Titre de l'écran-titre (visionné le 5 janvier 2024) / La spectroscopie est largement utilisée en chimie analytique pour analyser différents échantillons. Quant à elles, la microfluidique et la microfabrication servent à exploiter les propriétés des fluides agissant à de très basses valeurs de Reynolds. L'intégration de la spectroscopie et de la microfluidique est un domaine relativement nouveau et peu exploré, mais une intégration fiable et de qualité montre énormément de potentiel pour la recherche comme les avantages de chaque méthode peuvent être combinés. Dans un premier temps, un accessoire de mesure spectroscopique conçu par un autre étudiant à la maitrise a été adapté et amélioré dans le but de le rendre plus fiable, plus précis et plus facilement fabricable à grande échelle. Contrairement aux outils disponibles sur le marché présentement, cet outil permet d'analyser plusieurs échantillons à la fois grâce à un système de déplacement dans deux axes. L'appareil s'adapte à différents spectromètres infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et se sert d'un cristal à réflectance totale atténuée (ATR) afin d'analyser différents échantillons. La version conçue dans le cadre de ce projet de maîtrise s'adapte à différentes cartouches microfluidiques également conçues dans le cadre de ce projet. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, l'appareil conçu a été testé, adapté et modifié afin de mieux répondre aux besoins des utilisateurs. Ces besoins ont été définis de façon précise afin de bien pouvoir cibler quelles fonctions sont essentielles. Les cartouches microfluidiques ont été conçues et simulées à l'aide de logiciels d'analyse par éléments finis. Une fois fabriquées, elles ont été testées sur différents spectromètres afin de valider les performances ainsi que la qualité de l'intégration des cartouches dans l'accessoire. / Spectroscopy is widely used in analytical chemistry to analyze different samples. Microfluidics and microfabrication are used to exploit the properties of fluids acting at very low Reynolds. The integration of spectroscopy and microfluidics is a relatively new and unexplored area, but a reliable and high-quality integration shows great potential for research as the advantages of each method can be combined. First, a spectroscopic measurement accessory designed by another master's student is adapted and improved to make it more reliable, more accurate and more easily manufacturable on a large scale. Contrary to the tools available on the market today, this tool allows to analyze several samples at the same time thanks to a system of displacement in two axes. The instrument is adaptable to different Fourier transform infrared spectrometers (FTIR) and uses an attenuated total reflectance crystal (ATR) to analyze different samples. The version designed in this master's project is adaptable to different microfluidic cartridges also designed in this project. Within the framework of this master's project, the designed apparatus is tested, adapted and modified in order to better meet the needs. These needs have been precisely defined in order to target which functions are essential. The microfluidic cartridges were designed and simulated using finite element analysis software. Once manufactured, they were tested on different spectrometers to validate the performance as well as the quality of the integration of the cartridges in the device.

Les biofilms microbiens soit des communautés multicellulaires formées de bactéries, adhérant à une surface, entourés d'une couche de polymère extracellulaire (EPS). Parce qu'ils sont naturels, les biofilms bactériens sont de plus en plus étudiés et utilisés pour des applications en biocatalyse, en autoréparation et en tant que systèmes pouvant fonctionner efficacement dans des conditions ambiantes. La structure du biofilm est également importante, car elle peut protéger les bactéries sous les contraintes physiques, chimiques et biologiques rencontrées lors de l'opération du bioréacteur. Parmi les principaux facteurs entrant dans la régulation du développement du biofilm et de ses propriétés à maturité, on trouve les conditions hydrodynamiques et les concentrations d'éléments nutritifs appliquées. La microfluidique connait une popularité croissante parmi la communauté de recherche sur les biofilms en raison de sa capacité à mieux contrôler ces paramètres en fonction de d'autres propriétés physicochimiques importantes et même le taux de croissance. Dans ce travail, nous nous appuyons sur les travaux antérieurs de notre groupe pour résoudre deux principales limites. Tout d'abord, la tendance des biofilms à contaminer les canaux et les tubes en amont peut éroder les spécifications précises des conditions expérimentales dans les positions en aval d'où des mesures analytiques sont réalisées. La premiere partie ce travail, nous présentons un dispositif microfluidique qui varie la vitesse d'écoulement en amont pour arrêter la croissance vers l'arrière et la contamination de l'entrée pour les expériences de longue durée. Le deuxième point d'intérêt est lié à des facteurs qui provoquent une hétérogénéité dans les modèles de croissance du biofilm. On a noté que les bulles formées pendant et après l'inoculation augmentaient la croissance locale du biofilm et réduisaient l'uniformité et l'homogénéité globale. Ce mémoire étudie également les effets des bulles sur le taux de croissance et le développement secondaire du biofilm.

