Ce travail de thèse a été focalisé sur le développement d’approches MS et IM-MS supramoléculaires pour la caractérisation fine des interactions protéine/ligand et pour l’analyse de mélanges protéiques complexes. La maîtrise des instruments de MS supramoléculaire ainsi que les optimisations instrumentales et méthodologiques réalisées ont permis d’étendre le potentiel des approches MS et IM-MS pour la caractérisation d’assemblages moléculaires particulièrement complexes. Nous avons ainsi pu suivre la cinétique de formation de complexes protéine/ligand ainsi que les changements conformationnels qui y sont associés, montrant l’intérêt du couplage IM-MS en recherche pharmaceutique. De plus, ce travail a porté sur l’étude de complexes de très hauts poids moléculaires et l’évaluation de l’IM-MS pour obtenir des informations structurales sur ces complexes. Nous avons ainsi permis de repousser certaines limites de la MS et de placer cette technique au cœur des études de biologie structurale. / The aim of this thesis was the development of different supramolecular approaches, like MS and IM-MS, to characterize precisely protein/ligand interaction and to analyze complex mixtures of proteins. Understanding of supramolecular MS instruments and instrumental and methodological optimizations were allowed the development of MS and IM-MS to characterize very high mass supramolecular assembly. Thus, we were able to follow by kinetic the formation of protein/ligand interaction as well as associated conformational modifications, showing the interest of IM-MS coupling in pharmaceutical research. Furthermore, this work deals with the study of high mass complexes and assessment of IM-MS to obtain structural information on these complexes. As a consequence, we have pushed away some limits of MS allowing the use of this technique in structural biology.

Le mécanisme de régulation des enzymes à travers les changements conformationnels est un processus clé dans le contrôle du fonctionnement cellulaire. Cette thèse est focalisée sur l’étude de trois complexes protéiques qui reflètent comment l’activité de protéines peut être est régulée par différents effecteurs. Pour cela, différentes spectroscopies ont étaient utilisées pour suivre les changements conformationnels des structures secondaire et tertiaire d’une protéine. La première protéine d’intérêt est PDZ1 de MAGI-1, impliquées dans la signalisation cellulaire. Ce domaine d’échafaudage est connu d’interagir avec la protéine E6 de HPV16. Il était démontré que les différents états conformationnels et leurs affinités vis-à-vis le C-terminal de la protéine virale sont régulées par la dynamique des liaisons hydrogène formées par un réseau qui connecte des acides aminés localisés dans les trois domaines de la protéine. Ces résultats suggère que les différences d’affinités sont directement corrélées aux liaisons hydrogène, ce qui mène à conclure que la pathogénicité et la prévalence d’un virus particulier comme le HPV16 sont liées à son habilitée à former un réseau de liaison hydrogène très solide comparé au substrat naturel. La deuxième protéine d’intérêt est une protéine modèle qui représente un petit prototype du changement conformationnel observé dans des protéines plus complexes. Il s’agit d’un peptide court capable de coordonner le cuivre. Ce n’est autre que le peptide β-amyloïde, connu d’être impliqué dans la maladie d’Alzheimer. L’objectif ici est de décrire l’effet des ligands histidine lors de la réduction du cuivre, qui est une réaction électrochimique critique pour le développement d’Alzheimer. La spectroscopie IRTF différentielle a montré deux sphères de coordination pour le Cu(I) et le Cu(II). Les majeurs changements spectraux sont dominés par les vibrations de l’imidazole des différentes histidines (His6, His13 et His14) ainsi que la contribution des résidus Asp1 et Tyr10. Les modifications de la géométrie de coordination peuvent être la cause de la dépendance-pH de l’agrégation du peptide observée en présence du Cu(I). Pour cela, il est possible de suggérer que la formation des fibrilles observées chez les patients d’Alzheimer n’est pas seulement stimulée par la présence du cuivre même mais elle est fortement affectée par ses réactions rédox.La dernière protéine d’intérêt est une métalloprotéine, la NADH:ubiquinone oxidoréductase (complexe I), qui joue un rôle majeur dans la bioénergétique cellulaire. Cette protéine contient plusieurs centres Fe-S et une flavine et son activité est régulée par l’énergie produite par la liaison avec un substrat ainsi que le transfert d’électrons de ces cofacteurs. Les vibrations métal-ligands de ces cofacteurs à l’état oxydé et à l’état réduit sont décrites ici. En utilisant l’électrochimie couplée aux spectroscopies IRTF, Raman de résonance et de fluorescence, les investigations sur le complexe I ont conduit à conclure que les propriétés des centres métalliques sont largement influencées par l’environnement proche. De plus, les changements conformationnels de la protéine ont un effet considérable sur les propriétés rédox et par la même, sur le bon fonctionnement de la protéine. Par ailleurs, la mutagenèse dirigée était utilisée pour étudier les propriétés des centres N1a et N2. A part des cofacteurs métalliques, cette étude a montré l’existence d’un nouveau cofacteur, une quinone localisée proche du domaine membranaire.