flour. Then, a method to numerically dewax samples is proposed. It is based on the association of Raman spectroscopy with Independent Component Analysis (ICA). Chemical independence of pure species and sparsity and decorrelation of their Raman spectra are sufficient to assume their mutual independence. The application of ICA leads to the estimation of spectra of paraffin, fluorine and the underlying tissue. This dewaxing process is applied on paraffinised skin tissues. Paraffin must be modeled by three independent sources and spectra of melanoma and nevi epidermis can be isolated by this numerical dewaxing process. The discrimination between these two pathologies is possible thanks to molecular descriptors that has been found

Un traitement local des tumeurs exige le développement de médicaments sélectifs et efficaces. C'est dans cette perspective que ce travail s'appuie sur la puissance de nouvelles méthodes optiques et notamment la technique d'imagerie spectrale confocale (ISC) de fluorescence et de diffusion Raman qui est ici présentée et développée. Cette technique permet de préciser la distribution et les propriétés d'une drogue en milieu cellulaire, à partir de ses spectres mesurés à l'aide d'un microscope confocal. De nouvelles approches d'étude de substances à potentiel anti-tumoral sont expérimentées in situ dans des cellules maintenues en survie et des coupes de tissus. Il est montré que cette même approche à base d'ISC peut être utilisée pour étudier les interactions et les mécanismes d'action biologique de médicaments fluorescents et même non-fluorescents, aux différents niveaux d'organisation du milieu vivant. Dans la deuxième partie de ce travail, une étude approfondie de nouveaux agents prometteurs pour les thérapies photodynamique (PDT) et catalytique binaire a été effectuée. Ces produits, notamment les sulfonates de phthalocyanine d'aluminium ; l'octacarboxyphthalocyanine de cobalt ; les sulfonates de phtalocyanine sans métal ; la 3-formyl-3-devinylchlorine p6 et la 131,151-N-(3-hydroxypropyl) cycloimide chlorine p6, ont été successivement analysés et optimisés afin d'établir les structures correspondant aux modes d'action les plus efficaces. Ainsi, une véritable stratégie de mise au point de médicament est proposée. Elle a permis, en particulier, de révéler une forte activité photodynamique des sulfonates de phthalocyanine sans métal, considérées jusqu'à présent sans intérêt thérapeutique et de développer de nouveaux photosensibilisateurs à base de chlorine p6 optimisés pour une absorption dans le rouge lointain et proche IR, fenêtre de transparence des tissus biologiques.

In this thesis methodological developments have been made for the description of flexible conjugated dyes in room temperature spectrum calculations. The methods in question target increased accuracy and efficiency by combining classical molecular dynamics (MD) simulations with time-dependent response theory spectrum calculations. For absorption and fluorescence spectroscopies a form of conformational averaging is used, where the final spectrum is obtained as an average of spectra calculated for geometries extracted from ground and excited state MD simulations. For infrared and Raman spectroscopies averaged spectra are calculated based on individual spectra, obtained for zero-temperature optimized molecular structures, weighted by conformational statistics from MD trajectories. Statistics for structural properties are also used in both cases to gain additional information about the systems, allowing more efficient utilization of computational resources. As it is essential that the molecular mechanics description of the system is highly accurate for methods of this nature to be effective, high quality force field parameters have been derived, describing the molecules of interest in either the MM3 or CHARMM force fields. These methods have been employed in the study of three systems. The first is a platinum(II) actylide chromophore used in optical power limiting materials, for which a ultraviolet/visible absorption spectrum has been calculated. The second is a family of molecular probes called luminescent conjugated oligothiophenes, used to detect and characterize amyloid proteins, for which both absorption and fluorescence spectra have been calculated. Finally, infrared and Raman spectra have been calculated for a group of branched oligothiophenes used in organic solar cells. In addition, solvation effects have been studied for conjugated poly\-eletrolytes in water, resulting in the development of two solvation models suitable for this class of molecules. The first uses a quantum meachanics/molecular mechanics (QM/MM) description, in which the solute mole\-cule is described using accurate quantum mechanical methods while the surrounding water molecules are described using point charges and polarizable point dipoles. The second discards the water entirely and removes the ionic groups of the solute. The QM/MM model provides highly accurate results while the cut-down model gives results of slightly lower quality but at a much reduced computational cost. Finally, a study of protein-dye interactions has been performed, with the goal of explaining changes in the luminescence properties of the LCO chromophores when in the presence of amyloid proteins. Results were less than conclusive.