Le phénomène de multirésistance aux antibiotiques chez les bactéries à Gram positif causant des infections sévères du sang est un problème mondial grandissant. La détection du niveau de sensibilité aux antibiotiques avec des tests phénotypiques requière un minimum de 48 h avant l'obtention des résultats. Il est donc nécessaire de développer des tests de diagnostic rapides, sensibles, spécifiques et ubiquitaires pour améliorer le traitement des septicémies. Ce mémoire de maîtrise présente le développement d'un test de diagnostic moléculaire permettant la détection rapide des gènes de résistance aux antibiotiques cliniquement importants associés aux bactéries à Gram positif causant des septicémies. Ce test comprend 4 essais PCR multiplex combinés à une hybridation microfluidique sur puces à ADN intégrées à un disque compact. Les corrélations obtenues entre les résultats génotypiques et phénotypiques étaient de 98% pour les P-lactamines et de 100% pour la vancomycine, la clindamycine et la gentamicine. Cette approche moléculaire pourrait éventuellement être utilisée pour le diagnostic clinique afin de guider l'antibiothérapie des patients atteints d'une septicémie.

Dans ce mémoire, nous présentons une nouvelle architecture d’une micropompe pneumatique à valves autoactionnées. Une modélisation par éléments finis de la micropompe est également présentée ainsi que sa fabrication et sa caractérisation. Le débit théorique minimal de la micropompe est de 9 µL/min pour une pression externe d’actionnement égale à 1500 Pa. La fréquence de déformation imposée à la membrane est de 1,25 Hz et la déformation maximale observée de cette dernière est égale à 3,66 µm. On note aussi que la modélisation par la méthode des éléments finis montre clairement une conservation de débit entre les phases d’admission et de refoulement égal à 99,99 %, cette conservation de débit a été validée aussi expérimentalement. La fabrication de la micropompe s’est faite à travers deux procédures : un moulage manuel pour les microvalves avec des chambres cylindrique et cubiques dont les dimensions externes sont de 8 mm x 12 mm x 6 mm avec des membranes de 20 µm d’épaisseur, fabriquées en Polydimethylsiloxane (PDMS). Un nouveau procédé d’impression à base de sucre, en collaboration avec le département de mécanique, a été aussi utilisé. Ce dernier se résume dans l’impression 3D d’un moule temporaire en sucre vitrifié. Les chambres d’actionnement de la micropompe sont de forme cylindrique avec un diamètre de 4 mm et une hauteur de 1 mm. La chambre de pompage est aussi cylindrique avec le même diamètre, mais avec une hauteur 0,5 mm. L’épaisseur des membranes de pompage est de 250 μm. En utilisant ce procédé, tout le système de pompage excluant les microvalves est fabriqué en un seul bloc afin d’éliminer toute fuite et minimiser l’encombrement du système. Les dimensions externes de la micropompe sont 20 mm x 20 mm x 10 mm. Les résultats de caractérisation de la micropompe consistent le débit minimal qu’on a pu générer qui est égale à 7 µL/min avec une puissance électrique consommée par le système de 114 mW. Enfin, les microvalves peuvent supporter une contre-pression jusqu’à 13 psi. Une interface graphique pour contrôler l’actionneur de la micropompe à l’aide d’un FPGA a aussi été développée. / In this project, a new architecture of an air-driven micropump prototype with self-actuating microvalves is presented. A finite element model is also presented. Fabrication and characterization of the system and the electronic control of the micro-pump was also introduced. The designed micropump was able to generate a flow rate of 9 µL/min. Pumping pressure was 1500 Pa. Frequency of membrane deformation was 1.25 Hz and its maximum deformation was 3.66 µm. Finite element modeling shows that the flow rate ratio between the admission and delivery phase was 99.99 %. Fabrication of the micropump was achieved through two processes. First, a manual molding for microvalves with cylindrical and cubic chambers whose external dimensions was 8 mm x 12 mm x 6 mm and actuation membrane thickness of 20 µm. The entire system, including the membrane, was made from polydimethylsiloxane (PDMS). Second, in collaboration with the department of mechanical engineering, a new printing process based on sugar glass was also used. The latter is based on the 3D printing of a sugar mold. The mold is dissolved after the pouring and curing of PDMS. The actuating chambers of the micropump wetre cylindrical with a diameter of 4 mm and a height of 1 mm. The pumping chamber was also cylindrical with the same diameter but with a height of 0.5 mm. The thickness of the pumping membranes was 250 µm. Through this process, the entire pumping system (expect microvalves) were fabricated as a one block to eliminate leakage and reduce system dimensions. The external dimensions of the micropump was 20 mm x 20 mm x 10 mm. Experimental results of the micro-pump showed that the flow rate that can be generated is 7 µL/min. The electrical power consumption of the system was 114 mW. Finally, the microvalve can resist to a back pressure up to 13 psi. A graphical interface to control the actuation part of the micropump using an FPGA has also been developed.