[...] / The mechanism of enzyme regulation through conformational changes is a key pattern in governing cell behavior. In this thesis the focus is on three protein complexes that reflect how protein activity can be regulated by different effectors. Different spectroscopic techniques, like IR and Raman spectroscopy, were used is order to follow the secondary and tertiary conformational changes in protein structure to identify their roles. The first protein of interest was PDZ1 from MAGI-1, involved in cellular signaling. This scaffold domain is known to interact with the E6 protein from HPV16. It was demonstrated that the different conformational states and their affinities to the C-terminus of the viral protein is regulated by the dynamics of the hydrogen bonding network formed by the connection of specific amino acids in three regions of the protein. Study of mutations around the C-terminal area of the protein and the βC strand were performed; demonstrating that both regions are crucial for assembly of the hydrogen bonding network to stabilize the substrate binding. These results leads to conclude that the pathogenicity and prevalence of a particular virus like HPV16 is in its ability to build a stronger hydrogen bonding network in comparison to the natural binder. The allosteric model and the “shift population” model agree that, upon binding, conformational changes distant from a carboxylate binding group might be the key to understanding the binding dynamics between the PDZ domains and the viral proteins.The second protein of interest was a model that constitutes a small scale prototype of the conformational changes observed in more complex proteins; it is a short Copper-binding peptide, the amyloid-beta peptide, known to beinvolved in Alzheimer’s disease. The objective with this model was to describe the effect of histidine ligands in the metal centers upon Copper (Cu) reduction, a key electrochemical reaction in the development of Alzheimer’s. FTIR difference spectroscopy showed two different spheres of coordination for Cu(II) and Cu(I). The major changes in the structure are dominated by the contribution of the imidazole ring of His residues (His6, His13 and His14), in addition to Asp1 and Tyr10 residues. Changes in the coordination geometry could be key to the pH-dependency of the aggregation observed in the presence of Cu(I). Accordingly, it can be suggested that the formation of the fibrils observed in Alzheimer’s patients is not only triggered by the presence of Cu but it is strongly affected by its redox state. The last system of interest was a metalloprotein, the NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I), which plays a key role in the cellular bioenergetics. This protein bears several Fe-S clusters and one flavin and its activity is regulated by the energy produced by a bound substrate and the electron transfer of its cofactors. The metal ligand-vibrations of the cofactors are described in their oxidized and reduced states. Using electrochemistry coupled to FTIR, Resonance Raman and Fluorescence spectroscopies, the investigation of complex I led to the conclusion that the properties of the metal centers are dictated, to a large extent, by their surrounding environment. [...]

Cette thèse porte sur l'étude de nouvelles molécules organiques par différentes méthodes de spectroscopie. La combinaison de techniques de fluorescence résolue en temps, d'absorption différentielle résolue en temps et de spectro-électro-chimie avec des méthodes d'analyse globale permet de déterminer la photo-dynamique des molécules étudiées.Deux familles de molécules ont été étudiées. La première est une antenne de type donneur basée sur le pigment BODIPY. La seconde consiste en une triade donneur-accepteur-donneur (DAD) ayant des propriétés d'auto-organisation. Après une première génération de mol écules dont on a montré les limitations (temps de vie de l'état transfert de charge très court, d'environ 55 ps), une seconde génération de mol écules a été développée, incluant de nombreuses variations du groupe donneur, ce qui a permis de déterminer l'impact des-dites variations. Entre autres, un temps de vie de l'état transfert de charge de plus d'une nanoseconde est observé. / The topic of this thesis is the study -through different spectroscopy methods- of new organic molecules for photovoltaic applications. Combination of time resolved fuorescence, time resolved differential absorption and spectro-electro-chemistry with global analysis methods allowed to determine the photo-dynamics of the studied molecules. Two familiesof molecules have been studied. The first one is a donor-type antenna based on the BODIPY dye. The second consists in a donor-acceptor-donor (DAD) triad, with self-organizing properties. After a first generation of molecules that we proved to be limited by a short life time of its charge transfer state (about 55 ps), a second generation of molecules wasdeveloped, including several variation of the donor group, which allowed to study the impact of said variation. Among others, a charge transfer state lifetime longer than 1 nanosecond was observed.

