Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Ces travaux portent sur le domaine de la nanométrologie dimensionnelle, plus particulièrement dédiée aux positionnements et aux déplacements de platines mécaniques sur des courses millimétriques. On y trouvera des détails concernant les méthodes originales développées au laboratoire, associant mécanique de précision, capteurs optiques et électronique haute fréquence qui ont permis d'obtenir de nombreux résultats expérimentaux dans ce domaine. L'accent est mis sur deux champs d'action plus particulièrement. Le premier concerne le déplacement d'une platine porte-échantillon pour des applications en association avec la microscopie en champ proche et la lithographie où il est nécessaire d'effectuer des déplacements millimétriques dans un plan avec des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Le second concerne la balance du watt du Laboratoire National d'Essai où il est nécessaire de déplacer une masse le long d'un axe à une vitesse uniforme de 2 mm.s-1 avec une exactitude de 10-9 en valeur relative.

Au cours des années, l'utilisation de composés nocifs a augmenté de façon exponentielle, et c'est la raison pour laquelle développer des méthodes pour l'identification de composés dangereux, tels que les composés organophosphorés (OP) et les explosifs organiques nitroaromatiques, est indispensable. L'analyse des composés organophosphorés et des explosifs est un enjeu important dans la sécurité intérieure, la médecine légale et les sciences de l'environnement. Il est crucial de développer des méthodes analytiques fiables, sensibles et efficaces pour identifier précisément les composés organophosphorés et les explosifs. Dans ce contexte, le but de ce travail de recherche était de développer des méthodes basées sur la spectrométrie de masse pour l'identification précise et sans ambiguïté de ces composés. Un arbre d'identification a été développé pour l'élucidation structurale de composés organophosphorés. Cette approche a été évaluée à l'aide d'une matrice biologique. D'autre part, les explosifs nitroaromatiques ont été étudiés et plusieurs nouveaux résultats ont été trouvés et reportés. L'application de l'analyse directe en temps réel (DART) couplée à la spectrométrie de masse Orbitrap (DART-FTMS) est décrite ici pour le screening rapide et la caractérisation des échantillons de frottis sur coton obtenus à partir d'armes militaires. / Over the years, the widespread use of harmful compounds has increased exponentially, and this is the main reason to develop methods for the identification of dangerous compounds, such as organophosphorus (OP) compounds and organic nitroaromatic explosives. The analysis of OP compounds and explosives is an important issue in homeland security, forensic and environmental sciences. To this aim, it is crucial to develop reliable, sensitive and efficient analytical methods to accurately identify OP compounds and explosives. In this context, the goal of this research work was to develop accurate mass spectrometric-based methods for the unambiguous identification of these compounds. An identification tree was developed for the structural elucidation of OP compounds. This approach was assessed using a biological matrix. On the other hand, nitroaromatic explosives have been investigated and several new findings were found and reported. Furthermore, the application of Direct Analysis in Real Time (DART) coupled to the Orbitrap mass spectrometer (DART-FTMS) is discussed herein for the fast screening and characterization of cotton swab samples obtained from military weapons.

