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Electrofluorochromism is the study of the fluorescenceemission modulation of a fluorophore by electrochemical control of theoxydation state of an electroactiv moiety. Fluorophore and electroactiv moietycan be the same, as for example in the case of tetrazines. Indeed thesefluorophores can be reversibly reduced into non fluorescent radical anions.This work aims at studying electrofluorochromism under two different aspects :- the design of modified electrodes for the dévelopment of solidelectrofluorochromism. With this in mind, films of conductiong polymersincorporating tetrazines units and transparent electrodes functionalizedby tetrazines siloxanes have been developed.- the development of a coupling between time-resolved fluorescencemicroscopy and scanning electrochemical microscopy has been carried outby the use of an electrofluorochromic probe. The concept of thiscoupling is demonstrated by using chlorométhoxytetrazine as the probe.Then an extension of the methodology to aqueous media is proposed byreplacement of tetrazine by resorufine.; L'électrofluorochromisme est l'étude de la modulationde la fluorescence d'un fluorophore par le contrôle électrochimique du degréd'oxydation d'une entité électroactive. Fluorophore et entité électroactivepeuvent être confondus. C'est le cas par exemple pour les tétrazines puisqueces fluorophores peuvent être réduits réversiblement en radicaux anions nonfluorescents. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent àétudier l'électrofluorochromisme sous deux aspects :- un aspect design d'électrodes modifiées pour le développement del'électrofluorochromisme solide. Dans cette optique, ont été développésd'une part des films de polymères conducteurs incorporant des unitéstétrazines, d'autre part des électrodes transparentes fonctionnaliséespar des tétrazines siloxanes.- un aspect instrumental puisqu'un couplage entre microscopie defluorescence résolue en temps et microscopie électrochimique à balayageest proposé au moyen de l'utilisation d'une sonde électrofluorochrome.Le principe du couplage est démontré avec la chlorométhoxytétrazine. Uneextension de la méthode aux milieux aqueux est ensuite proposée grâce auremplacement de cette dernière par la résorufine.

Economic and ecological issues call for the development of new environmentally friendly, inexpensive and easy to implement chemical synthesis processes. To turn towards economically and environmentally viable oxidation processes, the use of molecular O2 which is abundant and inexpensive is an ideal strategy. Some metallo-enzymes such as cytochromes p450 whose active site contains a Fe ion, are able to use O2 to perform efficient and selective oxidation reactions in mild conditions. However, O2 must be first be activated to achieve these reactions. This process called reductive activation involves several steps of different reduction and protonation leading to the formation of reactive intermediate species such as FeIIIOO•, FeIIIOO-, FeIIIOOH and FeVO after the cleavage of the O-O that is able to oxidize an organic substrates. The challenge of my phD thesis is to understand the mechanisms and to determine the parameters to control this activation. Firstly, the study of the [O2 + e-+ H+] system in the absence of Fe, completed by a study in the presence of Li+and Na+ion is a starting point. Subsequently, the SECM study of the [FeII + O2 + e-] system demonstrated the detection of FeIIIOOoxidation at one electron. In the presence of protons, the study of the mechanism of the [FeII + O2 + e-+ H+] system is completed and the formation of the FeIVO intermediate is evidenced by SEC. Finally, reactivity studies in the presence of Cl– are presented as promising results of this work.; Les enjeux économiques et écologiques actuels imposent le développement de nouveaux procédés de synthèse chimique respectueux de l'environnement, peu coûteux et faciles à mettre en œuvre.Pour le développement des procédés d’oxydation économiquement et écologiquement viables, l’utilisation de O2, abondant et peu coûteux, apparait comme un choix idéal. Pour cela, certaines metalloenzymes, telles que les cytochromes P450 capables de réaliser des réactions d’oxydation efficacement et sélectivement dans des conditions douces, constituent une source d’inspiration. Cependant, une telle réactivité nécessite l’activation de O2. Ce processus, appelé activation réductrice, implique la coordination de O2 sur un ion Fe du site actif et une succession d’étapes de réduction et protonation conduisant à la formation d’intermédiaires réactionnels