La découverte d'une population de galaxies submillimétrique (SMG) obscurcies par la poussière à grand décalage spectral, à l'aide de caméras submm, a révolutionné notre connaissance de l'évolution des galaxies et de la formation stellaire dans les conditions physiques extrêmes. Elles sont les flambées de formation stellaire les plus intenses dans l'Univers, approchant la limite d'Eddington et sont considérées comme les progéniteurs des galaxies actuelles les plus massives. Les modèles théoriques d'évolution de galaxies ont été remis en question par la découverte d'un grand nombre de SMGs à grand décalage spectral. Quelques unes sont fortement lentillées gravitationnelement par une galaxie. Les grands relevés extragalactiges récemment effectués en ont découvert plusieurs centaines, ouvrant de nouvelles opportunités pour observer le milieu interstellaire dans ces objets exceptionnels.Nous avons donc sélectionné un échantillon de SMG fortement lentillées à l'aide des densités de flux submm du relevé Herschel-ATLAS. À l'aide des télescopes de l'IRAM, nous avons construit un échantillon de 16 SMG détectés par la raie de l'eau. Nous avons trouvé une corrélation linéaire forte entre les luminosité d'H2O et infrarouge totale. Cela indique le rôle important du pompage IR lointain dans l'excitation des raies de l'eau. En utilisant un modèle de pompage IR lointain, nous avons obtenus les propriétés physiques du gaz et de la poussière. Nous avons montré que l'eau trace un gaz chaud et dense qui peut être étroitement lié à la formation des étoiles. Plusieurs raies d'H2O+ ont également été détectées dans trois SMG, montrant une corrélation étroite entre les luminosités des raies de H₂ O/H₂ O+ des ULIRG locales aux SMG. Le rapport de flux H2O+/H2O suggère que les rayons cosmiques provenant des activités fortes de formation stellaire sont probablement à l'origine de la chimie de l'oxygène.Nous avons observé de multiples transitions de CO dans chacune de nos SMG. Nous avons mis en évidence un effet significatif de lentillage différentiel qui peut entraîner une sous-estimation de la largeur de raie d'un facteur ~2. A l'aide d'une modélisation de type LVG et en utilisant une approche bayésienne, nous avons estimé la densité et la température du gaz, ainsi que sa densité de colonne. Nous avons ensuite mis en évidence une corrélation entre la pression thermique du gaz et l'efficacité de la formation stellaire. Nous avons également étudié les propriétés globales du gaz moléculaire et sa relation avec la formation d'étoiles ainsi que le rapport masse de gaz sur poussière et le temps d'épuisement du gaz. La détections de raies de carbone atomique dans ces SMG a étendu la corrélation linéaire locale entre luminosité des raies de CO/CI. Enfin, nous avons comparé les largeurs de raie de CO/H₂ O et constaté qu'elles étaient en bon accord. Cela suggère que les régions émettrices soient co-spatiale.Afin de comprendre les propriétés des émissions moléculaires dans ces sources, et plus généralement, leur structure et leur propriétés dynamiques, il est crucial d'acquérir des images à haute résolution angulaire. Nous avons donc observé deux sources avec ALMA/NOEMA en configuration étendue. Ces données nous permettent de reconstituer la morphologie intrinsèque de la source. Les émissions de poussière froide ont une plus petite taille en comparaison avec le gaz CO/H2 O, tandis que les deux derniers sont de taille similaire. En ajustant le modèle dynamique aux données CO, nous avons montré que ces galaxies peuvent être modélisée avec un disque en rotation, duquel nous avons pu déduire leurs masses dynamiques projetées et leurs rayons effectifs.Avec le futur NOEMA/ALMA, nous pourrons étendre ce genre d'observations à un plus grand nombre de SMG fortement amplifiées et même à des SMG non lentillées, afin d'étudier divers traceurs du gaz moléculaire et de comprendre les conditions physiques du milieux interstellaire et leur relation avec la formation des étoiles. / The discovery of a population of high-redshift dust-obscured submillimeter galaxies (SMGs) from ground-based submm cameras has revolutionised our understanding of galaxy evolution and star formation in extreme conditions. They are the strongest starbursts in the Universe approaching the Eddington limit and are believed to be the progenitors of the most massive galaxies today. However, theoretical models of galaxy evolution have even been challenged by a large number of detections of high-redshift high-redshift SMGs. A very few among them are gravitationally lensed by an intervening galaxy. Recent wide-area extragalactic surveys have discovered hundreds of such strongly lensed SMGs, opening new exciting opportunities for observing the interstellar medium in these exceptional objects.We have thus carefully selected a sample of strongly gravitational lensed SMGs based on the submm flux limit from the Herschel-ATLAS sample. Using IRAM telescopes, we have built a rich H₂ O-line-detected sample of 16 SMGs. We found a close-to-linear tight correlation between the H2O line and total infrared luminosity. This indicates the importance of far-IR pumping to the excitation of the H2O lines. Using a far-IR pumping model, we have derived the physical properties of the H2O gas and the dust. We showed that H2O lines trace a warm dense gas that may be closely related to the active star formation. Along with the H2O lines, several H2O+ lines have also been detected in three of our SMGs. We also find a tight correlation