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.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Cette thèse de doctorat porte sur l'application des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium pour l'enrichissement des minéraux à base d'éléments de terres rares. Le manuscrit de thèse a été divisé en quatre parties principales. Tout d'abord, l'utilisation des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium a été explorée dans trois procédés différents pour la valorisation des minéraux de terres rares. Ces trois approches ont été examinées pour des minéraux à base d’éléments de terres rares contenus dans un minerai complexe en provenance du gisement Niobec au Québec ainsi que des minéraux modèles de monazite et de bastnäsite associés à la gangue du minerai Niobec. Par la suite, l'application de ces liquides ioniques à l'extraction par solvant des éléments des terres rares a été étudiée par simulation à l’aide d’outil de chimie quantique. Dans le premier cas de valorisation des minéraux de terres rares, l'application d'un liquide ionique à base de phosphonium /ammonium comme collecteur aqueux pour la flottation par moussage de minéraux des terres rares a été étudiée. Dans cette étude, le liquide ionique a été identifié pour posséder des performances supérieures à celles offertes par les collecteurs classiques utilisés en industrie comme les collecteurs dérivés de l'acide hydroxamique industriel. Les interactions anioniques et cationiques du liquide ionique durant la flottation des minéraux d’éléments de terres rares ont été scrutées en détail pour révéler qu’une voie de synergie interne explique en partie les résultats de la flottation en terme de chimisorption de la partie anionique et de la physisorption et de la partie cationique du liquide ionique. Dans le deuxième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de la séparation minérale liquide (aqueuse)-liquide (organique) au moyen de trois types de liquides ioniques à base de phosphonium /ammonium a été étudié. Cette approche s'est avérée supérieure à la micro-flottation conventionnelle appliquée aux mêmes minéraux en termes de sélectivité. De même, il a été démontré que ce procédé peut être appliqué avec efficacité sur une large gamme de pH (4-9) et pour des particules finement broyées (- 105 μm) pour fins de valorisation des minéraux de terres rares. Il a été révélé que l'interaction du liquide ionique sur les surfaces minérales se produisait en phase aqueuse, en phase aqueuse-organique et également en phase organique favorisant ainsi l'activation des minéraux et la séparation subséquente. Dans le troisième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de séparation dans un mélange de deux liquides ioniques immiscibles a enfin été exploré. Un liquide ionique à base de phosphonium / ammonium comme phase dispersées sous forme de gouttelettes et trois liquides ioniques différents faisaint office de phase continue ont été utilisés pour évaluer cette nouvelle approche d'enrichissement des minéraux d’éléments de terres rares. Ce processus s’est avéré très prometteur en tant qu'alternative d'enrichissement des minéraux à base d’éléments de terres rares comparativment aux deux approches précédentes en termes de sélectivité et de récupération des éléments de terres rares. Enfin dans la dernière partie de la thèse, des simulations de type chimie quantique basée sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) ont été mises en oeuvre pour proposer une méthode de classification reposant sur la stabilité de la formation de complexes à partir de trente différents liquides ioniques à base de phosphonium aidant à l'extraction par solvant des éléments de terres rares solvatés. Cette étude a d'une part montré que les liquides ioniques choisis peuvent être appliqués plus efficacement pour l'extraction par solvant des éléments de terres rares contenus dans les solutions aqueuses après digestion acide des minéraux par l’acide nitrique ou chlorhydrique plus que lors d’un recours à l'acide sulfurique. Il a ensuite été démontré que les groupements anioniques des liquides ioniques testés sont capables de former directement des liaisons covalentes par complexation avec les éléments des terres rares solvatés. Au contraire, les interactions des groupements cationiques ont été plus faibles se résumant à des interactions de sphère externe par rapport au complexes formés. Ce