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𝘐𝘯 𝘷𝘪𝘵𝘳𝘰 selection has been widely used to isolate single-stranded DNA molecules from large random-sequence pools that are able to perform a desired catalytic reaction, or bind to a target molecule. Using this technique, we have created a DNA enzyme, named DET22-18, which has a uniquely linked chemical catalysis/real-time signaling capability. It is a true enzyme with a 𝘬cₐₜ of~7 min⁻¹ -the second fastest rate ever reported for a DNA enzyme. The DNA enzyme cleaves a substrate containing a single ribonucleotide linkage embedded in a DNA chain and sandwiched between a fluorophore-labeled deoxyribonucleotide and a quencher-modified deoxyribonucleotide. The ability of DET22-18 to generate a large fluorescence signal provides a useful tool to engineer potential allosteric deoxyribozyme biosensors for real-time detection of important biological targets. To provide a proof of concept that a reporter system can be built from the above signaling DNA enzyme, the cis-acting version of this enzyme, DEC22-18A, was engineered into an allosterically regulated deoxyribozyme biosensor that can report ATP. A preliminary investigation was also conducted to determine a possible secondary structure of the DNA enzyme. This study lays a foundation for pursuing novel signaling DNA enzymes for biological detection directed applications. / Thesis / Master of Science (MSc)

Les derniers évènements planétaires et plus particulièrement l'avènement sans précédent du nouveau coronavirus augmente la demande pour des appareils de test à proximité du patient. Ceux-ci fonctionnent avec une batterie et peuvent identifier rapidement des biomarqueurs cibles. Pareils systèmes permettent aux utilisateurs, disposant de connaissances limitées en la matière, de réagir rapidement, par exemple dans la détection d'un cas positif de COVID-19. La mise en œuvre de l'élaboration d'un tel instrument est un projet multidisciplinaire impliquant notamment la conception de circuits intégrés, la programmation, la conception optique et la biologie, demandant tous une maîtrise pointue des détails. De plus, l'établissement des spécifications et des exigences pour mesurer avec précision les interactions lumière-échantillon s'additionnent au besoin d'expérience dans la conception et la fabrication de tels systèmes microélectriques personnalisés et nécessitent en elles-mêmes, une connaissance approfondie de la physique et des mathématiques. Ce projet vise donc à concevoir et à mettre en œuvre un appareil sans fil pour détecter rapidement des biomarqueurs impliqués dans des maladies infectieuses telles que le COVID-19 ou des types de cancers en milieu ambulatoire. Cette détection se fait grâce à des méthodes basées sur la fluorescence. La spectrophotométrie de fluorescence permet aux médecins d'identifier la présence de matériel génétique viral ou bactérien tel que l'ADN ou l'ARN et de les caractériser. Les appareils de paillasse sont énormes et gourmand énergétiquement tandis que les spectrophotomètres à fluorescence miniatuarisés disponibles dans le commerce sont confrontés à de nombreux défis. Ces appareils miniaturisés ont été découverts en tirant parti des diodes électroluminescentes (DEL) à semi-conducteurs peu coûteuses et de la technologie des circuits intégrés. Ces avantages aident les scientifiques à réduire les erreurs possibles, la consommation d'énergie et le coût du produit final utilisé par la population. Cependant, comme leurs homologues de paillasse, ces appareils POC doivent quantifier les concentrations en micro-volume d'analytes sur une large gamme de longueurs d'onde suivant le cadre d'une économie en ressources. Le microsystème envisagé bénéficie d'une approche de haute précision pour fabriquer une puce microélectronique CMOS. Ce procédé se fait de concert avec un boîtier personnalisé imprimé en 3D pour réaliser le spectrophotomètre à la fluorescence nécessaire à la détection quantitative d'analytes en microvolume. En ce qui a trait à la conception de circuits, une nouvelle technique de mise à auto-zeroing est appliquée à l'amplificateur central, celui-ci étant linéarisé avec des techniques de recyclage et de polarisation adaptative. Cet amplificateur central est entièrement différentiel et est utilisé dans un amplificateur à verrouillage pour récupérer le signal d'intérêt éclipsé par le bruit. De plus, l'augmentation de la sensibilité de l'appareil permet des mesures quantitatives avec des concentrations en micro-volume d'analytes ayant moins d'erreurs de prédiction de concentration. Cet avantage cumulé à une faible consommation d'énergie, un faible coût, de petites