La plasmonique hybride est un sujet d’actualité qui exploite des interactions physiques entre nano-objets métalliques et d’autres nanomatériaux. En bénéficiant des propriétés de chacun de leurs constituants, les nanostructures hybrides sont utilisées dans de nombreuses applications comme la détection d’espèces bio-chimiques. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle nanostructure hybride polymère/metal qui est non seulement utilisée comme nano-émetteur anisotrope qui s’avère aussi être un outil puissant de caractérisation du champ proche optique.La fabrication de cette nouvelle nanostructure est basée sur une approche de par photopolymérisation à l’échelle nanométrique. Cette technique, en comparaison aux méthodes traditionnelles de caractérisation, ne fournit pas seulement l’image de la distribution du champ, mais permet aussi des mesures quantitatives des plasmons de surface avec une résolution sub -5nm, incluant une description fine de la décroissance exponentielle des ondes évanescentes impliquées.A l’aide du mode plasmon dipolaire, une distribution anisotrope de matériau organique est intégrée dans le voisinage de la nanoparticule métallique. Avec une haute concentration de molécules de colorant dans le polymère, l’intensité des signaux de fluorescence et Raman du nano-émetteur hybride dépend de la polarisation incidente. À notre connaissance, il s’agit de la première réalisation d’un nano-émetteur dont le milieu à gain présente une distribution spatiale complexe le rendant sensible à la polarisation
Hybrid plasmonics has given rise to increasing interest in the context of the interaction between metal nano-objects and other materials. By benefiting from each of its constituents, hybrid nanostructures are commonly adopted in studies and optimization of biological and chemical sensors, nanoparticle with high plasmon resonance tunability, and nano-emitters. This PhD thesis presents a hybrid nanostructure of photopolymer/metal nanoparticle that is used as a near-field characterizing tool and as an anisotropic nano-emitter.The fabrication of this hybrid nanostructure is a near-field imprinting process based on nanoscale photopolymerization. This technique, compared with traditional near-field characterization methods, provides not only the image of the field distribution, but also enables quantification of the surface plasmon properties with sub-5nm resolution and reproduction of the exponential decay of the near-field.Under dipolar mode plasmon, the photopolymer was created anisotropically in the vicinity of the metal nanoparticle. With high concentration of dye molecules trapped in the polymer, the hybrid nano-emitter displays surface enhanced fluorescence and Raman signal that is dependent on the incident polarization. To our knowledge, this is the first achievement of the anisotropic nano-emitter based on the inhomogeneous distribution of the active molecule

Lors de l’entrée dans l’atmosphère de Mars d’un objet à vitesse hypersonique, il se crée une onde de choc détachée en amont de l’objet ainsi qu’un plasma hors équilibre à enthalpie importante et à haute intensité radiative. Si de nombreuses études ont été menées sur la protection nécessaire à apporter à l’objet pour résister à ces conditions physico-chimiques, les phénomènes chimiques liés à la recombinaison du CO2 en arrière de l’objet sont moins bien maîtrisés ; les quantités prévues de rayonnement découlant de cette recombinaison disposent donc de larges marges d’erreur. C’est en particulier le cas dans l’infrarouge, et la raison pour laquelle le CNES a développé deux radiomètres destinés à la mesure de ces flux émis par CO et CO2 en vol martien. Il convient donc d’étalonner ces capteurs pour la mesure des flux radiatifs en vol et d’étudier cette recombinaison sur un jet libre de plasma de CO2 pur en laboratoire. L’étalonnage des radiomètres est fait devant une source de type corps noir ; concernant l’état du plasma de laboratoire issu d’une torche à plasma inductive, l’étude de la diffusion Raman spontanée induite par laser sur CO et de la fluorescence à deux photons induite par laser sur O permettent d’estimer les températures et densités des espèces respectivement soudées, et ainsi de jauger de l’état de recombinaison du plasma
When an object is entering the atmosphere of Mars at hypersonic speeds, a detached shock layer is forming in front of the said object accompanied by a high-enthalpy non-equilibrium plasma with high radiative intensity. Several studies have already been conducted about the necessary protective layer for the object to withstand such physico-chemical conditions, however the chemical phenomena concerning CO2 recombination around the back of the object are not too well known ; the radiative quantities coming from this recombination are often given with large error margins because of this. It is particularly the case in the infrared, that is why the French Space Agency developed two radiometers designed for mesuring radiative heat fluxes emitted by CO and CO2 during a martian flight. It seems relevant to calibrate these sensors for quantitative measurements of radiative heat fluxes in flight conditions and to study the recombination of a pure CO2 plasma in laboratory conditions. The radiometers have been calibrated in front of a blackbody source ; concerning the state of the laboratory plasma created by an inductive plasma torch, a study of the laser-induced spontaneous Raman scattering on CO and of two-photon absorption laser-induced fluorescence on O have been conducted, enabling evaluation of both temperatures and densities of the probed species, and so give an estimate on the plasma recombination state

