La microscopie biphotonique est une technique de fluorescence particulièrement adaptée à l’étude des processus biologiques moléculaires complexes, grâce à sa grande sensibilité, sa haute résolution temporelle et sa capacité à limiter les dommages en milieu biologiques. L’utilisation de sondes luminescentes à base de lanthanides dans ce contexte constitue un atout majeur grâce à leurs raies d’émission fine, couvrant le spectre du visible jusqu’à l’infrarouge, ainsi que leurs temps de vie longs, permettent une détection en temps résolu. De plus, leur couplage à des peptides de pénétration cellulaire favorise leur internalisation dans les cellules sans induire de toxicité significative. Ces caractéristiques offrent un avantage considérable, puisqu’en milieu biologique il est possible d’exploiter la fenêtre de transparence (650–1300 nm) afin d’imager les cellules en profondeur tout en s’affranchissant de l’autofluorescence, dont la durée de vie est bien plus courte que celle des lanthanides.
​ Au cours de cette thèse, l’objectif principal a été l’identification et la suppression des processus de désexcitation non radiatifs dans une sonde luminescente à base de carbazole, utilisée pour la sensibilisation de l’europium en microscopie biphotonique. Pour ce faire, une nouvelle famille d’antennes à base de carbazole excitable de façons biphotonique a été synthétisée. Cette étude a permis de mettre en évidence l’impact de l’introduction de groupements électroattracteurs ou électrodonneurs au sein même du carbazole, montrant que la luminescence du complexe est affectée par la compétition entre un transfert d’électron photoinduit et le transfert d’énergie électronique responsable de la sensibilisation de l’europium. L’introduction de groupements électroattracteurs conduit ainsi à des sondes fortement luminescentes, capables d’être internalisées par des cellules vivantes et d’émettre un signal détectable en microscopie biphotonique.
Par ailleurs, l’optimisation de la structure des sondes et des peptides de pénétration cellulaire a permis une internalisation efficace dans une proportion importante de cellules. L’ajout de peptides signaux séquence a également permis de cibler spécifiquement le noyau. Enfin, en exploitant à la fois les propriétés intrinsèques des complexes de lanthanides et la présence du processus de transfert d’électron photoinduit identifié au sein de ce complexe, il a été possible de concevoir des sondes sensibles aux espèces réactives de l’oxygène, soit par modification des groupements substituant du carbazole, soit par l’introduction d’une fonction nitroxyde. ​​​
​