between the luminosity of the lines of H2O and H2O+ from local ULIRGs to high-redshift SMGs. The flux ratio between H2O+ and H2O suggests that cosmic rays from strong star forming activities are possibly driving the related oxygen chemistry.Another important common molecular gas tracer is the CO line. We have observed multiple transitions of the CO lines in each of our SMGs with IRAM30m telescope. By analysing the CO line profile, we discovered a significant differential lensing effect that might cause underestimation of the linewidth by a factor of ~2. Using LVG modelling and fitting the multi-J CO fluxes via a Bayesian approach, we derived gas densities and temperature, and CO column density per unit velocity gradient. We then found a correlation between the gas thermal pressure and the star formation efficiency. We have also studied the global properties of the molecular gas and its relationship with star formation. We have derived the gas to dust mass ratio and the gas depletion time, they show no difference compared with other SMGs. With the detections of atomic carbon lines in our SMGs, we extended the local linear correlation between the CO and CI line luminosity. Finally, we compared the linewidths of the CO and H2O emission line, which agree very well with each other. This suggests that the emitting regions of these two molecules are likely to be co-spatially located.In order to understand the properties of molecular emission in high-redshift SMGs, and more generally, the structure and the dynamical properties of these galaxies, it is crucial to acquire high-resolution images. We thus observed two of our brightest source with ALMA and NOEMA interferometers using their high spatial resolution configuration. These images have allowed us to reconstruct the intrinsic morphology of the sources. We compared the CO, H2O and dust emission. The cold dust emission has a smaller size compared with the CO and H2O gas, while the latter two are similar in size. By fitting the dynamical model to the CO data of the source, we have shown that the source can be modelled with a rotating disk. We derived the projected dynamical mass and the effective radius of those sources.With the future NOEMA and ALMA, we will be able to extend such kind of observations to a larger sample lensed SMGs and even to unlensed SMGs, to study various gas tracers, and to understand the physical conditions of the ISM and their relation to the star formation.

Les propriétés des nanozéolithes, à savoir leur grande surface, leur stabilité hydrothermale et leur nature non toxique, permettent leur utilisation dans des applications prospectives, notamment la biomédecine (capteurs, administration de médicaments et de gaz) et la microbiologie (agents antibactériens). De nombreuses recherches ont été consacrées à l’étude de nouvelles applications biomédicales utilisant des matériaux zéolithiques, toutefois leur plein potentiel n’a toujours pas été pleinement dévoilé.Il est bien connu que la résistance croissante aux traitements établis de tumeurs et d’infections bactériennes par radiothérapie et antibiotiques est un problème de première importance. Par conséquent, le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour résoudre ces problèmes est très démandé.L'objectif de cette recherche de doctorat est de synthétiser et de modifier post-synthétiquement des zéolithes nanométriques pour des applications biomédicales. Cela implique l'échange d'ions de zéolithe avec divers cations pour trouver celui qui convient le mieux aux applications souhaitées : le traitement antimicrobien, la réoxygénation des tissus tumoraux et l’administration de gaz.Dans cette étude, nous rapportons: (i) l'effet de la zéolithe FAU de type nanométrique modifiée au cuivre sur les bactéries de type ESKAPE (chapitre 3), (ii) l’utilisation de nanozéolithes contenant du métal comme outil d'oxygénation et de visualisation tissulaire (chapitre 4) et enfin (iii) l'utilisation de nanozéolithes FAU comme vecteur de l'oxyde nitrique et du dioxyde de carbone pour prévenir des maladies potentiellement létales (chapitre 5). / The properties of nanozeolites, namely, large surface area, hydrothermal stability and non-toxic nature, enable their utilization in forward-looking applications, including biomedicine (sensors, drug and gas delivery) and microbiology (antibacterial agents). Hence, a lot of research has been devoted to study the new biomedical applications using zeolitic materials, their full potential has still not been fully unveiled.It is well recognised that growing resistance to already established treatments of tumors and bacterial infections using radiotherapy and antibiotics is a distressing matter. Therefore, the development of new therapeutic strategies towards above issues is of great demand.The goal of this PhD research is to synthesise and post-synthetically modify nanosized zeolites for biomedical applications. This involves the ion-exchange of zeolite with various cations to find the most suitable one for desired applications in regards to antimicrobial treatment, tumour tissue reoxygenation and gas delivery.In this study, we report: (i) the effect of copper modified nanosized FAU type zeolite on ESKAPE type bacteria (Chapter 3), (ii) the metal containing nanozeolite as a tool for tissue oxygenation and visualisation using MRI (Chapter 4), and lastly (iii) the use of FAU nanozeolite as nitric oxide and carbon dioxide gas vector to prevent life threatening conditions (Chapter 5).