L'utilisation de matériaux originaux, à faibles énergies de phonons, tels que les verres de sulfures, permet d'envisager des applications dans le domaine des télécommunications. Ainsi, La fenêtre optique des verres appartenant au système de référence GeGaS a été élargie dans le domaine du visible par addition de chlorure de métaux et d’alcalino-terreux. Dans le cadre d'études de refroidissement optique, le diagramme d’énergie de l'ytterbium a été établi dans les matrices sulfures et halogéno-sulfures. La loi empirique du gap a été démontrée dans les verres de sulfures du système GeGaSbS. Une fibre monomode de diamètre de mode 2 microns a été obtenue et caractérisée à 1,55 microns. La fluorescence infrarouge du dysprosium et du thulium sur des fibres multimode a été étudiée. Des fibres microstructurées en verres de sulfures, de types bande interdite photonique et à trous, ont été réalisées. La caractérisation optique de ces fibres a révélé le caractère quasi-monomode d’une des fibres à trous à 1,55 microns.

Etude des halogénures d'argent sous forme de cristaux ou de couches déposées par oxydation anodique d'une électrode d'argent en milieu halogénure. Modifications qu'entraine l'addition de produits stabilisateurs et antivoiles sur des électrodes d'argent oxydées en milieu halogénure. Similitude de comportement entre les cristaux et les couches préparées sur électrode en fonction des irradiations. Création d'une distribution de petits agrégats d'argent.

The nature of surface-enhanced Raman scattering (SERS) on nanostructured surfaces is explored using both inorganic and organic-based systems and a variety of environmental perturbation mechanisms. Experimental optical characterisation systems are developed and existing systems extended to facilitate this exploration. SERS of inorganic semiconducting quantum dots (QDs) is observed for the first time, paving the way for their use as spatially well-defined SERS markers. Tuning of the Raman excitation wavelength allows comparison between resonance and nonresonance QD SERS and identifies enhancement due to the plasmonic nanostructure. A gentle mechano-chemical process (carbon dioxide snow jet) is used to rearrange adsorbed organic thiol monolayers on a gold plasmonic nanostructure. The necessity of nanoscale roughness to the large SERS enhancement on pit-like plasmonic nanostructures is shown and demonstrates a new method to boost SERS signals (> 500 %) on plasmonic nanostructures. A multiplexed time-varied exposure technique is developed to track this molecular movement over time and highlights the different origins of the SERS peak and its accompanying background continuum. Using low-temperature cryogenics (down to 10 K) the SERS peak and background continuum intensity are shown to increase as the plasmonic metal damping reduces with temperature. Temperature dependent measurements of QD (resonance) SERS are shown to have strong wavelength dependence due to the excitonic transitions in QDs. Changes to the QD fluorescence at low temperature allows striking comparison between the Raman and fluorescence processes. The role of charge transfer and electromagnetic enhancement in the SERS intensity of p-aminothiophenol (pATP) is investigated on nanostructured plasmonic surfaces coupled to metallic nanoparticles. The results support the importance of charge transfer effects to the SERS of pATP, and highlight the difference between those of electromagnetic origin. Addition of nanoparticles to the nanostructured surface was seen to enhance SERS signals by up to 100×.