tels que FeIIIOO•, Fe IIIOO- FeIIIOOH et FeVO après la coupure de la liaison O–O, espèce hautement réactive et capable d’oxyder un substrat organique.L'enjeu de ma thèse est de comprendre les mécanismes et déterminer les paramètres permettant de contrôler cette activation. Nous avons alors choisi un complexe porphyrine modèle [FeII(F20TPP)Cl] et une approche électrochimique multiéchelle, basée sur l’utilisation de la voltamétrie cyclique (CV), la microscopie électrochimique à balayage (SECM) et la spéctroéléctrochimie UV-Vis (SEC). Dans un premier temps, l’étude du système [O2 + e-+ H+] en absence de Fe, complétée par une étude en présence d’ion Li+ et Na+ constitue une point de départ et une mise au point expérimentale. Par la suite, l’étude par SECM du système [FeII + O2 + e-] a mis en évidence la détection de l’oxydation à un électron de FeIIIOO. En présence de protons, l’étude du mécanisme réactionnel du système [FeII + O2 + e-+ H+] a montré la formation de l’intermédiaire FeIVO par SEC et sa détection par SECM. Enfin, des études en réactivité en présence de Clsont présentées comme résultats prometteurs de ce travail.

Economic and ecological issues call for the development of new environmentally friendly, inexpensive and easy to implement chemical synthesis processes. To turn towards economically and environmentally viable oxidation processes, the use of molecular O2 which is abundant and inexpensive is an ideal strategy. Some metallo-enzymes such as cytochromes p450 whose active site contains a Fe ion, are able to use O2 to perform efficient and selective oxidation reactions in mild conditions. However, O2 must be first be activated to achieve these reactions. This process called reductive activation involves several steps of different reduction and protonation leading to the formation of reactive intermediate species such as FeIIIOO•, FeIIIOO-, FeIIIOOH and FeVO after the cleavage of the O-O that is able to oxidize an organic substrates. The challenge of my phD thesis is to understand the mechanisms and to determine the parameters to control this activation. Firstly, the study of the [O2 + e-+ H+] system in the absence of Fe, completed by a study in the presence of Li+and Na+ion is a starting point. Subsequently, the SECM study of the [FeII + O2 + e-] system demonstrated the detection of FeIIIOOoxidation at one electron. In the presence of protons, the study of the mechanism of the [FeII + O2 + e-+ H+] system is completed and the formation of the FeIVO intermediate is evidenced by SEC. Finally, reactivity studies in the presence of Cl– are presented as promising results of this work., Les enjeux économiques et écologiques actuels imposent le développement de nouveaux procédés de synthèse chimique respectueux de l'environnement, peu coûteux et faciles à mettre en œuvre.Pour le développement des procédés d’oxydation économiquement et écologiquement viables, l’utilisation de O2, abondant et peu coûteux, apparait comme un choix idéal. Pour cela, certaines metalloenzymes, telles que les cytochromes P450 capables de réaliser des réactions d’oxydation efficacement et sélectivement dans des conditions douces, constituent une source d’inspiration. Cependant, une telle réactivité nécessite l’activation de O2. Ce processus, appelé activation réductrice, implique la coordination de O2 sur un ion Fe du site actif et une succession d’étapes de réduction et protonation conduisant à la formation d’intermédiaires réactionnels tels que FeIIIOO•, Fe IIIOO- FeIIIOOH et FeVO après la coupure de la liaison O–O, espèce hautement réactive et capable d’oxyder un substrat organique.L'enjeu de ma thèse est de comprendre les mécanismes et déterminer les paramètres permettant de contrôler cette activation. Nous avons alors choisi un complexe porphyrine modèle [FeII(F20TPP)Cl] et une approche électrochimique multiéchelle, basée sur l’utilisation de la voltamétrie cyclique (CV), la microscopie électrochimique à balayage (SECM) et la spéctroéléctrochimie UV-Vis (SEC). Dans un premier temps, l’étude du système [O2 + e-+ H+] en absence de Fe, complétée par une étude en présence d’ion Li+ et Na+ constitue une point de départ et une mise au point expérimentale. Par la suite, l’étude par SECM du système [FeII + O2 + e-] a mis en évidence la détection de l’oxydation à un électron de FeIIIOO. En présence de protons, l’étude du mécanisme réactionnel du système [FeII + O2 + e-+ H+] a montré la formation de l’intermédiaire FeIVO par SEC et sa détection par SECM. Enfin, des études en réactivité en présence de Clsont présentées comme résultats prometteurs de ce travail.