dimensions et un poids léger font de notre appareil une solution POC prometteuse dans le domaine de la spectrophotométrie de fluorescence. La validation de ce projet s'est fait en concevant, fabriquant et testant un prototype discret et sans fil. Son article de référence a été publié dans IEEE LSC 2018. Quant à la caractérisation et l'interprétation du prototype d'expériences in vitro à l'aide d'une interface MATLAB personnalisée, cet article a été publié dans IEEE Sensors journal (2021). Les circuits intégrés et les photodétecteurs ont été fabriqués ont été conçus et fabriqués par Cadence en 2019. Relativement aux solutions de circuit proposées, elles ont été fabriquées avec la technologie CMOS 180 nm et publiées lors de la conférence IEEE MWSCAS 2020. Tout comme cette dernière contribution, les expériences in vitro avec le dispositif proposé incluant la puce personnalisée et le boîtier imprimé en 3D ont été réalisés et les résultats électriques et optiques ont été soumis au IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022). / The most recent and unprecedented experience of the novel coronavirus increases the demand for battery-operated near-patient testing devices that can rapidly identify the target biomarkers. Such systems enable end-users with limited resources to quickly get feedback on various medical tests, such as detecting positive COVID-19 cases. Implementing such a device is a multidisciplinary project dealing with multiple areas of expertise, including integrated circuit design, programming, optical design, and biology, each of which needs a firm grasp of details. Alongside the need for experience in designing and manufacturing custom microelectronic systems, establishing the specifications and requirements to precisely measure the light-sample interactions requires an in-depth knowledge of physics and mathematics. This project aims to design and implement a wireless point-of-care (POC) device to rapidly detect biomarkers involved in infectious diseases such as COVID-19 or different types of cancers in an ambulatory setting using fluorescence-based methods. Fluorescence spectrophotometry allows physicians to identify and characterize viral or bacterial genetic materials such as DNAs or RNAs. The benchtop devices that are currently available are bulky and power-hungry, whereas the commercially available miniaturized fluorescence spectrophotometers are facing many challenges. Many of these difficulties have been resolved in literature thanks to inexpensive semiconductor light-emitting diodes (LEDs) and integrated circuits technology. Such advantages aid scientists in decreasing the size, power consumption, and cost of the final product for end-users. However, like the benchtop counterparts, such POC devices must quantify micro-volume concentrations of analytes across a wide wave length range under an economy of resources. The envisioned microsystem benefits from a high-precision approach to fabricating a CMOS microelectronic chip combined with a custom 3D-printed housing. This implementation results in a fluorescence spectrophotometer for qualitative and quantitative detection of micro-volume analytes. In terms of circuit design, a novel switched-biasing ping-pong auto-zeroed technique is applied to the core amplifier, linearized with recycling and adaptive biasing techniques. The fully differential core amplifier is utilized within a lock-in amplifier to retrieve the signal of interest overshadowed by noise. Increasing the device's sensitivity allows quantitative measurements down to micro-volume concentrations of analytes with less concentration prediction error. Such an advantage, along with low-power consumption, low cost, low weight, and small dimensions, make our device a promising POC solution in the fluorescence spectrophotometry area. The approach of this project was validated by designing, fabricating, and testing a discrete and wireless prototype. Its conference paper was published in IEEE LSC 2018, and the prototype characterization and interpretation of in vitro experiments using a custom MATLAB interface were published in IEEE Sensors Journal (2021). The integrated circuits and photodetectors were designed and fabricated by the Cadence circuit design toolbox (2019). The proposed circuit solutions were fabricated with 180-nm CMOS technology and published at IEEE MWSCAS 2020 conference. As the last contribution, the in vitro experiments with the proposed device, including the custom chip and 3D-printed housing, were performed, and the electrical and optical results were submitted to the IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022).

