Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques ISIC (Laboratoire de chimie supramoléculaire des lanthanides LCSL)

Complexes luminescents de lanthanides avec des dérivés du cyclène comme briques pour l'ingénierie de sondes analytiques biomédicales

Ferrand, Anne-Claire ; Bünzli, Jean-Claude (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3075.

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    Summary
    This work deals with the engineering of a new luminescent complex of lanthanide, able to be specifically grafted onto biological materials and to emit a characteristic light useful in quantifying the concentration of the target molecules. We have based our molecular design on TbL1, wich possesses a significant quantum yield in water pointing to an efficient intramolecular energy transfer. We have elaborated the synthesis of a ligand derived from L1 and named L3, by functionalizing one of the chromophoric groups into a moiety able to couple the luminescent sensor to biological materials. The synthesis of the complexes was then realized. The thermodynamic study of the ligands L1 and L3, and their terbium complexes in water was made to establish the distribution diagrams and to compare their behaviour, especially at neutral pH. In addition, EuL1 was also investigated and the complexation constants of TbL1, EuL1 and TbL3 in water showed that these molecules are thermodynamically stable in aqueous media. Characterization of EuL3 in the solid state by high resolution luminescence allowed us to determine the geometry of the coordination sphere of the Eu(III) ion, which possesses a distorded C4 symmetry. The detailed study of the Eu(III) ion transitions evidenced two different sites, possibly arising from an equilibrium induced by the competition between a water molecule and the carboxylate function. This interpretation is in line with the measured lifetimes of the Tb(III) and Eu(III) excited states and the calculation of the hydration number of the complexes in aqueous solution. The determination of the energy of the singlet state and triplet states of the ligand, as well as of the emitting levels of the Ln(III) ions in solution showed that their relative values are favorable for a good intramolecular energy transfer. The quantum yields of TbL3 and EuL3, which amount to 2.6 % and 1.4 %, respectively, are lower than those of the complexes with L1, denoting that the presence of the acid function increases losses in the energy transfer. However, these values remain sizeable enough for potential biomedical applications. The study of the intermolecular energy transfer from EuL1, EuL3 and TbL3 to the acceptor Cy5 has proved promising, and the resulting yields were 90 % for EuL1 and 80 % for the complexes with L3.
    Résumé
    Ce travail a consisté en l'ingénierie d'un nouveau complexe de lanthanide luminescent, capable de se greffer spécifiquement sur du matériel biologique, et d'émettre une lumière caractéristique afin de définir la concentration en molécules ciblées. Pour cela, nous nous sommes basés sur le complexe TbL1, dont le rendement quantique dans l'eau est significatif d'un transfert d'énergie intramoléculaire efficace. Nous avons ainsi élaboré la synthèse d'un ligand, nommé L3, dérivé de L1, en fonctionnalisant un des groupes chromophores en une fonction servant à greffer l'édifice sur du matériel biologique. La synthèse des complexes a ensuite été réalisée. L'étude thermodynamique en solution des ligands L1 et L3, et de leurs complexes de terbium a permis d'élaborer leurs diagrammes de distribution et de comparer leur comportement, notamment à pH neutre. De plus, le complexe EuL1 a aussi été étudié et les constantes de formation des complexes TbL1, EuL1 et TbL3 dans l'eau démontrent que ces molécules sont thermodynamiquement stables en milieu aqueux. La caractérisation du complexe EuL3 à l'état solide par luminescence à haute résolution a permis de déterminer la géométrie de la sphère de coordination de l'ion Eu(III), qui est de type C4 distordue, proche de celle du complexe EuL1. L'étude détaillée des transitions de l'ion Eu(III) a mis en évidence l'existence de deux sites différents, provenant probablement de l'équilibre causé par la compétition entre une molécule d'eau et la fonction carboxylate du bras fonctionnalisé. Ce phénomène est à nouveau mis en évidence lors de la détermination des temps de vie des ions Tb(III) et Eu(III) et du nombre d'hydratation du complexe en solution aqueuse. La détermination en solution des énergies des états singulet et triplet du ligand et des niveaux émetteurs des ions Ln(III) dans les complexes a mis en évidence que leurs valeurs relatives sont propices à un bon transfert d'énergie intramoléculaire. De plus, l'état singulet du ligand n'est observable qu'à basse température. Les rendements quantiques des complexes TbL3 et EuL3, de valeurs respectives 2.6 % et 1.4 %, sont plus faibles que ceux des complexes avec le ligand L1, dénotant que la présence de la fonction acide augmente les pertes dans le transfert d'énergie ; ils restent néanmoins appréciables pour des applications biomédicales. L'étude du transfert d'énergie intermoléculaire des complexes EuL1, EuL3 et TbL3 vers l'accepteur Cy5 s'est avérée très positive, puisque les rendements sont de 90% pour le complexe EuL1 et de 80 % pour les complexes du ligand L3.