Thèse Colorants et Nanoparticules Organiques Fluorescents pour l'Imagerie Thermique H/F - 69

Établissement : ENS de Lyon
École doctorale : Chimie de Lyon
Laboratoire de recherche : LABORATOIRE DE CHIMIE
Direction de la thèse : Yann BRETONNIERE ORCID 0000000311916287
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-10T23:59:59

La température est un paramètre essentiel dans les domaines de la science, de la technologie, de la physiologie et de la vie quotidienne, mais mesurer ses variations à petite échelle spatiale et temporelle reste techniquement difficile. En effet, la thermométrie conventionnelle manque souvent de la résolution et de la réactivité nécessaires pour détecter les hétérogénéités thermiques transitoires, en particulier dans des environnements complexes tels que la matière molle, les systèmes microstructurés ou les échantillons biologiques. La détection par fluorescence offre une solution prometteuse grâce à une réponse rapide et une résolution spatiale évolutive, même à l'échelle microscopique.

Ce projet vise à développer des méthodes d'imagerie par fluorescence hautement sensibles, pour la détection de la température. Malgré les progrès récents, la détection par fluorescence dépendante de la température reste un sujet encore très peu exploré. Notre objectif est d'étudier les mécanismes photophysiques à l'origine de la fluorescence dépendante de la température et de mettre au point des colorants présentant une forte émission dépendante de la température.

La stratégie de la thèse s'appuiera sur deux approches complémentaires dans leur conception, afin d'obtenir des thermomètres fluorescents hautement performants :

1) Les colorants donneurs--accepteurs (D--A) sensibles à la polarité sont des candidats prometteurs pour la thermométrie par fluorescence, mais les mécanismes sous-jacents ne sont pas encore entièrement compris. Nous souhaitons donc mettre en évidence les relations structure-propriété, qui régissent la fluorescence pour concevoir de nouvelles architectures moléculaires pour une détection de la température hautement sensible.

2) Les nanoparticules contenant des colorants faiblement émetteurs, qui deviennent fluorescents lors de leur agrégation (phénomène d'émission induite par agrégation ou AIE), offrent des avantages tels qu'une formulation facile et une émissivité élevée dans les environnements biologiques. Nous explorerons les conditions de formulation des nanoparticules et établirons des règles de conception pour la surveillance de la température à l'aide de nanoparticules AIE.

Cette recherche permettra de mettre au point des stratégies analytiques innovantes en chimie, combinant la fluorescence thermosensible à d'autres techniques spectroscopiques ou d'imagerie. Elle offre un potentiel d'avancées dans les domaines de la science des matériaux, de la recherche biomédicale et au-delà, en apportant de nouvelles connaissances sur les processus thermiques à l'échelle microscopique.

Temperature is one of the most important physical parameters in science, technology, physiology and everyday life. Yet, accessing temperature variations at small length and time scales remains technically challenging. Conventional thermometry techniques generally lack the spatial resolution and responsiveness required to detect local, transient thermal heterogeneities, particularly in complex or heterogeneous environments such as soft matter, microstructured systems, or biological samples. Among the numerous temperature sensing methods fluorescence detection is one of the most efficient due to its fast response and scalable spatial resolution down to microscopic levels.

Our general research objective is to establish highly sensitive fluorescence imaging methods for temperature sensing with high spatial resolution. Despite several recent report on this topic, temperature-dependent fluorescence sensing is still relatively poorly explored. [1]
Therefore, we aim to investigate the different photophysical mechanisms responsible for temperature dependent emission and establish molecular and material engineering strategies to obtain dyes exhibiting strong temperature dependent fluorescence.

Several photophysical mechanism have been explored to enable temperature monitoring via fluorescence detection. Polarity sensitive donor--acceptor (D--A) dyes have recently emerged as promising candidates as fluorescence thermometers. However, the underlying photophysical mechanism of their fluorescence is not yet understood. The first objective will be to uncover the structure-property relationships resulting in the photophysical mechanism of these dyes and further engineer the molecular architectures for highly sensitive temperature sensing using small organic molecules.
An alternative strategy is to employ nanoparticles containing poorly-emissive dyes that become fluorescent upon aggregation (aggregation induced emission, AIE). The advantage of these AIE-type organic nanoparticles is that they can be easily formulated from D--A dyes and they can be highly emissive in biological environment. The temperature dependent fluorescent feature of AIE nanoparticles has been demonstrated very recently. The second objective of the thesis will be, therefore, to explore the conditions of nanoparticle formulation and establish the design rules for temperature monitoring using fluorescent organic nanoparticles.
The photophysical properties of the developed fluorescent dyes and nanoparticles will be thoroughly characterized by steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy as a function of the temperature in various sample environments. Furthermore, their two-photon absorption cross sections will be characterized with the objective to employ the developed compounds in fluorescence imaging.