The flavor oscillations of neutrinos due to the mixing of mass eigenstates have been thoroughly studied in several experiments. One missing piece of the puzzle is the mixing angle θ13, which is being searched for by the Daya Bay experiment. Currently, the experiment is still in construction mode. Part of the experiment involves building effective detectors for atmospheric muons, resulting in accurate detection of antineutrinos from the source. To ensure accurate detection, we must effectively calibrate the PMTs with the use of carefully chosen and calibrated LEDs. This thesis details the study of several LEDs measured in an attempt to determine the properties of the most likely source for our calibration efforts. I measured the spectra of the LEDs meant for use in calibration, along with several others for the purpose of comparison of spectrum width and to find the evidence of fluorescence in the LEDs. / Master of Science

Nonlinear luminescence quenching has been documented in numerous systems such as organic crystals, rare earth insulators, laser materials, semiconductors, and phosphors. In each of these systems nonlinear luminescence quenching occurs under conditions of high excitation density from interactions between excited centers, the result is an additional nonradiative decay pathway that lowers luminescence quantum efficiency. During investigations into the spectra and dynamics of Eu2O3, an apparent saturation dip in the excitation spectra of nano-sized Eu2O3 particles was observed. This thesis describes the investigation into the nature of the saturation effect. The samples studied using luminescent spectroscopy included micron sized Eu2O3 crystals of both cubic and monoclinic phases, nanocrystal monoclinic Eu2O3, and a large fused crystal of monoclinic Eu2O3. It was determined that the saturation effect was due to nonlinear luminescence quenching occurring at the wavelengths of absorption maxima. The mechanism of nonlinear luminescence quenching was concluded to be upconversion by energy transfer. / Master of Science

Detection, identification and separation of polycyclic aromatic compounds in environmental samples are of extreme importance since many of these compounds are well known for their potential carcinogenic and/or mutagenic activities. Selective quenching of molecular fluorescence can be utilized effectively to analyze mixtures containing different polycyclic aromatic hydrocarbons. Molecularly organized assemblies are used widely in detection and separation of these compounds mainly because of less toxicity and enhanced solubilization capabilities associated with these media. Feasibility of using nitromethane and the alkylpyridinium cation as selective fluorescence quenching agents for discriminating between alternant versus nonalternant polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is critically examined in several molecularly organized micellar solvent media. Fluorescence quenching is used to probe the structural features in mixed micelles containing the various combinations of anionic, cationic, nonionic and zwitterionic surfactants. Experimental results provide valuable information regarding molecular interactions between the dissimilar surfactants.

Au cours de cette thèse, nous avons préparé différents classes de dérives de la s-tétrazine et étudies leurs propriétés de électrochimiques et de fluorescence. Dans la première partie, nous présentons une étude bibliographique de la tétrazine, principalement centre sur sa synthèse et ses propriétés. Dans le second chapitre, nous introduirons des nouveaux récepteurs de paires d’ions basés sur des bis-tétrazines. Ces récepteurs utilisent des interactions de type pi-anion, qui ont été rarement observées en solution, pour effectuer la reconnaissance. La complexation de ces récepteurs avec des sels d’halogénure d’ammonium (C8H17NH3Br et C8H17NH3I) a été démontrée par RMN et fluorescence. Il est démontré que le récepteur 82 forme des complexes plus stables avec les ammoniums que ces équivalents 80 et 81 à chaine plus courte. De plus, tous ces récepteurs présentent une sélectivité inattendue envers les halogènes suivant l’ordre : I->Br->Cl-. Enfin, une réaction secondaire a été mise en évidence par spectroscopie d’absorption qui conduit a la formation de Br2 ou I2. Un mécanisme probable pour cette réaction est propose au vu de tous les résultats spectroscopiques. Dans le troisième partie, de nombreux dérivés de la tétrazine portant des substituants de nature diverse ont été obtenus afin de mieux comprendre les propriétés physico-chimiques de cet aromatique. Il apparait clairement que les propriétés électrochimiques ne dépendent pas de la taille mais seulement de l’électronégativité du substituant. De plus, des groupes électrodonneurs conduisent à une inhibition de la fluorescence même s’ils ne sont pas directement