L'imagerie optique hyper-spectrale, qui combine la microscopie confocale et la spectroscopie optique, a été utilisée pour étudier des objets individuels de taille nanométrique (nano-objets). Les techniques spectroscopiques retenues ont été la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence. Cette approche s'est montré bien adaptée pour l'étude à température ambiante de deux types de nano-objets, les molécules uniques et les nanotubes de carbone. Notre outil d'imagerie Raman s'est avéré efficace pour localiser les différentes espèces chimiques présentes sur nos échantillons. Entre autre, il a permis d'enregistrer les premiers spectres Raman de nouvelles espèces carbonées, comme des nanotubes remplis de molécules de pérylène ou de métallo-fullerènes (peapods). Les spectres Raman des peapods ainsi obtenus, ont révélé l'existence de processus de transfert de charge entre le tube et les métallo-fullerènes, ainsi que la polymérisation des métallofullerènes à l'intérieur des tubes. L'utilisation de surfaces nano-structurées métalliques est un point clé de ces études. D'une part, elles permettent d'exalter fortement le signal de diffusion Raman, rendant ainsi possible la détection de nano-objets en quelques secondes. D'autre part, elles accroissent la sélection spatiale du microscope, ce qui permet d'isoler le signal d'une entité unique. Ainsi, il a été possible d'étudier le signal Raman de molécules uniques ou de nanotubes uniques. J'ai alors mis en évidence certaines des caractéristiques du phénomène d'exaltation locale, son confinement au voisinage des nano-structures et le rôle joué par les irrégularités de surface, telles que les interstices et les protubérances
Single nanoobjects were studied by hyperspectral optical imaging, which associates a scanning confocal microscope with an optical spectroscopy unit. We choose to perform fluorescence spectroscopy and Raman spectroscopy. At room temperature, such spectroscopic approach has proven to be well adapted to study two different nanoobjects, as single molecules and carbon nanotubes. Our Raman imaging set-up is an efficient tool to localize different chemical species in a sample. Thus, we recorded the first Raman spectra of new carbon species, single wall carbon nanotubes which encapsulated several perylene molecules or dimetallofullernes (peapods). For peapods, we demonstrate from Raman spectre a charge transfer process between the nanotubes and the metallofullerenes, and in many cases their polymerization inside the tubes. Metallic nanostructured surfaces are usually required in this kind of experiments. In fact, we observed an enhancement of the Raman scattering with these surfaces, high enough to record the Raman scattering from a single nanoobject in few seconds. Also, they improve the spatial selection of the confocal microscope, that permit the selection of single nanoobjects. In this way, we studied single molecules and single carbone nanotubes. Then, I bring out some characteristics of the enhancement process. In particular, this enhancement is only efficient at the vicinity of the nanostructure. The surface morphology of the nanostructure must also exhibit some protrusions, or interstices

Dans un modèle cellulaire de résistance multiple, la nature de l'interaction médicament/membrane reste un paramètre encore mal décrit bien qu'important pour définir l'incorporation intracellulaire du xénobiotique. Les objectifs ont été de développer des méthodes spectroscopiques permettant une analyse de l'intégration de la mitoxantrone (MTX) dans un modèle de résistance cellulaire de type BCRP/MXR. D'une part, la spectroscopie SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) implique un colloïde d'argent extracellulaire permettant une exaltation Raman de molécules en situation membranaire. D'autre part, le transfert d'énergie d'une sonde membranaire fluorescente vers MTX permet de déterminer des paramètres d'intégration du médicament dans les deux feuillets de la membrane. Une exaltation SERS de MTX est observée lorsque le rayonnement laser est focalisé sur un grain de colloïde en contact avec la membrane de cellules traitées par le médicament. Ces résultats sont interprétés comme une intégration partielle de MTX sur la membrane plasmique. De plus, une intensité SERS de MTX trois fois plus importante est observée chez les cellules résistantes, ce qui est assimilée à une accessibilité plus importante de MTX par le colloïde. Par transfert d'énergie de fluorescence, une quantité équivalente de molécules de MTX intégrées dans la membrane entre les deux types cellulaires a été déterminée. En conclusion, la spectroscopie SERS et le transfert d'énergie de fluorescence permettent une analyse sélective de molécules anticancéreuses à l'échelle de la membrane plasmique. Des modifications de la structure membranaire pourraient être à l'origine des différences d'intégration de MTX
The nature of drug/membrane interaction remains in the multi-drug resistance an elusive parameter, though important to define the intracellular uptake of xenobiotic. The aims of this work were to develop different spectroscopic methods in order to analyse the insertion mode of mitoxantrone (MTX) in a resistant BCRP/MXR cell model. On the one hand, SERS spectroscopy (Surface-Enhanced Raman Scattering) implicating an extracellular silver colloid to enhance Raman scattering of molecules at the surface of the plasma membrane was used. On the other hand, energy transfer from a membrane fluorescent probe to MTX allowed to determine insertion parameters of MTX in the two leaflets of the membrane. Raman scattering of MTX was observed after focusing the laser on a colloid nanoparticle in contact with the membrane of MTX-treated cells. These results were interpreted as a partial insertion of MTX on the plasma membrane. Moreover, a three-fold SERS intensity increase of MTX was observed for resistant cells, which was explained by a higher xenobiotic accessibility to the colloid. The comparison of insertion time-course investigated by fluorescence energy transfer revealed a similar quantity of membrane-inserted MTX molecules between two cell lines. In conclusion, SERS spectroscopy and fluorescence energy transfer allowed to analyse selectively anticancer molecules at the level of the plasma membrane. Changes of the membrane structure could be at the origin of incorporation differences of MTX