Le domaine de la chimie bioanalytique est en plein développement. Les tendances vers une caractérisation plus précise, une analyse à haut débit et une automatisation accrue offrent la promesse de systèmes capables de fournir des informations plus détaillées sur les systèmes biologiques vivants. Les biofilms sont répandus dans la plupart des écosystèmes. Ils peuvent être formés par la plupart des microorganismes. Les biofilms microbiens sont des communautés multicellulaires de bactéries, adhérant à une surface, entourées d'une substance polymère extracellulaire (EPM). En raison de leur origine naturelle, les biofilms bactériens sont de plus en plus étudiés et utilisés pour des applications en biocatalyse, en auto-guérison et en tant que systèmes pouvant fonctionner efficacement dans des conditions ambiantes. Les principaux facteurs qui contrôlent le développement du biofilm et ses propriétés matures sont les conditions hydrodynamiques appliquées et les concentrations en éléments nutritifs. Les propriétés mécaniques du système EPM peuvent être personnalisées en fonction de son environnement. De plus, l’existence de différents groupes chimiques fonctionnels dans le biofilm permet de piéger des molécules organiques et des ions dissous. Cette thèse porte sur le développement d'une technique permettant une flexibilité et une précision dans la croissance et la détection des biofilms de Pseudomonas sp. Bactérie CT07. Le système analytique est multimodal afin d’obtenir des informations sur les propriétés chimiques et structurelles du biofilm. À cette fin, la microscopie optique et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) à réflexion totale atténuée (ATR) ont été couplées dans un système analytique coordonné avec des canaux microfluidiques pour contrôler les conditions de croissance des biofilms. Pour atteindre cet objectif, un montage ATR-IR fait maison a été développé pour permettre de sonder différents emplacements au-dessus du cristal d'ATR afin d'ajouter une capacité de mesure au système situé à différents emplacements. Les différentes méthodologies développées dans cette thèse peuvent être appliquées à d'autres systèmes complexes à l'avenir. La combinaison de la microfluidique pour un contrôle de flux précis ainsi que des mesures multiplexées dans un microcanal parallèle est la clé pour obtenir des indices importants et statistiquement pertinents sur la croissance des biofilms et sur les méthodes pour les contrôler. / The field of bioanalytical chemistry is currently undergoing rapid development. Trends toward more precise characterization, high-throughput analysis and greater levels of automation collectively offer the promise of systems that can deliver deeper insights into living biological systems. Biofilms are widespread in most ecosystems. They can be formed by most microorganisms. Microbial biofilms are multicellular communities of bacteria, adhering to a surface, surrounded by an extracellular polymeric matrix (EPM). Because they are natural, bacterial biofilms are increasingly being studied and used for applications in biocatalysis, self-healing and as systems that can function effectively under ambient conditions. The main factors controlling biofilm development and its mature properties are the applied hydrodynamic conditions and nutrient concentrations. The mechanical properties of the EPM can be customized based on its environment. Additionally, the existence of different functional chemical groups within biofilm makes it possible to trap organic molecules and dissolved ions. This PhD thesis focus on developing a system-level technique that enables flexibility and precision in the growth and detection of biofilms from Pseudomonas sp. CT07 bacteria. The analytical system is multi-modal, in order to obtain information on biofilm chemical and structure properties. To this end, optical microscopy and attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy have been coupled into one coordinated analytical system with microfluidic channels to control the growth conditions of biofilms. To achieve this goal, a home-built ATR-FTIR stage was developed for probing different locations on top of ATR crystal. The methodologies developed in this thesis can be applied to other complex analytical systems in the future. The combination of microfluidics for precise flow control as well as multiplexed measurements in parallel microchannel is the key to obtaining important and statistically relevant clues to the growth of biofilms and the methods to control them.