liés. Une nouvelle classe de dérives de la s-tétrazine a été obtenue grâce à une nouvelle réaction des chlorotétrazines. Cette réaction conduit a l’obtention de dérivés non symétriques portant un hétéroatome et une chaine alkyle qui seront utiles pour de développements futurs. Dans la dernière partie, nous présentons de nouvelles dyades a base de tétrazine présentant une brillance améliorée. Ces dyades sont basées sur un transfert d’énergie entre un donneur (benzimidazole ou naphtalimide) et un accepteur (la tétrazine). Elles présentent des bons rendements quantiques de fluorescence, des durées de vie allongées et des brillances améliorées. L’un de ces dérivés a été utilisé pour fabriquer une cellule fluorescente à trois couleurs contrôlable par électrochimie. / In this thesis, we have prepared different types of s-tetrazine derivatives for electrochemical and fluorescence studies. In the first part, we present a blibliographic study of s-tetrazine focussing on theirs synthesis and properties. In the second chapter, we introduce s-tetrazine derivatives as the ion pair receptor. These receprtors uses pi-anion type of interactions between ion pairs and s-tetrazines whcih has been seldom been observed in solution. The formation of complex between the ammonium salt (C8H17NH3Br or C8H17NH3I) and bis-s-tetrazine receptors is demonstrated by NMR and fluorescence titration experiments. It is also proved that receptor 82 binds stronger to ammonium salt than the shorter equivalents 80 and 81. Furthermore, all of them give the same unexpected selectivity order toward anions namely: I- > Br- > Cl-. Finally, a side reaction has been uncovered by UV-vis absorption which leads to the formation of Br2 or I2. Taking fully into account all spectroscopic results, we proposed a mechanism for this transformation. In the third part, in order to better understand the physico-chemcal properties of s-tetrazine, various s-tetrazines with different types of substituents have been prepared. It is clear that the electrochemical properties of the tetrazine nucleus depend on the electron affinity of its substituent and not on the size. Furthermore, electron donor groups quench the fluorescence of s-tetrazine even if they are not directly linked. A new type of s-tetrazines has been obtained through an unexpected reactivity of chloro-s-tetrazine. This reaction could give unsymmetrical s-tetrazines bearing one heteroatom and one alkyl chain which is useful for future developmemt of their properties. In the last part, we talk about new s-tetrazine dyads with improved brightness. Based on energy transfer from a donor part (naphthalimide or benzimidazole) to an acceptor core (tetrazine), these compounds own good fluorescence quantum yields, longer lifetimes and higher brightness. One derivative has been used to prepare a three colors fluorescent and electrochemically switchable device.

La communication intercellulaire se produit non seulement chez les eucaryotes, mais aussi chez certaines bactéries. Un tel exemple est la cyanobactérie filamenteuse Anabaena sp. PCC 7120, capable de former des hétérocystes suite à une carence en azote combiné. Un filament d'Anabaena est coordonné comme une unité multicellulaire; comment les cellules communiquent-elles le long de chaque filament et comment échangent-elles des ressources nutritionnelles demeurent des mécanismes encore mal élucidés. Des études récentes ont démontré que des molécules de petites tailles peuvent être échangées entre les cytoplasmes à travers des jonctions intercellulaires. De plus, le périplasme semble être continu le long de chaque filament, avec une membrane extérieure commune pour toutes les cellules. Toutefois, il n’est pas déterminé si le "périplasme continu" peut servir comme une route alternative pour les échanges moléculaires le long des filaments.Dans cette étude, la propriété du périplasme chez Anabaena a été évaluée par le suivi du mouvement de protéines fluorescentes (GFP ou iLOV) en utilisant des techniques microscopiques. Les protéines fluorescentes ont été exportées vers l'espace périplasmique, soit d'un hétérocyste soit d’une cellule végétative. Nous avons pu montrer que ces protéines fluorescentes restent dans le périplasme de la cellule d’origine, et que la GFP peut diffuser librement, mais seulement dans le périplasme d'un hétérocyste ou d’une cellule végétative. Ainsi, bien que le périplasme semble être continu le long du filament, une barrière intercellulaire semble exister pour empêcher la libre diffusion des protéines à la taille de ~27 kDa (GFP) ou ~13 kDa (iLOV). La couche de peptidoglycane pourrait constituer cette barrière et nous estimons que la limite pour la diffusion à travers cette barrière se situe entre 0.53 et 13 kDa.En parallèle, les voies métaboliques des cellules végétatives et des hétérocystes ont été comparées en utilisant