Cette thèse porte sur l'étude de phénomènes se déroulant à une échelle de temps subpicoseconde dans des molécules de colorant en solution. Disposant d'une source laser délivrant des impulsions d'une durée de 60 femtosecondes, nous avons réalisé des expériences d'absorption induite dans des colorants Triphénylméthanes : le Vert de Malachite et le Cristal Violet. Ces expériences ont permis de résoudre la dynamique de relaxation du premier état électronique excité, qui comporte quatre étapes. En plus des deux dernières étapes connues, nous avons observé une redistribution vibrationnelle à la limite de notre résolution temporelle, suivie d'un rééquilibrage de la position angulaire des noyaux benzéniques de la molécule. Nous avons ensuite mis en évidence l'Effet Raman Impulsif Résonant dans le Vert de Malachite. Un mode vibrationnel de 150 femtosecondes de période a pu être excité par un processus Raman stimulé, à l'aide d'une seule impulsion. La résonance de l'impulsion avec la transition électronique S₀ - S₁ implique l'excitation de vibrations moléculaires dans S₀ et S₁, se manifestant respectivement par des modulations sur les variations d'indice et d'absorption du milieu. Enfin, des expériences de fluorescence résolue en temps par Up-conversion ont permis de sonder des relaxations intramoléculaires et la dynamique de réarrangement du solvant. Des battements quantiques de fluorescence à 750 femtosecondes de période ont été observés dans l'Oxazine 1.

Ce travail concerne l'étude d'un procédé MPACVD dans le mélange H2-CH4 opérant à forte puissance en mode continu et pulsé. Une étude du plasma en phase gazeuse est réalisée, grâce à des techniques de diagnostic telles que : OES, TDP et LIF. Le but est de comprendre les phénomènes de base qui gouvernent la cinétique des espèces réactives responsables du dépôt de diamant. Les films de diamant sont caractérisés par : MEB, AFM et spectroscopie Raman. Des corrélations entre les paramètres du plasma et les propriétés des couches sont établies, à savoir, la qualité chimique et la vitesse du dépôt. Les films de diamant autosupportés ainsi réalisés servaient d'une base du développement des dispositifs SAW d'une structure multicouche ZnO/IDT/Diamant. La vitesse de propagation des ondes acoustiques de surface à l'interface Diamant/ZnO est estimée à partir de la réponse fréquentielle du dispositif. Elle est de l'ordre 9700 m. S-1 qui est parmi vitesses les plus élevées dans ce type de structures
This work consists of studying H2-CH4 MPACVD process, operating at high power in continuous and pulsed mode. Plasma characterisation is carried out, thanks to diagnostic techniques such as: OES, Double pulses technique and LIF. The aim of this study is to understand the basic phenomena which control the kinetics of the reactive species responsible of diamond growth. Diamond films are characterised by: SEM, AFM and Raman spectroscopy. Correlations between the plasma parameters and the films properties, their chemical quality and the growth rate, are established. The elaborated freestanding diamond films, were useful for development of surface acoustic devices (SAW) devices with multi-layer structure ZnO/IDT/Diamond. The propagation velocity of surface acoustic waves at ZnO/Diamond interface is estimated from the frequency response of the device. It is around 9700 m. S-1 which is among the highest velocities in this type of structures

Die Kombination aus Breit-Band Spektroskopie-Methoden ermöglicht eine umfassende Einsicht in das elektronische System von Molekülen im angeregten Zustand. Am Beispiel des Riboflavin in saurer Umgebung wird der Protonen-Transfer aus der Lösung auf den Chromophor mittels transienter Absorption und -Fluoreszenz im S1-Zustand beobachtet. Mittels transienter Absorption- und Femtosekunden-stimulierter Raman-Spektroskopie wird der Populationstransfer in den elektronischen Grundzustand im beta-Karotin verfolgt und charakterisiert werden.
The combination of broadband spectroscopic methods allows a comprehensive view of the electronic system of molecules in the excited state. On riboflavin in acidic environment the proton-transfer is observed with transient absorption and -flurescence in the S1-state. With transient absorption and femtosecond-stimulated Raman-spectroscopy the population transfer into the electronic ground-state is followed and characterized.