La dégradation des matériaux poreux par l'intrusion d'une solution saline est connue depuis longtemps, mais demeure aujourd'hui un phénomène complexe à étudier en raison des multiples paramètres à considérer. Ce document propose des pistes d'amélioration du comportement des matériaux cimentaires afin de s'intégrer dans le cadre plus vaste de la prédiction du comportement des matériaux cimentaires face à la formation de phases expansives dans leur structure poreuse. La première partie de cette thèse se consacre à la revue bibliographique de la dégradation par l'action externe des sulfates et dresse le cadre général de l'étude des milieux poreux et du transport hydrique ainsi que le principe de dégradation par croissance d'un cristal de sel dans un milieu poreux. La stratégie de recherche qui en résulte s'articule autour de deux campagnes expérimentales. La première concerne l'application de la microfluidique, science qui mesure le comportement des fluides à l'échelle du micron, pour améliorer notre compréhension des phénomènes de saturation et de séchage d'un matériau poreux selon diverses solutions. Deux types de dispositifs ont été envisagés soit par lithographie au plasma et par érosion chimique après altération d'un substrat de verre par le passage d'un faisceau laser concentré. La seconde campagne expérimentale s'attache à l'analyse de matériaux cimentaires soumis à des solutions agressives diverses et dans des conditions de variation hydriques afin d'évaluer la combinaison de dégradations physico-chimiques par réactions chimiques avec les hydrates et par précipitation de sels. Finalement, un modèle de transport réactif multiphasique est présenté ainsi qu'une nouvelle approche basée sur la répartition de la distribution poreuse pour calculer les pressions induites à différentes échelles matériau. Le système d'équations appliqué à la poromécanique est alors développé en vue d'une résolution numérique des pressions générées par expansion d'une phase. Pour conclure ce document, des perspectives de modification des normes relatives aux attaques sulfates sont entrevues et de nouvelles avenues possibles grâce à l'émergence de nouvelles technologies sont esquissées. Des propositions de développement additionnel du modèle sont également adressées. / The degradation of porous materials by the intrusion of saline solution is known for centuries but still nowadays remains a complex phenomenon to be considered. This thesis proposes ways of improving the behavior of cementitious materials in order to integrate into the larger framework of predicting the behavior of cementitious materials in the face of the formation of expansive phases in their porous structure. This document is divided into five main parts. The first two parts are devoted to the bibliographic review of the degradation by the external action of sulfates and establish the general framework of the study of porous media and water transport as well as the principle of degradation by an expansion of a crystal salt into a porous medium. The resulting research strategies are centered around two experimental campaigns and the establishment of a poromechanical model with reactive transport model. The third part concerns the application of microfluidics, innovative science that measures fluid behavior at the micron scale, to improve our understanding of the saturation and drying phenomena of a porous material exposed to various saline solutions. Two types of devices are studies either by plasma lithography and by chemical erosion after the alteration by the passage of a concentrated laser beam of a glass substrate. The fourth part deals with the analysis of cementitious materials exposed to various aggressive solutions and wetting/drying condition in order to combine chemical reactions with hydrates and salts precipitation. The fifth part sets up a multiphasic reactive transport model and a new approach based on the pore size distribution repartition to calculate the pressures induced on pore walls at several material scales. Poromechanics equation system is then developed to solve pressure generation for numerical resolutions of the degradation. Finally, ideas to improve the standards for understanding the interaction of sulfates and possible new avenues through the advent of new technologies are outlined. Additional development proposals for the model are also addressed.

Avec l'essor de la microfabrication, il est désormais possible d'imaginer des appareils miniatures qui sont en mesure d'effectuer, à l'échelle microscopique, ce que réalisent les appareils actuels. Or, l'analyse chimique dans ces systèmes peut facilement s'avérer ardue car le volume d'analyte y est très restreint. Ces structures miniatures permettent en contrepartie de manipuler de petites particules, voire des molécules, presqu'individuellement. Il est par conséquent envisageable de pouvoir compter, localiser et identifier des nanoparticules fluorescentes qui seraient, par exemple, le véhicule de détection d'analytes d'intérêt comme de l'ADN dans un système d'analyse chimique microfluidique. Les présents travaux se penchent sur l'analyse de particules fluorescentes confinées au centre d'un canal microfluidique par focus hydrodynamique. L'analyte s'écoule au centre du canal car il est bordé de chaque côté par un flot colinéaire. En ajustant les débits de cette gaine et du flot analyte, il est possible d'aligner les particules au centre du canal. Un système de détection de fluorescence par microscopie confocale modifiée permet de recueillir l'émission de photons et de compter le nombre de particules ayant traversé le volume de détection. De cette façon, on maximise la probabilité de détection car tout l'échantillon est passé au peigne fin. Afin de faire de l'analyse quantitative de particules fluorescentes dans un échantillon, plusieurs paramètres ont été étudiés. Le choix de la configuration microfluidique, la construction du montage optique et la caractérisation de l'appareil ont permis d'analyser des nanoparticules fluorescentes de type ± coeur-coquille ¿ bien particulières. En effet, ces nanoparticules sont recouvertes d'une couche d'or pour tirer profit de l'exaltation de la fluorescence par l'effet plasmon. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent l'utilité du focus hydrodynamique pour l'analyse chimique et sont prometteurs pour étudier différents véhicules de détection.