une approche transcriptomique. L'expression différentielle des gènes impliqués dans le métabolisme nous permet d’appréhender la nature des métabolites pouvant être échangées entres ces deux types cellulaires. / Cell-cell communication occurs not only in eukaryotes but also in bacteria. One such example is the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120, which is able to differentiate a specialized cell type named heterocyst upon nitrogen deprivation. A filament of Anabaena is coordinated as a multicellular unity; how the cells along each filament communicate and exchange resources are not yet fully understood. Recent studies demonstrated that small molecules can be rapidly exchanged from cytoplasm to cytoplasm through intercellular junctions. In addition, the periplasm appears to be continuous along each filament, with a shared outer membrane for all cells. However, whether the ‘continuous periplasm’ serves as an alternative route for molecular exchanges along the filament remains unknown. In this study, the property of periplasm in Anabaena was assessed by monitoring the movement of fluorescent proteins (GFP or iLOV) using microscopic techniques. Fluorescent proteins were exported to the periplasmic space of either a heterocyst or a vegetative cell and their diffusion was tested. We found that both GFP and iLOV remains in the producing cells, and at least GFP could diffuse freely in the periplasm of a heterocyst or a vegetative cell but failed to cross cell borders. Thus although periplasm appears to be continuous along the filament, barriers exist to prevent free diffusion of proteins up to the size of ~27 kDa (GFP) or ~13 kDa (iLOV). One candidate as diffusion barrier in the periplasm may be the peptidoglycan and we estimate the limit for diffusion of the barrier in the range between 0.53 to 13 kDa. In parallel, the biosynthetic pathways operating in vegetative cells and heterocysts were compared using oligonucleotide microarray. Differential expression of the genes involved in amino acids metabolism give clues as to which nitrogen-containing compounds might serve as the transfer vehicle in cell-cell exchanges.

Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Ryszard J. Jankowiak / Low-temperature laser-induced fluorescence spectroscopy has various applications in analytical, physical, and biophysical chemistry. This technique provides information on the fluorescence origin band, zero-phonon lines and phonon-sidebands, inhomogeneous broadening, electron-phonon coupling strength, and ground- and excited-state vibrational frequencies of studied molecules. Examples discussed in this work include studies of DNA/metabolites and monoclonal antibody (mAb)/antigen interactions. The structural basis for the increased reactivity of BPDE towards guanines at 5-methylcytosine ([superscript]M[superscripte]eC):G sites in DNA was investigated by low temperature laser-based spectroscopy, studying the nature of physical complexes of benzo[a]pyrene tetraol in a series of 5-methylcytosine structural DNA analogs. We found that the presence of a C-5 substituent on cytosine and related structural modifications influences the conformation of BPT in DNA analogs, and could explain the increase in guanine reactivity at [superscript]M[superscript]eC:G sites of the p53 tumor suppressor gene that contains endogenenous 5-([superscript]M[superscript]eC. It has been demonstrated that various mAbs can bind a particular cross-reactant by adopting two distinct "red" and "blue" conformations of its binding sites. We showed that the blue conformation of pyrene in several mAbs (including 4D5 mAb) is consistent with [pi]-cation interactions, underscoring the importance of [pi]-cation interaction in ligand binding. We propose that considerable narrowing of the fluorescence origin band of the ligand in the protein environment could be regarded as a simple indicator of [pi]-cation interactions. It is also shown that time-resolved delta fluorescence line-narrowing ([delta]FLN) spectroscopy, using excitation within the (0,0)-transition band, provides more reliable information of the frequency dependence of the electron-phonon coupling (Huang-Rhys factor, (S < 1). Finally, analytical formulas were developed to describe FLN spectra with excitation energy transfer present. Our calculated FLN spectra are compared with spectra obtained by a simple convolution method (SC) and a more rigorous treatment using Redfield theory. We demonstrate that, under the condition of weak coupling between pigments (i.e., the coupling constant is smaller than the reorganization energy) and weak electron-phonon coupling strength (S < 1), our analytical formulas provide an excellent approximation of the SC and Redfield methodologies. We argued that our approach could also model FLN spectra obtained for very complex biological systems.