Les principales sources d'énergies actuelles sont basées sur la combustion d'hydrocarbures qui peut être le siège de la formation de particules de suies. L'émission de suies entraîne une baisse du rendement énergétique des installations mais surtout ces particules carbonées ont un effet néfaste sur la santé. En effet, les suies de petites tailles (quelques nanomètres) sont assimilées par l'organisme. Leur présence est associée à celle des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) qui sont reconnus comme cancérigènes. Il apparaît primordial de développer de nouvelles techniques quantitatives de détection dans des systèmes en combustion afin de doser les nanoparticules de suies ainsi que la phase gaz. Appliqués à des flammes, les diagnostics laser offrent des méthodes de dosage non intrusives et produisent une mesure instantanée avec une bonne sensibilité et sélectivité. Ce travail de thèse a permis d'étendre le potentiel des diagnostics laser utilisés au laboratoire à l'étude de flammes produisant des suies avec la mise en œuvre notamment de techniques d'imagerie laser. Ces études ont été réalisées dans une flamme de diffusion laminaire stabilisée sur un brûleur Wolfhard-Parker contenant des suies en teneurs variables. Les espèces majoritaires ont été mesurées par diffusion Raman et la température par diffusion Raman/Rayleigh. Des stratégies de détections originales par Fluorescence Induite par Laser des radicaux CH et OH ont été mises en œuvre en présence de suies. Un effort important a été consacré au développement d'une technique novatrice appelée Incandescence Induite par Laser qui permet la détection de nanoparticules présentant des fractions volumiques de quelques ppb. Cette technique a été couplée à la Cavity-Ring-Down-Spectroscopy afin d'obtenir des cartographies quantitatives de nanoparticules [. . . ]

Die Kopplung von akustischer Levitation mit optischer Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung von Reaktionen und intermolekularen Wechselwirkungen unter besonderen Bedingungen. Mit akustischer Levitation können Proben im µL-Bereich kontaktfrei gehaltert und Verunreinigungen durch Oberflächenkontaminationen ausgeschlossen werden. Durch die Verwendung verschiedener Methoden der optischen Spektroskopie wie Raman-Streuung, UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie konnten die levitierten Proben untersucht werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Ultraschallfalle aufgrund der Wandlosigkeit sowie des Kontakts der levitierten Probe mit der Atmosphäre und der daraus resultierenden möglichen Aufkonzentrierung eine interessante Möglichkeit zur Probenhandhabung in der Mikrofluidik darstellt. Anhand zweier sonochemischer Reaktionen wurde mit Absorptionsspektroskopie gezeigt, dass das Ultraschallfeld des Levitators nur einen sehr geringen Einfluss auf die levitierte Probe ausübt. Mittels Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie wurde die durch die Verdampfung induzierte Aggregation eines Farbstoffes untersucht. Zudem wurde die relative Quantenausbeute des Farbstoffes im levitierten Tropfen bestimmt. Der Kontakt des levitierten Tropfens mit der umgebenden Atmosphäre kann auch zur Aufnahme von Substanzen aus der Atmosphäre führen. Dieser Effekt wurde anhand von levitierten ionischen Flüssigkeiten volumetrisch und schwingungsspektroskopisch bei verschiedenen Luftfeuchten untersucht und die Wechselwirkungen mit dem absorbierten Wasser detailliert charakterisiert. Die Kopplung und simultane Messung von Raman-Streuung und UV/Vis-Spektroskopie ermöglichte die Untersuchung der Bildung und Aggregation von Silber-Nanopartikeln und deren Auswirkungen auf die oberflächenverstärkte Raman-Streuung. Zudem wurde die Stabilisierung von Silber-Nanopartikeln in ionischen Flüssigkeiten und die Wechselwirkungen der Partikel mit den ionischen Flüssigkeiten untersucht.
Acoustic levitation in combination with optical spectroscopy allows for investigations of reactions and intermolecular interactions under specific conditions. Samples with microliter volumes can be handled without contact to solid surfaces resulting in the absence of impurities from surface contamination. Using different optical spectroscopy methods such as Raman, UV/vis, and fluorescence spectroscopy, different levitated samples were characterized in detail within this work. The investigations show that the acoustic levitator is an interesting tool for sample handling due to the wall-less fixture and because of the interaction of the levitated sample with the surrounding atmosphere. This interaction leads to an increase of a solved analyte upon the evaporation of the solvent. The ultrasonic field inside the trap was characterized by investigations of sonochemical reactions, which show a negligible influence of the ultrasonic field on the levitated sample. Absorption as well as fluorescence spectroscopy was used to study the aggregation of a dye due to an increasing concentration upon evaporation of the solvent. Furthermore, the relative quantum efficiency of the dye was determined from levitated droplet experiments. The interaction of the levitated droplet with the surrounding atmosphere can also lead to absorption of airborne substances. This effect was investigated for different levitated ionic liquids. Volumetric and vibrational studies were performed on levitated ionic liquids under different atmospheric humidity conditions to characterize the interaction of ionic liquids with water. Hyphenation of Raman scattering and UV/vis absorption spectroscopy enabled the investigation of the formation and aggregation of silver nanoparticles and the correlation of this information with the recorded surface-enhanced Raman spectra. In addition, the stability of silver nanoparticles in ionic liquids and the interactions of the particles with the ionic liquids were examined.