The decrease of fuel cells cost is necessary to provide a worldwide access to the technology. Synthesis of noble metal-free catalysts is a promising way to achieve this goal. The electrochemical analysis of these materials is however not easy either to compare the electrocatalytic properties or to understand the performances of these catalysts. The scientific community generally studies catalysts at a macroscale, where the recorded response is averaged on a very large number of catalytic objects. The works presented here shows the setup of a method to analyze the electrocatalytic activity of noble metal-free catalyst for the oxygen reduction reaction in acidic media by scanning electrochemical microscopy. This method brings several advantages such as the possibility to study and compare multiple catalysts on the same sample at a macro- or a microscale. The comparison of several catalysts with this setup is then. A catalyst has been studied under various conditions of: loading, surface area, weight of catalyst and quantity of additives such as Nafion. The investigation of the material stability is also illustrated. These results suggest large range of application of the technique and many possibilities in the future are now open to investigated noble metal-free electrocatalytic materials.; La synthèse de catalyseurs sans métaux nobles est une voie prometteuse pour rendre accessible à l’échelle mondiale les piles à combustible. L’analyse électrochimique de ces matériaux n’est pas aisée que ce soit pour comparer les propriétés électro catalytiques ou pour comprendre le fonctionnement de ces catalyseurs. Ceci provient du fait que la communauté scientifique évalue les performances catalytiques à l’échelle du matériau, donc sur un très grand nombre d’objets dont la réponse est moyennée. Les travaux présentés dans ce mémoire ont mis en place une méthode d’analyse de l’activité électrocatalytique de matériaux sans métaux nobles pour la réduction de l’oxygène en milieu acide par microscopie électrochimique à balayage. Cette approche permet d’étudier aussi bien macroscopiquement que microscopiquement les catalyseurs et d’étudier simultanément plusieurs catalyseurs, ce qui rend plus fiable la comparaison des résultats. Le dispositif présenté dans ce travail a permis de comparer différents catalyseurs avec des compositions proches ainsi que d’étudier l’influence de différentes paramètres sur un catalyseur : le chargement, la surface, la masse déposée et la quantité de Nafion ajoutée. Il a aussi été montré qu’il était possible d’étudier la stabilité des catalyseurs via ce dispositif. Ces différents résultats suggèrent que la méthode mise en place est polyvalente et permettra de nombreuses autres études.

