Développement de fluorophores organiques émettant dans le proche IR à l’état solide

Résumé de la thèse

Ces travaux visent à obtenir de nouveaux fluorophores organiques infrarouge, formulables en nanoparticules, pour de l’imagerie de fluorescence infrarouge par excitation à deux photons. Le développement de fluorophores infrarouge (>800 nm) et de fluorophores de l’état solide sont deux domaines en plein essor et pourtant, très peu combinent les deux propriétés.
Pour répondre à ces contraintes, nous avons choisi de travailler avec des fluorophores organiques dipolaires, de structure Donneur-pont pi conjugué-Accepteur (D-pi-A). Les propriétés optiques de ces colorant sont facilement modulables, en variant les trois parties du dipôle.

Dans un premier temps, le cycle aromatique indolizine, peu utilisé en chimie des colorants, a été choisi comme groupement donneur, pour son fort caractère électrodonneur, et associé à l’accepteur TCF, très fort et connu de la chimie des colorants de l’infrarouge. Les deux groupes ont été reliés par des ponts pi conjugués de longueurs variables. Cette approche a permis d’obtenir des dipôles à l’émission très décalée dans l’infrarouge en solution, mais pas à l’état solide. Il a cependant été possible de les formuler en nanoparticules hybrides combinant pluronic F-127 (un copolymère à blocs éthylène glycol/propylène glycol) et silice, et d’obtenir des résultats préliminaires prometteurs.

Dans un second temps, des accepteurs cationiques, inspirés des cyanines fluorescentes dans l’infrarouge, ont été associés au donneur indolizine, par les mêmes ponts pi conjugués. Les cyanines asymétriques obtenues présentent des propriétés optiques allant jusque dans le NIR-II (>1000 nm), en solution et en solide. Certains de ces colorants cationiques ont fait l’objet d’une étude conformationnelle et théorique. Les colorants ne présentant pas d’émissions ont, quant à eux, été formulés en nanoparticules pour la photoaccoustique, et caractérisés à cette fin.

Finalement, d’autres groupements donneurs, tels la triphénylamine et le carbazole, et des groupements accepteurs dérivés du TCF, précédemment utilisés dans l’équipe, ont été adaptés à un nouveau pont pi-conjugué, pour donner des émissions dans le rouge lointain à l’état solide, avec de très grands rendements quantiques. Ils ont été formulés en nanoparticules « tout organique » et associés aux colorants des premières parties pour décaler leurs émissions, permettant d’obtenir des nanoparticules présentant une excitation et une émission toutes deux dans le NIR II.

Development of organic solid-state fluorophores emitting in the near IR.

This work aims to obtain new organic infrared fluorophores that can be formulated in nanoparticles for two-photon excited infrared fluorescence imaging. The development of near infrared (>800 nm) fluorophores and solid-state fluorophores are two rapidly growing fields; however, very few fluorophores combine both properties.

To address these challenges, we chose to work with dipolar organic fluorophores, with a Donor-pi bond-Acceptor (D-pi-A) structure. The optical properties of these dyes are easily tunable, by switching each part of the dipole.

First, indolizine, an aromatic ring rarely used in dye chemistry, was chosen as the donor moiety, due to its strong electron-donating character. It was paired with the strong acceptor TCF, well known in NIR dye chemistry. The two groups were linked by pi bridges of varying length. This strategy led to dipoles with emission shifted into the infrared in solution, but not in the solid state. However, it was possible to formulate them as hybrid nanoparticles by combining pluronic F-127 ( a block copolymer made of ethylene glycol/propylene glycol blocks) and silica, and to obtain promising preliminary results.

Then, cationic acceptors, inspired by NIR emitting cyanines, were coupled to the indolizine donor via the same pi bridges. The resulting asymmetric cyanines exhibit optical properties extending into the NIR-II region (>1000 nm), both in solution and solid. Some of these cationic dyes were investigated in a conformational and theoretical study. Non emissive dyes were formulated in nanoparticles for photoacoustic imaging, and characterized as such.

Finally, other donor groups, like triphenylamine and carbazole, and TCF-derived acceptors, previously used by the team, were adapted to a new pi bridge, yielding far red solid-state emission, with large quantum yields. They were formulated into “fluorescent organic nanoparticles” (FONs) and paired with dyes from the first parts to red shift their emission, resulting in nanoparticles exhibiting excitation and emission both in the NIR II.