ZnO nanoparticles in the size range 2.5–7 nm have been synthesised by a wet chemical method where ZnO particles were grown in basic zinc acetate solution. The optical band gap increases when the size of the particles decreases. An empirical relation between the optical band gap given from absorption measurements, and particle size given from XRD measurements has been developed and compared to other similar relations found in the literature.

   Time resolved UV-Vis spectroscopy has been used to follow the growth of particles in situ in solution. The data show that the growth mechanism not can be described by a simple Oswald ripening approach and nor by an exclusive agglomeration of smaller clusters into larger particles. The growth mechanism is more likely a combination of the proposed reaction themes. The data also reveal that particle formation do not demand a heating step for formation of the commonly assumed initial cluster Zn₄O(CH₃COO)₆.

   Steady state fluorescence has been studied as a function of particle size during growth in solution. These measurements confirm what is found in the literature in that the visible fluorescence is shifted to longer wavelengths and loses in intensity as the particles grow. Some picosecond spectroscopy has also been done where the UV fluorescence has been investigated. From these measurements it is apparent that the lifetime of the fluorescence increases with particle size.

    The phonon spectrum of ZnO has been studied with Raman spectroscopy for a number of different particle sizes. From these measurements it is clear that there is a strong quenching of the phonons due to confinement for the small particles, and the only clearly observed vibration is one at 436 cm^-1 which intensity strongly increases with particle size.   

L'imagerie hyperspectrale consiste à acquérir une scène spatiale à plusieurs longueurs d'onde, de manière à reconstituer le spectre des pixels. Cette technique est utilisée en microscopie pour extraire des informations spectrales sur les spécimens observés. L'analyse de telles données est bien souvent difficile : lorsque l'image est observée à une résolution suffisamment fine, elle est dégradée par l'instrument (flou ou convolution) et une procédure de déconvolution doit être utilisée pour restaurer l'image originale. On parle ainsi de problème inverse, par opposition au problème direct consistant à modéliser la dégradation de l'image observée, étudié dans la première partie de la thèse. Un autre problème inverse important en imagerie consiste à extraire les signatures spectrales des composants purs de l'image ou sources et à estimer les contributions fractionnaires de chaque source à l'image. Cette procédure est qualifiée de séparation de sources, accomplie sous contrainte de positivité des sources et des mélanges. La deuxième partie propose des contributions algorithmiques en restauration d'images hyperspectrales. Le problème de déconvolution est formulé comme la minimisation d'un critère pénalisé et résolu à l'aide d'une structure de calcul rapide. Cette méthode générique est adaptée à la prise en compte de différents a priori sur la solution, tels que la positivité de l'image ou la préservation des contours. Les performances des techniques proposées sont évaluées sur des images de biocapteurs bactériens en microscopie confocale de fluorescence. La troisième partie de la thèse est axée sur la problématique de séparation de sources, abordé dans un cadre géométrique. Nous proposons une nouvelle condition suffisante d'identifiabilité des sources à partir des coefficients de mélange. Une étude innovante couplant le modèle d'observation instrumental avec le modèle de mélange de sources permet de montrer l'intérêt de la déconvolution comme étape préliminaire de la séparation. Ce couplage est validé sur des données acquises en microscopie confocale Raman.

Les substances humiques (SH) sont issues de la dégradation de résidus organiques et représentent la partie la plus importante de la matière organique des systèmes naturels. Les SH sont capables de piéger de nombreux polluants comme les métaux lourds et jouent donc un rôle majeur dans la rétention des ions métalliques. Leurs propriétés complexantes sont dues principalement à certaines fonctions récurrentes : les groupements carboxyliques et phénoliques. Dans une 1ère partie, l'étude de la complexation de molécules modèles possédant des sites similaires à ceux rencontrés dans les biopolymères naturels a permis d'évaluer les capacités complexantes des fonctions les plus répandues (catéchol, hydroxy-carbonyle et acide carboxylique). L'association de techniques spectroscopiques et de calculs de chimie quantique a permis d'établir un classement des pouvoirs chélatants des composés mono-sites vis-à-vis des ions métalliques Al (III) , Pb(II) et Zn(II), et a montré que ce type de classement est conservé lorsque les sites sont en compétition au sein d'une même structure. Dans une 2nde partie, l'examen par fluorescence synchrone de la complexation des 3 métaux polluants par un acide humique standard (AH) a mis en évidence des comportements différents pour chacun d'eux, reflétant des mécanismes de fixation distincts et une spécificité des interactions métallo-humiques. Nous avons ainsi pu établir un classement du pouvoir complexant de AH vis à vis des 3 cations, en accord avec celui obtenu pour les modèles. Enfin, la compétition entre AH et deux molécules organiques de faible poids moléculaires a montré que les pourcentages de polluants extraits de l'acide humique sont faibles et que celui-ci reste un véritable « réservoir toxique» au sein des milieux naturels.