Le rapport isotopique de l'hélium atmosphérique (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) est lié aux flux naturels et anthropiques de 3He et de 4He en provenance de la Terre (et de l'espace pour 3He). Les activités industrielles ont émis des gaz riches en 4He radiogénique (exploitation des combustibles fossiles) et en 3He (activités nucléaires). Du fait de ces flux d'hélium, il a été proposé que le rapport 3He/4He dans l'air a varié dans le temps et dans l'espace. De telles variations pourraient permettre l'utilisation de ce rapport comme nouveau traceur des émissions atmosphériques de polluants anthropiques et/ou naturelles. Pour vérifier ces possibilités, nous avons entrepris la mesure haute-précision (2-6‰, 2σ) de la composition isotopique de l'hélium atmosphérique au Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (Université de Lorraine et Centre National de la Recherche Scientifique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). Nous avons effectué des analyses d'intercalation avec un spectromètre de masse double collecteur (Helix Split Flight Tube de la société Thermo Instruments). Au cours de ces analyses, plusieurs analyses individuelles d'un échantillon d'air sont effectuées en alternance avec un standard d'air. Nous n’avons détecté aucune évidence de variation temporelle du rapport 3He/4He dans l’air de France piégé dans des boules de pétanque (1965, 1990, 2010, 2013), dans des réservoirs métalliques (2010, 2016) et dans un carburateur de voiture (1910). Nous avons également re-analysé des échantillons d'air ancien prélevés dans des réservoirs métalliques depuis 1978 à Cape Grim (Tasmanie, Australie). En incluant les mesures de Mabry et al. (2015) pour certains de ces réservoirs, nous obtenons une tendance commune de -0.05 ± 2.46 ‰, montrant l'absence de variation statistiquement significative sur une période de 106 ans. Au niveau mondial, nous avons seulement détecté deux échantillons d’air sur seize (Dôme C, Antarctique; Tokyo, Japon) dont les compositions sont statistiquement distinctes, marquées par des excès en 3He de 2.0 ± 1.4 ‰, et 1.7 ± 1.5 ‰, respectivement (intervalle de confiance de 95%). Ces excès pourraient être liés aux flux d’hélium locaux par : (i) les précipitations aurorales en Antarctique ; (ii) les volcans et/ou les déchets nucléaires (Fukushima Daï-Ichi) au Japon. Dans la région de l’Afar (Éthiopie), nous avons détecté des excès en 3He de ~1 % au-dessus du lac de lave du volcan Erta Ale, pouvant être utilisés pour tracer des gaz réactifs (e.g. CO2) simultanément émis. Ces excès sont toutefois rapidement dilués dans les masses d’air régionales. L'isolation des gaz libérés par le sol du cratère de l'Erta Ale à l'aide d'un contenant inversé placé à sa surface a permis d'évaluer les flux diffusifs en 3He (via l'augmentation du rapport 3He/4He dans l'air isolé) et en CO2. Globalement, cette thèse conforte l’utilisation de RA comme standard inter-laboratoire. Dans certaines régions (Dôme C, Japon), une investigation plus poussée dans le temps devrait être effectuée pour contraindre les sources d’hélium atmosphérique pouvant engendrer de faibles variations locales / The helium isotopic composition of air (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) is related to the natural and anthropogenic fluxes of 3He and 4He from the Earth (and from space for 3He). Industrial activities emit gases enriched in radiogenic 4He (exploitation of fossil fuels) and in 3He (nuclear activities). It has been proposed that the 3He/4He ratio in air has varied over time and also spatially because of these helium fluxes. Such variations could allow the use of this ratio as a new tracer of anthropogenic and/or natural pollutants. To verify these possibilities, we undertook high-precision measurements of the composition of atmospheric helium (2-6‰, 2σ) at the Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (University of Lorraine, Centre National de Recherche Scientique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). We performed sample-standard bracketing analyses with a double collector Helix SFT Mass Spectrometer. During each of these analyses, several