This manuscript describes the work done for the development and use of electrochemical microscope (SECM) for the investigations of functional surfaces. This local probe microscopy, using the properties of ultramicroelectrodes (UMEs), permits the analysis of chemical reactivity on the sample’s surface. The aim of this work is then analyzing surfaces functionalized with an organic layer. Initially, we have developed the SECM methodology by using specific redox probes. First, it allowed us to determine the absolute distance between the electrode and the surface, thanks to an irreversible redox mediator such as polyaromatic. Then, we could observe the physicochemical surface properties, in particular to differentiate the electronic transfer modes through an organic layer, by using catechols or redox dendrimers. We have also started the development of a new mode of SECM: transient SECM. Secondly, we used the SECM to analyze three functionalized surfaces. The first surface is a gold substrate functionalized by calixarenes. The second is a glass side on which it was deposed photosensitive nanoparticles, called "quantum rods" and the last sample is a substrate of silicon modified by anthracene receptors. Finally, the last study concerns the writing and reading on an organic monolayer with the SECM probe. These localized changes of the organic layer are about the size of the UME, of the order of a micrometer. In our case, we chose the modification of self-assembled organic monolayer (SAM) on a gold substrate by the Huisgen coupling reaction. In addition to the improvement of our conditions of functionalization, we were able to demonstrate a phenomenon of surface catalytic propagation due to a special complex of copper (II) containing ethynyl functions., Ce manuscrit décrit les travaux menés pour le développement et l'utilisation du microscope électrochimique (SECM) pour l'étude des surfaces fonctionnelles. Cette microscopie à sonde locale, utilisant les propriétés des ultramicroélectrodes (UMEs), permet l'analyse de la réactivité chimique à la surface d'un échantillon. Le but de ces travaux est alors l'analyse de surfaces fonctionnalisées par une couche organique. Dans un premier temps, nous avons développé la méthodologie du SECM par l'utilisation de sonde redox spécifique. D'abord, cela nous a permis de déterminer la distance entre l'électrode-sonde et la surface grâce à un médiateur redox irréversible comme les polyaromatiques. Ensuite, nous avons pu observer des propriétés physico-chimiques d'une surface, notamment afin de différencier les différents modes de transport électronique au travers une couche organique, grâce à l'utilisation des catéchols ou des dendrimères redox. Nous avons également commencé le développement d'un nouveau mode d'utilisation du SECM : le SECM transitoire. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé le SECM afin d'analyser trois surfaces fonctionnalisées. La première surface est un substrat d'or fonctionnalisé par des calixarènes. La deuxième est une surface de verre sur laquelle il a été déposée des nanoparticules photosensibles, appelées « quantum rods ». Et la dernière est un substrat de silicium modifié par un récepteur anthracène. Finalement, la dernière étude qui a été menée concerne l'écriture et la lecture d'une monocouche organique grâce à la sonde du SECM. Ces modifications localisées de la couche organique sont alors de la taille de l'UME, soit de l'ordre du micromètre. Dans notre cas nous avons choisi la modification de monocouche organique auto-assemblée (SAM) sur un substrat d'or grâce à la réaction de couplage de Huisgen. En plus, de l'amélioration de nos conditions de fonctionnalisation, nous avons pu mettre en évidence un phénomène de propagation catalytique en surface grâce à un complexe spécial de cuivre (II) contenant une fonction éthynyle.

The presence of biological matter (biofilms) in deep geological sites for storage of, for instance, toxic elements or groundwater in aquifers was clearly proved. That biomass triggers physical and chemical processes which greatly modify the durability and the sustainability of the sites. These processes, mainly from oxidative/reductive reactions, are poorly understood. This is mainly due to the fact that former studies were done at the macroscopic level far away from the micrometric scale where relevant processes induced by bacteria take place. Investigations at microscopic level are needed. Thus, we developed an experimental set-up based on the combined use of optical microscopy (transmission), atomic force microscopy (AFM) and electrical and electro-chemical AFM microscopy (EC_AFM) in order to get simultaneous information on topographic and electro-chemical processes. The first highly sensitive step was to use AFM with biological samples in liquid environment: wepresent here a study about AFM imaging of living, moving or self-immobilized bacteria, in their genuine physiological liquid medium and in true in vivo conditions. No external immobilization protocol, neither chemical nor mechanical was needed. For the first time, the native gliding movements of Gram negative Nostoc cyanobacteria upon the surface were studied by AFM. AFM height and mechanical stiffness data were simultaneously acquired. From these, mechanical parameters, inner turgor pressure and Young modulus, were derived for different bacterial species (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Our study revealed that AFM imaging is thus possible on moving living species. These results open a large window on new studies of both dynamical phenomena of practical and fundamental interests such as the formation of biofilms and dynamic properties of bacteria in real physiological conditions. The second delicate step was to combine AFM and optical measurements with electrical ones. We mounted a new experimental set-up coupling real-time (i) monitoring of optical properties as the optical density (OD) evolution related to bulk bacterial growth in liquid or as the counting of number of bacteria adhering on the surface of the sample as well and (ii) electrical and electrochemical measurements. Furthermore, these results will shortly be applied to the optimized monitoring of the in-situ activity of bacteria consuming oil pollutants, following this way, in real-time, the bioremediation of an oilcontaminated soil (ANR ECOTECH_BIOPHY program).; La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume - milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR).