La réponse optique de nano-objets métalliques et semi-conducteurs a été étudiée par spectroscopie par modulation spatiale (SMS), une technique permettant de détecter des nano-objets individuels et d'en mesurer quantitativement la section efficace d'extinction. Dans le cadre de ce travail, nous avons systématiquement corrélé ces mesures optiques à une caractérisation bi- voire tridimensionnelle de leur morphologie, permettant une comparaison précise des mesures avec des simulations numériques. Le premier volet de cette thèse décrit une étude détaillée de l'effet de la déposition de nano-objets métalliques de forme allongée (nanobâtonnets et nanobipyramides) sur un substrat absorbant. Nos expériences montrent qu'elle conduit à un élargissement de la résonance plasmon de surface, dont l'ampleur dépend fortement de la forme et de l'encapsulation des nano objets. En combinant la SMS avec une approche pompe-sonde, nous avons pu mesurer la réponse ultrarapide de nano-bipyramides d'or individuelles, qui contient une contribution de plusieurs de leurs modes de vibration, permettant d'accéder à leur fréquence et taux d'amortissement, en s’attachant en particulier à l'effet d'une encapsulation diélectrique des bipyramides. Au cours de cette thèse, nous avons étendu l'application de la SMS à des nano-objets très allongés avec une dimension micrométrique (nanofils et nanopointes), dans le but notamment d'étudier leur réponse optique, leur interaction avec une nanoparticule d’or et d’obtenir des informations sur leur profil d'absorption, une information essentielle pour l'interprétation d'expériences d'émission électronique (effet de champ) ou ionique (tomographie de sonde atomique) / The optical response of metallic and semi-conductor nano-objects has been studied by spatial modulation spectroscopy (SMS), a technique allowing to detect single nano-objects and to quantitatively measure their extinction cross-sections. During my thesis, we have systematically correlated these optical measurements with the 2D or 3D characterization of their morphology, allowing a precise comparison of the measurements with numerical simulations. The first part of my PhD thesis describes a detailed study of the effect of the deposition of elongated nano-objects on an absorbing substrate. Our experiments show a spectral broadening of the surface plasmon resonance, whose extent highly depends on the shape and the encapsulation of the nano-objects. By combining SMS with a pump-probe approach, we were able to measure the ultrafast response of single gold nano-bipyramids. This response contains a contribution from several vibration modes, allowing extraction of their frequencies and damping times. In particular, we have addressed the effect of a dielectric encapsulation of bipyramids on their vibrational quality factors. During this thesis, we extended the use of SMS to very elongated nano-objects with a micrometric dimension (nanowires and nanotips), with the goal of studying their optical response, their interaction with a gold nanosphere and obtaining information on their absorption profile, as required to interpret electronic (field effect) or ionic (atom-probe tomography) emission experiments

Les nanoparticules (NPs) bimétalliques présentent des propriétés catalytiques très intéressantes qui justifient leur utilisation dans des procédés industriels de catalyse hétérogène. Leur structure (chimique, géométrique, électronique) est néanmoins susceptible d’évoluer dans des conditions environnementales réelles et modifier leurs propriétés. L’objectif de cette thèse pluridisciplinaire est de suivre la réactivité de ces NPs en atmosphère réactive contrôlée. Pour cela, on a développé un dispositif de spectroscopie in situ à modulation spatiale afin de suivre l’évolution de la structure sur une grande population de NPs via l’étude de leur résonance du plasmon de surface (RPS) localisée. Ces observations ont été couplées avec une approche locale (NPs individuelles) par microscopie électronique à transmission environnemental (MET-E). La MET-E a permis de révéler des effets de composition et d’environnement sur la structure chimique de NPs Ag-In. Des alliages stables pauvres en indium se forment, puis une coquille d’oxyde d’indium dont l’épaisseur augmente avec la concentration atomique d’indium. D’autre part, des domaines de structures stables (coeur@coquille, Janus, système réduit) ont été mis en évidence selon les conditions locales de température et de pression d’hydrogène. Enfin, l’oxydo-réduction de NPs Ag-Fe a été suivie in situ via l’étude de leur RPS. La MET, la