travail de recherche a permis d’explorer la faisabilité dans l'application des liquides ioniques à base de phosphonium au traitement des minéraux et des métaux de terres rares. Les résultats obtenus durant cette étude pourront contribuer à une meilleure compréhension de l’apport des liquides ioniques au secteur des industries des terres rares afin en ayant pour cible l'amélioration de l'efficacité des procédés d'enrichissement des minéraux et d'extraction par solvant des éléments de terres rares dissous. / This Ph.D. thesis examines the application of phosphonium/ammonium based ionic liquids in the beneficiation of rare earth element bearing minerals. It has been divided into four main parts. Firstly, the use of phosphonium/ammonium based ionic liquids in three different approaches for rare earth element minerals beneficiation has been explored. These three processes were examined for actual rare earth elements bearing complex ore from Niobec deposit as well as for its constitutive model minerals consisting of monazite and bastnäsite associated with other gangue minerals. Subsequently, application of phosphonium based ionic liquids in rare earth elements solvent extraction has been studied from quantumchemistry point of view. In the first process in rare earth element minerals beneficiation, application of a phosphonium/ammonium based ionic liquid as an aqueous collector for froth flotation of rare earth element minerals was studied. In this study, the ionic liquid revealed superior performance to recover rare earth elements bearing minerals as compared with industrial hydroxamic acid collectors. The ionic liquid anionic and cationic moieties interactions during rare earth element minerals flotation were rationalized in terms of an inner synergistic pathway, meaning that the uptake of both cationic and anionic moieties through ionic liquid collector adsorption occurred altogether. In the second process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of liquid-liquid mineral separation mediated by means of three types of phosphonium/ammonium based ionic liquids to beneficiate rare earth elements bearing minerals was studied. This process was found to outperform micro-flotation of the same minerals in terms of selectivity. Likewise, it was shown that this process can be effectively applied over a wide range of pH (4-9) and for fine particle sizes (-105 μm) in rare earth element minerals beneficiation. Interaction of the ionic liquid on the mineral surfaces occurred in aqueous phase, aqueousorganic phases interface and also in the organic phase thereby promoting minerals activation and next separation. In the third process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of ionic liquid-ionic liquid mineral separation process as a novel ionic liquid-based system to beneficiate rare earth elements bearing minerals was investigated. A phosphonium/ammonium based ionic liquid as droplet phase and three different ionic liquids as continuous phase were used to assess this approach of beneficiation of rare earth elements bearing minerals. This process revealed high potential, as an alternative, to beneficiate rare earth elements bearing ore as it even outperformed the two previous processes in terms of selectivity and rare earth elements recovery. In the last part of this thesis, quantum chemistry simulations based on DFT have been undertaken to rank the complex-forming ability of thirty different phosphonium based ionic liquids in solvent extraction of rare earth elements. This study firstly indicated that phosphonium based ionic liquids can be applied more effectively for solvent extraction of rare earth elements in pregnant solutions resulting from nitric and hydrochloride acids leaching process, and less by means of sulfuric acid leaching. It was also demonstrated that while anionic moieties of phosphonium based ionic liquids are able to make directly covalent bonds during complexation with rare earth elements, their cationic moieties can be involved in complexation through outer-sphere interactions. The implications of this research work include new insights towards application of phosphonium based ionic liquids into mineral and metal processing especially rare earth elements processing. Finding from this work can contribute to the rare earth industry in order to improve efficiency of mineral beneficiation and solvent extraction processes.