L'approche expérimentale de la formation et de la vaporisation d'un spray réactif permet une meilleure compréhension des différents régimes de combustion impliqués dans la stabilisation d'une flamme. Dans cette perspective, les diagnostics laser basés sur des interactions inélastiques (diffusion Raman et fluorescence spontanée), ont été mis au point pour l'étude quantitative du fuel en phase liquide et vaporisée dans un spray dense en combustion. Des cartographies rapides (5000 Hz) de la fraction massique de méthanol liquide pulvérisé en sortie d'injecteur coaxial ont été analysées pour classifier les régimes d'atomisation. Le champ instantané de vitesses des gouttes a été obtenu grâce à une application originale de la technique P. I. V. à des images de fluorescence. Vu les fortes inhomogénéités locales de densité du fuel et la dynamique limitée des capteurs, les émissions induites en phase vaporisée sont très difficiles à extraire des contributions en phase liquide. Une méthode différentielle qui compare diffusion Raman du fuel liquide et fluorescence d'un colorant dissout a été développée puis appliquée à la mesure du taux d'évaporation dans un spray réactif de méthanol. Par ailleurs, en utilisant l'acétone en tant que fuel, la discrimination entre les contributions liquide et vaporisée a pu être effectuée. La technique est basée sur une forte compression de la dynamique d'interaction entre le laser et les gouttes, dues à la très faible épaisseur optique (18 m) de l'acétone liquide pour le rayonnement laser UV incident. Cette technique a été appliquée dans la zone de développement proche dans un spray d'acétone réactif pour obtenir et interpréter les champs de concentration du fuel liquide et vaporisé en fonction des paramètres d'injection

Ce travail de thèse traite d'expériences d'astrophysique de laboratoire sur des matériaux aromatiques, étudiés pour la plupart dans des conditions proches de celles rencontrées dans les milieux interstellaire et circumstellaire, comprenant rayons cosmiques et irradiations UV. Ces dernières sont à l'origine de bandes d'émission dans l'infrarouge moyen, dont les porteurs supposés sont principalement les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (PAHs) et les nanoparticules aromatiques. Un nouveau spectromètre, FIREFLY (Fluorescence in the InfraRed from Excited FLYing molecules), contenant une réplique des filtres circulaires variables à bord de l'instrument ISOCAM du satellite ISO, a été mis au point et caractérisé au cours de cette thèse. Cet instrument a permis de mesurer la désexcitation infrarouge dans la région des modes d'élongations CH (3.3 µm, soit 3000 cm-1) des dérivés du benzène et du naphtalène à température ambiante, suite à l'absorption d'un photon UV. Ceci montre, avec l'appui de la modélisation, que la spectroscopie d'émission IR est un outil puissant permettant de comprendre les effets d'anharmonicité liés à l'énergie interne, l'isomérisation voire même la dynamique intramoléculaire non-adiabatique, au travers de la spectroscopie d'excitation de fluorescence infrarouge (une nouvelle technique). Ce travail est préliminaire à la future mesure de fluorescence infrarouge de nanoparticules aromatiques en phase gazeuse et à basse température produites par une flamme basse pression, dans le but de comparer les spectres de laboratoire avec les observations astrophysiques. Le dépôt d'énergie par les rayons cosmiques a été étudié grâce à une autre expérience, l'irradiation ionique d'analogues de poussières interstellaires et circumstellaires (suies produites par la flamme basse pression), mettant en évidence une réorganisation chimique. Les suies sont caractérisées par différents diagnostics complémentaires tels que la Microscopie Electronique en Transmission à Haute Résolution et les spectroscopies infrarouge à Transformée de Fourier et Raman. L'ensemble des informations tirées permet de mieux cerner la nanostructuration des analogues et ainsi mieux identifier les différentes signatures spectrales astrophysiques (interprétation de la bande à 7.7 µm comme une bande de défauts). Grâce à ces expériences, nous espérons améliorer notre compréhension de la structure, croissance et évolution de la poussière, d'un point de vue astrophysique.