plasmonique environnementale et les nombreuses simulations (réponse optique, simulations Monte-Carlo) suggèrent une ségrégation du fer et de l’argent avec une surface enrichie en argent. L’oxydation semble induire la diffusion du fer en surface, directement suivie de la formation de magnétite (Fe3O4) / Bimetallic nanoparticles (NPs) are known to present interesting catalytic properties justifying their use in several industrial processes in the domain of heterogeneous catalysis. However, their (chemical, geometrical, electronical) structure may evolve under realistic reactive atmosphere, involving a modification of their properties. In this multidisciplinary work, the aim is focused on the surface reactivity monitoring of these NPs under controlled gaseous environment. For this purpose, we developed an in situ spectrophotometer based on spatial modulation to monitor the structure evolution of a large assembly of NPs through the study of their localized surface plasmon resonance (LSPR). This global approach has been coupled with a more local approach by environmental transmission electronic microscopy (E-TEM). E-TEM observations have shown both composition and environmental effects on the chemical structure of Ag-In NPs. This structure evolves from a stable low-enriched indium alloy to a core@shell configuration with a shell composed of indium oxide as the indium atomic concentration increases. Furthermore, stable structure (core@shell, Janus, reduced system) domains were evidenced under reducing atmosphere, depending on the temperature and hydrogen pressure. Lastly, Ag-Fe NP oxido-reduction was monitored on the new setup through LSPR modifications. MET observations, environmental plasmonics and simulations (optical response, Monte-Carlo simulations) suggest that these metals are initially segregated, with an enriched-silver surface. The exposure to an oxidative atmosphere seems to induce the diffusion of iron onto the surface, followed by the formation of magnetite (Fe3O4)

La spectrométrie de masse est devenue un outil indispensable pour la recherche en protéomique, notamment grâce au développement récent de nouveaux spectromètres de masse comme l’Orbitrap et de nouvelles méthodes de dissociation. La stratégie « bottom-up » (analyse des mélanges de peptides protéolytiques) est la plus utilisée par son efficacement et sa simplicité par rapport à la stratégie top-down (analyse des peptides plus longs ou des protéines intactes), mais cette dernière permet une caractérisation plus complète des isoformes de protéines et des modifications post-traductionnelles.Les méthodes de dissociation utilisant des photons, comme la photodissociation dans le domaine ultra-violet (UVPD) et la dissociation multiphotonique infrarouge (IRMPD), ont reçu une grande attention comme approches alternatives aux méthodes de dissociation par collision. L'absorption du photon UV à haute énergie peut être « diluée » sur l'ensemble du peptide ou de la protéine et provoque une fragmentation étendue du squelette peptidique (liaisons C-C), tandis que les photons IR à faible énergie augmentent progressivement l'énergie interne et dissocient préférentiellement les liaisons amide (C-N) les plus labiles.Cette thèse est centrée sur le développement de méthodes et les applications pour une caractérisation structurale de biomolécules par des méthodes d'activation utilisant des photons. L'intérêt de combiner des photons infrarouges à faible énergie et des photons UV à haute énergie dans un spectromètre de masse Orbitrap, pour la caractérisation de petites protéines, a été évalué. En outre, la dissociation infrarouge multiphotonique a été implémentée dans un piège à ions électrostatique afin d’étendre les méthodes de fragmentation aux macromolécules de très haut poids moléculaires dans le domaine mégadalton. L'une des principales avancées de cette thèse a été d'adapter ces méthodes de spectrométrie de masse aux objets biomoléculaires, allant des petits peptides (dans la gamme de masse de kilodalton) à des fibres de protéines entières (dans la gamme de masse de mégadalton) / The structural characterization of proteins often required them to be fragmented into small units containing only few amino acids. In bottom-up approach, proteins are cleaved into small peptides by enzyme then these peptides are subjected to further fragmentation in a collision cell of a tandem mass spectrometer. However, in top-down approach, proteins can directly be dissociated (without enzyme) into small fragments by collision, electron and photon-driven dissociations. Photon-based activation