Les ions lanthanides possèdent des propriétés photophysiques particulières, qui ont suscité une forte attention dans le développement de sondes biologiques luminescentes. En effet, les avantages que présentent leurs émissions en raies fines et caractéristiques, ainsi que leurs temps de vie de luminescence longs, permettent diverses applications en imagerie. Cependant, le faible coefficient d’absorption molaire de ces éléments conduit à préférer une excitation par le biais d’une antenne capable de transférer l’énergie au métal.

Par ailleurs, l’utilisation de l’absorption biphotonique a montré de nombreux avantages, puisqu’elle permet une excitation de la molécule à une longueur d’onde deux fois plus grande que l’excitation à un photon : cette longueur d’onde peut alors se situer dans la fenêtre de transparence biologique (650 - 1100 nm).

Les travaux de cette thèse visent à combiner les avantages des lanthanides avec ceux de l’excitation biphotonique. Les complexes synthétisés sont basés sur une plateforme triazacyclononane substituée par des antennes à deux photons. Leurs propriétés spectroscopiques à un photon ont été étudiées, et ont alors permis de réaliser des images cellulaires en multiplexing à deux photons utilisant Eu³⁺ et Tb³⁺. Des sondes biphotoniques de brillance optimisée ont également été obtenues pour Sm³⁺, Tb³⁺ et Dy³⁺, et appliquées à l'imagerie. L’étude approfondie d’un des complexes de terbium(III) a de plus mis en évidence sa sensibilité à la viscosité. L’analyse des propriétés spectroscopiques de cette sonde a permis d'en rationaliser le comportement photophysique, ouvrant ainsi la voie à des applications originales en imagerie fonctionnelle. Enfin, nous avons montré une internalisation rapide de complexes de lanthanide cationiques de type cyclen ou cyclam par des cellules vivantes, et l'étude de ces nouvelles structures offre de nouvelles perspectives dans le développement de bio-sondes de lanthanides.