Ce travail porte principalement sur l'étude de la partie triterpénique de trois résines végétales naturelles et commercialement disponibles, l'oliban, la dammar et la mastic, par diverses techniques analytiques (IRTF, CLHP/UV, CLHP/UV/Fluorimétrie etCPG-SM). Une étude fluorimétrique a été réalisée sur ces trois résines via réaction de greffage d'un marqueur de fluorescence(chlorure de dansyle), ce qui a permis de détecter les molécules triterpéniques par fluorimétrie, de diminuer leur seuil de détection et d'obtenir une empreinte digitale fluorimétrique spécifique pour chaque résine étudiée. Ce protocole a été appliqué avec succès sur un échantillon archéologique (G14) et le matériel résineux a été identifié (résine oliban, espèce B. frereana). La partie triterpénique a été extraite par divers procédés d'extraction (le reflux, le Soxhlet et les ultrasons) en utilisant trois différents solvants (le méthanol, le n-hexane et le d-limonène) dans le but de déterminer les conditions optimales pour l'extraction et l'identification des molécules triterpéniques par CLHP/UV. Deux colonnes de phase inverse ont été testés dans ce travail : une colonne classique RP-18 (Merck) et une colonne "core-shell" Kinetex (Phenomenex) pour essayer d'optimiser les conditions d'analyse. La colonne Kinetex a permis une diminution de temps d'analyse de 73% pour l'oliban et de 70% pour la dammar et la mastic, ce qui représente un résultat très encourageant. Le protocole optimisé a été appliqué avec succès sur l'échantillon archéologique G12 supposé contenir de la mastic, ce qui a été confirmé par les analyses CLHP/UV et CPG-SM. Une étude quantitative de rendement et d'aire relative du pic a été également réalisée. Les extraits ont été analysés par CLHP/UV etCPG-SM. Pour l'analyse en CPG-SM, la préparation des échantillons a été faite à travers la formation des dérivés TMS(triméthylsilylés) dans le but de créer une base de données de dérivés TMS pour les résines dammar et mastic. L'identification des composés caractérisés dans ce travail a été faite selon la littérature spécialisée, les tR et les spectres UV correspondants. Led-limonène, un solvant "vert", a été utilisé pour la première fois pour l'extraction de ce genre de matériaux, à notre connaissance et il permet une formation directe des dérivés TMS, en présence de solvant d'extraction. Au même temps, sep téchantillons artistiques supposés contenir un vernis à base d'une résine naturelle, en provenance de la Galerie Nationale de Sarajevo (Bosnie-Herzégovine) ont été analysés et seulement pour un de ces sept échantillons, il a été mis en évidence la présence d'une gomme-résine naturelle. L'étude scientifique des échantillons bosniens agrandira la documentation sur l'Art et sur le patrimoine culturel de Bosnie-Herzégovine, qui rencontre une période difficile depuis la dernière guerre (1992-1995)

La microscopie thermique est un outil prometteur permettant d’étudier les mesures thermiques de matériaux et les mécanismes de transfert de chaleur aux micro/nanoéchelles. La réponse thermique de la sonde a été étudiée en utilisant deux sondes résistives : Wollaston et Palladium. Un modèle en 3D réaliste a été développé pour la sonde Wollaston et l’échantillon avec leur milieu environnant. La simulation de la sonde prend en compte son support et considère que le milieu environnant est convectif. La réponse de la sonde a été évaluée lors de l'approche vers un échantillon de cuivre. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que la prise en compte de la convection naturelle pour le milieu environnant est une hypothèse valide. Nous présentons ensuite une méthodologie pour étudier le signal thermique de la sonde en contact avec un échantillon nanostructuré. Pour cela, nous avons utilisé un échantillon composé de marches de silicium sous une couche de SiO2. SThM s'avère être un outil puissant pour effectuer l'imagerie sub-surfacique. Nous avons montré que le signal thermique obtenu par la sonde est influencé par la présence de structures internes et correspond à un volume sondé qui tient en compte les propriétés thermiques des matériaux. Avec notre modèle, nous avons pu reconstruire le profil expérimental obtenu par SThM. Pour la sonde en Palladium, la réponse de la sonde a été étudiée expérimentalement sous conditions ambiantes en mode alternatif. L'analyse des résultats a mis en évidence la présence d’un phénomène interpréter comme une résonance d'onde thermique qui prend place au micro/nanoéchelle. Ce phénomène est lié à la longueur de diffusion thermique du milieu environnant (air) et indépendant des propriétés thermiques de l'échantillon. / Scanning thermal microscopy is a promising tool to investigate material’s thermal measurements and heat transfer mechanisms at the micro/nanoscale. The probe thermal response was explored using two different resistive probes: Wollaston and Palladium probes. A 3D realistic model was developed for the Wollaston probe-sample system with their surrounding medium. The simulation of probe takes into account its holder and considers that the surrounding medium between the probe and the sample is convective. The probe’s response was evaluated during the approach toward a sample of copper. The comparison with experimental results showed that considering natural air convection for the surrounding medium is a valid assumption. We then present a methodology to characterize the thermal signal of probe in contact with a nanostructured sample. For that, we used a sample composed of buried silicon steps under SiO2. SThM proves to be a powerful tool to perform subsurface imaging. We showed that the thermal signal obtained by the probe is influenced by the presence of internal structures and corresponds to a scanned volume which takes into account material’s thermal properties. With our modelling, we was able to rebuild the experimental profile obtained by SThM. For the Palladium probe, the probe’s response was studied experimentally under ambient conditions in the AC mode for different frequencies. The analysis of the results pointed on a phenomenon which can be described as a thermal wave resonance which takes place at micro/nanoscale. This phenomenon was shown to be related to the thermal diffusion length of the surrounding medium (air) and independent of the sample thermal properties.

Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies. / Extraction of pathogens from a biological sample is a key step for efficient diagnostic tests of infectious diseases. For bloodstream infections, current diagnostic methods are usually based on bacterial growth and take several days to provide valuable information. An accelerated result would have a high medical value to adjust therapeutic strategies. The aim of this study is to design a new approach for separation and concentration of microorganisms directly from a blood sample, to avoid time-consuming growth stages. We report a method based on two different microsystems connected in series: it combines modification of conductivity and osmolarity of the sample with generic capture of microorganisms by dielectrophoresis. First we explore the impact of conductivity and osmolarity on the dielectric properties of blood cells and microorganisms. Dilution and acoustic forces are both analyzed to transfer blood cells and microorganisms to the optimized buffer. Then we demonstrate the feasibility of achieving the dielectrophoretic separation of microorganisms from blood cells in a low conductivity and low osmolarity medium inside a fluidic device. The structure of the device is optimized with numerical simulations and experiments performed on blood samples and various microorganisms (E. coli, S. epidermidis and C. albicans).The generic capture of microorganisms is validated, and we achieved a separation of 97% efficiency with E. coli, with an optimal inlet velocity around 100-200 µm.s-1. Finally, we propose an improved microsystem to perform the sample preparation step on a larger volume (1-10mL) in a few hours, in order to fit the medical need.

Cette thèse propose des approches probabilistes pour améliorer et optimiser un des instruments les plus populaires de l'analyse technique, les bandes de trading. Les parties I et II se concentrent sur l'optimisation des composantes des bandes de trading: ligne centrale (représentée par la moyenne mobile) et lignes des bandes. La partie III est dédiée à l'amélioration du processus de prise de décision. Dans la partie I on propose d'utiliser le krigeage, une approche géostatistique, pour l'optimisation des poids des moyennes mobiles. Le krigeage permet d'obtenir l'estimateur optimal, qui incorpore les caractéristiques statistiques des données. Contrairement aux méthodes classiques, qui sont utilisées en finance, celle ci peut être appliquée aux données échantillonnées à maille régulière ou irrégulière. La partie II propose une méthode, basée sur la transformation des données en une variable normale, qui permet de définir les valeurs extrêmes et en conséquence les valeurs des bandes sans imposition de contraintes sur la distribution des résidus. Enfin, la partie III présente l'application des méthodes de krigeage disjonctif , une autre méthode géostatistique, pour les décision plus informative sur le timing et le type de position. Le krigeage disjonctif permet d'estimer les probabilités que certain seuils seront atteints dans le futur. Les résultats expérimentaux prouvent que les techniques proposées sont prometteuses et peuvent être utilisées en pratique.