methods including ultraviolet photodissociation (UVPD) and infrared multiphoton dissociation (IRMPD) have received great attention as an alternative to electron-driven and collision induced dissociation methods. Absorption of the high-energy UV photon is dispersed over the whole peptide or protein and stimulates extensive C?Ca backbone fragmentation while the low-energy IR photons gradually increases the internal energy and thus favorably dissociates the most labile amide (C?N) bonds. This thesis focuses on the method development and applications for characterizing biomolecules by photon-based activation methods. The interest of combining high-energy UV photons and low-energy IR photons in an Orbitrap mass spectrometer, for protein and post-translationally modified peptide characterization, has been evaluated. Moreover, infrared multiphoton dissociation has been implemented in a gated electrostatic ion trap to push forward the limit of fragmentation methods to large megadalton ions. One of the main breakthroughs in this thesis is the ability to adapt these method developments and applications to biomolecular objects ranging from small peptides (in kilodalton mass range) to entire protein fibrils (in megadalton mass range)

La Spectroscopie de Résonance Magnétique (SRM) constitue un outil non-invasifunique pour l’exploration biochimique du métabolisme des organismes vivants. Cependant,en raison des champs magnétiques couramment utilisés chez l’homme etle petit animal, la SRM in vivo du proton ne permet pas de quantifier précisémentla concentration de tous les métabolites présents dans le cerveau. La SRM à deuxdimensions spectrales (SRM 2D), technique utilisée en routine en chimie, permetde séparer efficacement les signatures spectrales des métabolites facilitant ainsi leuridentification et leur quantification en termes de concentrations. Les travaux réalisésdans le cadre de cette thèse concernent le développement de méthodes d’acquisitionet de quantification de spectres RMN 2D J-résolus in vivo et sont présentéssuivant deux axes majeurs. Le premier axe concerne les travaux relatifs à la SRM2D J-résolue conventionnelle qui ont fait l’objet du développement d’une séquenceJ-PRESS sur un imageur 7 T pour l’acquisition de spectres 2D sur le cerveau de rat.Les données acquises sont traitées avec une méthode d’analyse spectrale développéeet optimisée spécifiquement pour la quantification de données SRM 2D J-résolues,reposant sur une connaissance a priori et un ajustement numérique dans le domainetemporel. Le second axe concerne les travaux relatifs à la réduction de la duréed’acquisition en SRM 2D avec le développement de techniques basées sur le conceptrécent de RMN ultrarapide. Une nouvelle séquence de SRM 2D J-résolue ultrarapidea été développée et validée sur un imageur 7 T et a permis l’acquisition de spectres2D complets avec une durée d’acquisition de l’ordre de la seconde. / In vivo proton Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is a powerful tool for metabolicprofiling because this technique is non-invasive and quantitative. However,conventional localized spectroscopy presents important in vivo metabolic informationthrough overlapped spectral signatures greatly affecting the quantification accuracy.Two-dimensional (2D) MRS, originally developed for analytical chemistry,has great potential to unambiguously distinguish metabolites. Therefore, metabolitequantification is improved allowing accurate estimation of their concentrations. Inthis thesis, the research findings are presented under two main headings. The firstline of research focuses on conventional 2D MRS J-resolved. A J-PRESS sequencewas developed allowing the acquisition of in vivo 2D MRS spectra, which were processedby a dedicated quantification method. Experiments were performed on therat brain using a 7 T imaging system and different sampling strategies were evaluated.The quantification method, specifically developed to handle 2D J-resolved MRSdata quantification in time domain, is based on a strong prior-knowledge. However,2D MRS suffers from long acquisition times due to the collection of numerous incrementsin the indirect dimension. Therefore, the second line of research focuseson the reduction of acquisition time using recently developed methods based on theultrafast NMR concept. A new pulse sequence was designed, allowing 3D localizedultrafast 2D J-resolved spectroscopic acquisition on a 7T small animal imaging system. This breakthrough allows the acquisition of a complete 2D spectrum in a singlescan, resulting in acquisition times of a few seconds.