We have developed a decisively new type of high-resolution atomic force electrochemical microscopy (AFM-SECM), we label mediator-tethered AFM-SECM or MT/AFM-SECM, where the redox ferrocene (Fc) mediator is tethered to the AFM-SECM probe via nanometer long, flexible PEG chains. We have demonstrated that the tip-attached ferrocene-labeled PEG chains can act as effective molecular sensors probing the local electrochemical reactivity of a planar substrate. Moreover we have shown that the Fc-PEGylated AFM-SECM probes can be used for tapping mode imaging, allowing the simultaneous recording of electrochemical feedback current and of topography, with a vertical and a lateral resolution in the nanometer range. This new type of SECM microscopy is expected to find many applications partly because it increases the resolution of SECM down to the nanometer range, corresponding to the length of the PEG chains, without the need of using actual nanomer-sized microelectrodes. MT/AFM-SECM should also be particularly suitable for imaging the distribution of surface-bound enzyme molecules, and probing their catalytic behavior, eventually down to the single enzyme level, because it is, by design, free of the diffusional constraints of classical SECM.; Ce travail de thèse a été consacré à la mise au point d'une nouvelle microscopie électrochimique à force atomique (AFM-SECM) à haute résolution, totalement innovante, désignée par l'acronyme MT/AFM-SECM pour « Mediator Tethered–AFM/SECM », et pour laquelle le médiateur rédox ferrocène (Fc) est lié à la micro-électrode sonde combinée par le biais de chaînes flexibles polyéthylène glycol (PEG). Il a été établi que les têtes ferrocènes ainsi attachées à l'extrémité de la pointe-sonde AFM-SECM sont capables de sonder la réactivité locale d'un substrat. Il a de plus été démontré que les pointes AFM-SECM Fc-PEGylées peuvent être utilisées en imagerie en mode tapping, permettant l'acquisition simultanée d'un courant de feedback électrochimique et de la topographie du substrat, et ce avec une résolution latérale et verticale de l'ordre du nanomètre. Ce nouveau type de microscopie SECM, devrait trouver de nombreuses applications en partie parce qu'il permet d'obtenir une résolution SECM de l'ordre du nanomètre, dictée par la longueur des chaînes PEG, sans avoir à utiliser des sondes nanométriques. Cette nouvelle microscopie présente donc une résolution suffisante pour permettre de localiser des macromolécules individuelles, en particulier des molécules d'enzyme rédox, sur une surface. Mais de plus, parce qu'elle est libre des contraintes diffusionnelles de la SECM « classique », la microscopie MT/AFM-SECM devrait, en principe, permettre également de caractériser le fonctionnement cinétique de ces enzymes, molécule d'enzyme par molécule d'enzyme.

Amorphous carbon nitride films (a-CNx) have been synthesized by a magnetron sputtering technique with a view to prepare improved electrode materials.; Les films de carbone amorphe azoté a-CNx sont élaborés par pulvérisation cathodique réactive radiofréquence magnétron en vue de leur utilisation comme matériaux d'électrode.