Le développement d’un système de détection sensible, sélectif, rapide, fiable et portable à coût modéré est devenu une nécessité pour prévenir le risque chimique lors d’attaques operationnelles ou terroristes potentielles. Ainsi, ce projet porte sur l’élaboration d’un capteur pour la détection d’agents chimiques de guerre de type organophosphorés (Sarin, Tabun, Soman, VX). L’utilisation de microleviers comme capteur pour augmenter la sensibilité est une méthode prometteuse. La surface faible des microleviers conventionnels limite, la sensibilité de la méthode. Ainsi, pour augmenter la surface de capture, nous avons crée un réseau de nanotubes de TiO2 verticalement alignés. Cette nanostructuration est réalisée par une anodisation électrochimique d’une couche de titane pour obtenir les nanotubes de TiO2. L’influence des paramètres du dépôt de titane et de l’anodisation a été optimisée sur des surfaces modèles puis les conditions ont été transferées sur les microleviers. Afin d’augmenter la sélectivité des capteurs (mais aussi la sensibilité) une fonctionnalisation a été réalisée avec une famille originale de ligands bifonctionnels capables de promouvoir la reconnaissance moléculaire des composés organophosphorés cibles et adaptés à la liaison avec une surface de TiO2. / The development of a sensitive, selective, fast, reliable, and moderate cost portable detection system has become a necessity to prevent chemical risk during operational or terrorist attacks. Thus, this project is focused on the elaboration of sensor for the detection of chemical warfare agents (Sarin, Tabun, Soman, VX). The use of microcantilevers as sensors is a promising method to increase sensitivity of detection. The low surface area of conventional microcantilevers limits the sensitivity of the method. Thus, to increase the surface of capture, we create a nanotubular titanium oxide structures. This nanostructuration is performed by anodization of titanium layer to obtain titania nanotubes. The influence of Ti deposition and anodization parameters was studied and the synthesis was optimized onto model surfaces, then beeing transferred to the microcantilevers. In order to increase the selectivity (but also sensitivity) of the sensors functionalization has been carried out with an original family of bifunctional ligands able to promote the molecular recognition of target organophosphorus compounds and suitable for the binding with a TiO2 surface.

Les neurotoxiques organophosphorés sont des agents chimiques qui font partie de la menace NRBC (nucléaire, radiologique, biologique, chimique). Ces agents peuvent pénétrer l'organisme par inhalation, ingestion ou absorption cutanée. La principale voie d'absorption des agents chimiques peu volatils (persistants), tels que le VX et l'ypérite, est la voie cutanée. La décontamination des surfaces cutanées non protégées est donc cruciale pour empêcher une absorption trop importante du toxique et une intoxication. Ce travail s'est attaché à évaluer la capacité de nanoparticules d'oxyde de cérium à adsorber et à dégrader les composés organophosphorés, en utilisant un pesticide organophosphoré, le Paraoxon, et un modèle d'étude in vitro, la peau d'oreille de porc. Les résultats ont montré que la cérine, sous forme de poudre de nanoparticules, dégrade le Paraoxon mais ne permet pas de réduire son absorption à travers la peau. Des formes liquides contenant la cérine (suspension aqueuse, émulsi on de Pickering) ont été développées, pour éviter la dispersion des nanoparticules dans l'air lors de l'utilisation. Elles permettent une élimination plus efficace du Paraoxon, mais l'activité de dégradation de la cérine est très faible. L'influence des conditions de synthèses sur les propriétés physico-chimiques de la cérine en relation avec l'efficacité de dégradation a été étudiée. Les résultats montrent que la surface spécifique est un paramètre clé et que le protocole d'application des décontaminants doit être adapté / The organophosphorus nerve agents form part of chemical agents which pose the NRBC threat (nuclear, radio, biological, chemical). These agents can get into the body by inhalation, ingestion or skin absorption. The main route of chemical agent absorption which are low volatile, as VX or yperite, is the dermal route. Decontamination of unprotected skin areas is crucial to prevent excessive absorption of toxic. This work aimed at evaluating the ability of cerium oxide nanoparticles to adsorb and degrade organophosphorus compounds by using an organophosphorus pesticide, Paraoxon, and an in vitro model, pig-ear skin. The results showed that ceria, in powder form, degraded the Paraoxon but did not allow reducing its absorption through the skin. Liquid forms containing ceria (aqueous suspension, Pickering emulsion) have been formulated in order to avoid the dispersion of particles in the air during its use. While liquid formulations allow more efficient removal of Paraoxon during decontamin ation process, the degradation activity of ceria was low. The influence of the synthesis conditions on the physicochemical properties of ceria linked to degradation efficiency of nanoparticles has been studied. The results showed that specific surface area is the key parameter and that the application protocol of decontaminants must be adapted