L'objectif de ce travail consiste à étudier le mécanisme de photo-isomérisation d'une série de commutateurs moléculaires biomimétiques (IP) inspirés de la Rhodopsine (Rho), par spectroscopie d'absorption transitoire. Ce travail comprend également le développement puis l'utilisation d'une expérience d'absorption transitoire avec des impulsions sub-8 fs dédiée à la mesure des cohérences vibrationnelles concomitantes à la photoréactivité des IPs. [...] La description détaillée des deux montages de type pompe-sonde mis en œuvre pour ce travail, ainsi que le détail des analyses et corrections de données expérimentales effectuée ont été décrits. Les deux montages utilisés ont été alimenté par une même source, un laser Ti: saphir amplifié délivrant des impulsions à 800nm d'une durée de 40 fs. le premier est un montage d'absorption transitoire conventionnel permettant l'acquisition des spectres transitoires sur une large gamme de spectrale à l'aide d'un continuum de lumière blanche, avec une résolution de 70fs. Le second montage pompe-sonde dédié à la mesure de cohérence vibrationnelle a été développé au cours de la thèse. Dans ce dernier les impulsions pompes à 800nm sont comprimés d'une durée de 8fs, à l'aide d'un compresseur composé de fibre creuse contenant du gaz (Néon). Une conversion de fréquence permet de générer une impulsion centrée à 400 nm de largeur spectrale correspondant `a une durée de 8 fs. Un balayage rapide du délai entre la pompe et la sonde est mis en œuvre pour supprimer de manière efficace l’effet dominant du bruit à basse fréquence de l’intensité de la pompe sur les signaux d’absorption transitoire. [...] / The research presented durind this Phd work address one of the paradigms of atomic/molecular physics of modern era, namely the Born-Oppenheimer approximation. The chemical processes on the atomics level has been reliying on the ability to separate fast electron motion from that of heavy nuclei. We focus in the so called conical intersection (CI), whereby molecular isomerization proceed over timescale clearly violating this paradigmatic approximation. Arguably, the most spectacular example of such process is the primary photochemical event in vision. The key aspect of these ultrafast, and often remarkably efficient, transitions is the conversion of optical energy into mechanical energy through coherent channels, that is with negligible loss of energy due to the random dissipation. This work in many aspects expands on the scope and offers a very challenging, et attractive, endeavour into vibrational coherence of complex molecule in solution. Molecular complexity was primarely motivated by wide applicablity of research on synthetic molecules that mimic the photoreaction of Rhodopsin (Rho), to date the fastest and most efficient optomechanical photoswitch. To this end, we have developed and used a state-of-art ultrafast time domain vibrational coherence spectrometer (VCS), allowing sub-10 fs resolution, hence vibration windows up to 3000 cm-1. Such combinaison unlocks to new ways to control over chemical reactions, whereby mechanistic forces precede rather than outpley thermal fluctuations. This concept transcends chemistry, and as a matter pf example, it has only begun to be exploited in material science. [...]