Le football moderne est caractérisé par des efforts intermittents de très haute intensité. Pendant un match, les joueurs réalisent des performances, qu'elles soient physiques ou techniques, en lien direct avec la spécificité de leur poste de jeu, leur rôle tactique et leur positionnement sur le terrain. Un match de football de haut niveau induit des variations de fréquence cardiaque, une baisse de réserves énergétiques, une augmentation des dommages musculaires, du stress oxydatif et une affectation du statut immunitaire. Incidences physiologiques auxquelles se rajoutent des modifications de perception de la fatigue, des douleurs musculaires, du bien-être, de la qualité du sommeil, du stress psychologique et de l'humeur. Toutes ces incidences se mesurent, se quantifient et s'analysent en lien direct avec des facteurs contextuels comme le lieu du match, le moment de la journée, le système de jeu, …, et les périodes d'enchainement de match (e.g. deux à trois matchs par semaine) qui peuvent avoir une influence significative. La présente thèse a pour objectif principal l'étude de l'influence de l'enchainement de matchs sur les performances physiques et sur les cinétiques de récupération mesurées sur des marqueurs sanguins, salivaires et des questionnaires de perception, sur des joueurs de football de haut-niveau / Modern football is characterized by very high-intensity intermittent efforts. During a match, players perform technical and physical tasks in relation to their specific positions on the field. A high-level football match induces heart-rate variations, energetic storage lowering, muscular damage and oxidative stress increase and immune status alteration. These physiological variations are accompanied by modifications of fatigue perceived, muscle soreness, wellness, sleep quality, psychological stress and overall mood. All these incidences can be measured, quantified and analyzed, in direct relation to contextual factors like game location, time of the day, playing system, …, and congested period of matches (e.g. two to three matches per week). The present thesis aims to report all the ways to monitor match load and fatigue and aims to analyze the influence of playing matches during congested periods on physical activity and on physiological post-match kinetics, over high-level football players

Une technique d'ablation laser dite en champ proche a été développée pour l'analyse chimique d'échantillons solides à l'échelle sub-micrométrique. Cette technique combine un laser Nd:YAG nanoseconde, un microscope à force atomique AFM et un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICPMS). Afin d'améliorer la résolution spatiale de la technique d'ablation laser classique, l'effet de champ proche, consistant à amplifier l'énergie du laser très localement a été mis à profit. Cet effet est obtenu par illumination, par un faisceau laser, de la pointe conductrice de l'AFM placée à quelques nanomètres (5-30 nm) de la surface d'un échantillon. En appliquant cette technique d'ablation sur des échantillons conducteurs, l'or et le tantale, et un échantillon semi-conducteur, le silicium, une résolution latérale de 100 nm et des profondeurs de quelques nanomètres ont été obtenues. Deux codes numériques développés au laboratoire ont permis l'étude de deux phénomènes intervenant aux alentours de la pointe : l'amplification du champ électrique du laser par effet de pointe, et le chauffage induit par le laser à la surface de l'échantillon. L'influence des principaux paramètres opératoires sur ces deux phénomènes d'amplification et de chauffage a été étudiée. Une étude expérimentale multiparamétrique a été réalisée afin d'étudier l'influence des différents paramètres (fluence du laser, longueur d'onde du laser, nombre de tirs laser, distance pointe-échantillon, nature et dimensions de la pointe, nature de l'échantillon) sur l'efficacité d'ablation, sur les dimensions des cratères et sur la quantité de matière ablatée. / A near field laser ablation method was developed for chemical analysis of solid samples at sub-micrometric scale. This analytical technique combines a nanosecond laser Nd:YAG, an Atomic Force Microscope (AFM), and an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICPMS). In order to improve the spatial resolution of the laser ablation process, the near-field enhancement effect was applied by illuminating, by the laser beam, the apex of the AFM conductive sharp tip maintained at a few nanometers (5 to 30 nm) above the sample surface. The interaction between the illuminated tip and the sample surface enhances locally the incident laser energy and leads to the ablation process. By applying this technique to conducting gold and tantalum samples, and semiconducting silicon sample, a lateral resolution of 100 nm and depths of a few nanometers were demonstrated. Two home-made numerical codes have enabled the study of two phenomena occurring around the tip: the enhancement of the laser electrical field by tip effect, and the induced laser heating at the sample surface. The influence of the main operating parameters on these two phenomena, amplification and heating, was studied. An experimental multi-parametric study was carried out in order to understand the effect of different experimental parameters (laser fluence, laser wavelength, number of laser pulses, tip-to-sample distance, sample and tip nature) on the near-field laser ablation efficiency, crater dimensions and amount of ablated material.