Les pyréthrinoïdes et les organophosphorés sont des pesticides très utilisés, à l’origine d’une imprégnation forte de la population, exposée à ces contaminants principalement via l’alimentation. De plus en plus d’études scientifiques suggèrent des liens entre l’exposition à ces composés et des maladies chroniques ou des troubles du développement de l’enfant. Paradoxalement, leur devenir biologique chez l’homme est mal connu. Certaines études suggèrent que ces insecticides sont susceptibles d’intéragir avec les transporteurs membranaires ABC et SLC, protéines localisées au niveau d’interfaces hémato-tissulaires qui prennent en charge de nombreux substrats endogènes, médicaments et contaminants de l’environnement. L’objectif de notre étude a été de caractériser les effets d’insecticides des familles des pyréthrinoïdes et des organophosphorés sur l’activité de nombreux transporteurs ABC et SLC prenant en charge des médicaments (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1,-2B1,-1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 et MATE2K) par une approche in vitro. Nous nous sommes également attachés à caractériser par des expérimentations in vitro et in silico, les mécanismes des interactions et les éléments structuraux des pesticides à l’origine de ces effets. Nous avons montré que de nombreux organophosphorés et pyréthrinoïdes étaient capables d’inhiber des transporteurs d’efflux (MRP, BCRP, P-gp) et d’influx (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) et de stimuler l’activité de certains OATPs. Les pesticides testés inhibaient très fortement l’activité des transporteurs de cations (OCT1 et OCT2) et ont pu bloquer le transport de catécholamines médiés par ces protéines. Une approche qSAR a permis de définir des paramètres physicochimiques associés aux effets modulateurs des pesticides et une approche d’amarrage moléculaire (docking) a mise en évidence les sites de liaisons de la P-gp impliquées dans ces interactions. Les conséquences des modulations de l’activité des transporteurs, en termes d’effets toxiques et d’interactions médicamenteuses, restent à définir pour les populations exposées à de fortes doses de pesticides. Toutefois, la contribution des interactions observées aux effets toxiques de ces insecticides est peu probable car nécessitant des concentrations nettement supérieures à celles atteintes dans le cadre d’une exposition environnementale de la population générale. / The general population is chronically exposed to pyrethroids and organophosphorus insecticides, mainly through alimentation. Several epidemiological studies have found an association between non-occupational exposure to these pesticides and chronic diseases and developmental disorders. Paradoxically, their biological fate in humans is poorly understood. Some studies suggest that these insecticides could interact with ABC and SLC membrane transporters. These membrane proteins, located at blood-tissue interfaces (liver, kidney, intestine ...), handle many endogenous substrates, drugs and pollutants. The objective of our study was to characterize, using an in vitro approach, the effects of pyrethroid and organophosphorus insecticides on the activity of numerous ABC and SLC human drug-transporters (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1, -2B1, -1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 and MATE2K). We have also tried to analyze the mechanisms of interactions and the structural requirements for insecticides-mediated modulation of drug transporters activities using in vitro and in silico approach. We have shown that many organophosphorus and pyrethroids are able to inhibit ABC (MRP, BCRP, P-gp) and SLC (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) transporters and can stimulate the activity of some OATPs. Moreover, the tested pesticides inhibited very strongly the activity of OCT1 and OCT2 and blocked catecholamine transport mediated by these transporters. A qSAR approach allowed to define physicochemical parameters associated with the modulating effects of pesticides and a molecular docking approach revealed the P-gp binding sites involved in these interactions. The consequences of transporter activitie modulation, in terms of toxic effects and drug interactions, remain to be defined for populations exposed to high doses of pesticides, occurring notably in response to poisoning. However the alterations of these transporter activities by insecticides are unlikely to contribute to organophosphorus or pyrethroids toxicities of chronic low-dose exposure.