Cette thèse présente une étude des impulsions électroniques ultra-brèves en utilisant le nouveau microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM) à Strasbourg. La première partie porte sur le mode d’opération stroboscopique, basé sur l’utilisation d’un train d’impulsions d’électrons de l’ordre de la picoseconde pour l’étude des phénomènes réversibles ultrarapides. L’étude paramétrique effectuée a permis de révéler les dynamiques fondamentales des impulsions électroniques. Des mécanismes inconnus jusqu’alors et décisifs dans les caractéristiques des impulsions ont été dévoilés. Il s’agit des effets de trajectoire, qui limitent la résolution temporelle, et du filtrage chromatique, qui impacte la distribution en énergie et l’intensité du signal. Ces connaissances permettent aujourd’hui un paramétrage affiné de l’UTEM de manière à satisfaire les divers besoins expérimentaux. La deuxième partie concerne l’installation du mode d’opération complémentaire : le mode « singel-shot ». Ce mode fait appel à une impulsion unique d’intensité élevé et d’une durée de l’ordre de la nanoseconde pour l’étude des phénomènes irréversibles. L’UTEM de Strasbourg étant le premier instrument single-shot équipé d’un spectromètre de perte d’énergie des électrons (EELS), l’influence de l’aberration chromatique a pu été étudiée en détail. Elle s’est dévoilée être une limitation majeure pour la résolution en imagerie, nécessitant d’ajuster le bon compromis avec l’aberration sphérique d’une part et l’intensité du signal d’autre part. Enfin, la faisabilité de mener des études en EELS ultrarapide avec une seule impulsion nanoseconde a pu être démontrée, ceci constituant une première mondiale. Ce résultat très prometteur ouvre un tout nouveau domaine d’expériences résolu en temps. / This thesis presents a study of ultrashort electron pulses by using the new ultrafast transmission electron microscope (UTEM) in Strasbourg. The first part focuses on the stroboscopic operation mode which works with trains of picosecond multi-electron pulses in order to study ultrafast, reversible processes. A detailed parametric study was carried out, revealing fundamental principles of electron pulse dynamics. New mechanisms were unveiled which define the pulse characteristics. These are trajectory effects, limiting the temporal resolution, and chromatic filtering, which acts on the energy distribution and signal intensity. Guidelines can be given for optimum operation conditions adapted to different experimental requirements. The second part starts with the setup of the single-shot operation mode, based on intense nanosecond electron pulses for the investigation of irreversible processes. Having the first ns-UTEM equipped with an electron energy loss spectrometer, the influence of chromatic aberration was studied and found to be a major limitation in imaging. It has to be traded off with spherical aberration and signal intensity. For the first time, the feasibility of core-loss EELS with one unique ns-electron pulse is demonstrated. This opens a new field of time-resolved experiments.

La poudre de boehmite, précurseur de l’alumine utilisée pour la production de supports catalytiques variés, est produite suite à une étape de séchage par atomisation. Cet oxyhydroxyde d’aluminium est composé de particules anisotropes chargées. Ces dernières années, il a été ont montré que les propriétés physico-chimiques des suspensions avaient une influence sur les caractéristiques des poudres. La morphologie des grains (sphère creuse, tore…) ainsi que les propriétés des poudres (dispersibilité, résistance mécanique…) peuvent être modifiées en jouant sur les caractéristiques des suspensions.Ce travail de thèse porte sur la compréhension des liens entre les propriétés physico-chimiques et rhéologiques de suspensions de deux boehmites industrielles et les propriétés des grains obtenus après séchage. Dans une première partie, nous avons caractérisé les particules en suspension de ces deux boehmites grâce à une approche multi-technique (SAXS, DLS, MET). Une étude rhéologique des suspensions obtenues par stress osmotique a ensuite permis de construire précisément le diagramme de phase de ces deux boehmites dans le plan force ionique – fraction volumique. La diffusion des rayons X aux petits angles et la diffusion dynamique de la lumière ont été utilisées pour déterminer l’organisation structurale des suspensions. Enfin, des expériences de séchage suivies optiquement et par micro-tomographie X ont été réalisées sur des suspensions de boehmite afin d’étudier l’impact de la concentration et de la force ionique sur l’évolution de la goutte au cours du séchage. / In the catalyst supports industry, one important step of alumina powder production is the spray-drying of boehmite suspensions. This aluminium oxyhydroxyde is often used as precursor for various types of alumina catalyst supports. Boehmite is composed of anisotropic particles bearing an electric charge. In the past decade, it has been shown that the properties of the dry powder depend not only on the drying conditions but on physico-chemical properties of the sprayed suspensions. For instance, different grains morphologies (doughnut-shaped grains, hollow spheres,…) as well as various dry grains properties (textural properties, mechanical resistance,…) may be obtained by tuning the physico-chemical properties of the suspension.This study focus on the understanding of the links between the physico-chemical properties of suspensions of two industrial boehmites and the characteristics of the final dry grain. Since these two boehmites were not well-known, the first step of the study was to characterize boehmite particles present in suspension thanks to a multi-technical approach. A rheological study was performed on boehmite suspensions obtained thanks to osmotic stress to build precisely the phase diagrams of the both boehmites according to the system of ionic strength vs. volume fraction. Small angle X ray scattering and dynamic light scattering were used to investigate the existence of an orientational order of boehmite particles in suspension. Finally, drying experiments of boehmite suspensions were conducted on an optical set-up and on fast micro-tomography X, to examine the impact of both concentration and ionic strength on the evolution of the droplet during drying.