individual analyses of an air sample are conducted in alternation with an air standard. We found no evidence of temporal variation of the 3He/4He ratio in French air trapped in petanque balls (1965, 1990, 2010, 2013), metallic tanks (2010, 2016) and in a carburettor (1910). Including the measurements of Mabry et al. (2015) for the Cape Grim air archive (Tasmania, Australia), we obtained a trend of -0.05 ± 2.46‰ over 106 years. At the global level, we only detected two air samples out of sixteen (Dôme C-Antarctica, Tokyo-Japan) whose compositions are statistically distinct, marked by 3He excesses of 2.0 ± 1.4‰, and 1.7 ± 1.5‰, respectively (95% confidence interval). These excesses could be related to local and regional helium fluxes input such as: (i) auroral precipitation in Antarctica; (ii) volcanoes and/or nuclear releases (Fukushima Daï-Ichi) in Japan. In the Afar region (Ethiopia), we detected 3He excesses of ~1% above the lava lake of the Erta Ale volcano, which can be used to trace reactive gases (e.g. CO2) released simultaneously. These excesses are quickly affected by air mixing with the regional air of Afar. The diffusive soil fluxes of 3He (via increase of the 3He/4He ratio) and CO2 have been estimated from the accumulation of gases released from the soil of the Erta Ale crater in an inverted chamber placed on its surface. Overall, this thesis supports the use of RA as an inter-laboratory standard. In some areas (Dôme C, Japon), a more thorough investigation should be carried out over time to constrain the sources that may cause small helium isotopic variations in air

Les travaux menés au cours de cette thèse s’inscrivent dans le cadre général de l’évaluation du terme source (relâchement de gaz de fission) en situation incidentelle de type APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire). Lors de tels transitoires thermiques, le relâchement de gaz de fission se fait par bouffées successives : une première entre 600°C et 800°C et la seconde à environ 1100°C. Ces travaux de thèse s’intéressent à cette première. Il semblerait que la bouffée à 600-800°C proviendrait du centre de la pastille combustible. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes à l’origine de cette bouffée.Afin de mieux comprendre ces mécanismes, une étude a été menée sur l’ensemble des traitements thermiques réalisés dans la plateforme expérimentale MERARG. L’analyse de cette base de données a révélé 2 points importants : 1) Dans les conditions expérimentales de MERARG, aucune fagmentation significative du combustible n’est observée à des températures inférieures à 1000°C. 2) Le niveau de relâchement de gaz de fission entre 600°C et 800°C semble augmenter avec le temps d’entreposage du combustible.Le premier point indique que la fragmentation du combustible n’est pas une condition nécessaire au relâchement de gaz de fission dans cette gamme de température : d’autres mécanismes peuvent être à l’origine de ce relâchement. Durant l’entreposage, le combustible est soumis principalement à l’auto-irradiation α. Celle-ci a pour effet de créer des défauts dans une zone qui n’en contenait initialement pas. Nous avons démontré que la cinétique du relâchement de gaz de fission entre 600°C et 800°C est concomitante avec la cinétique de recuit de défauts d’autoirradiation α. De plus, une cinétique auto-catalytique de germination-croissance de nano-clusters de gaz a été développée et confrontée aux résultats expérimentaux. En outre, une étude sur matériaux simulants démontre que, sur des pastilles d’UO2 frittées et implantées en xénon, une irradiation en régime électronique a pour effet d’accroitre le relâchement entre 600°C et 800°C. La littérature décrit la remise en solution des bulles de gaz de fission sous l’effet d’une irradiation de ce type. De plus, lors de leur remise en solution, les gaz de fission s’insèrent dans les défauts de la structure cristalline. Lors d’un traitement thermique, le recuit des défauts entraine la mobilité des atomes de gaz de fission insérés de ces mêmes défauts. Par germination-croissance, les paires gaz/défauts rejoignent un chemin de sortie, les gaz de fission sont donc relâchés.Ce travail a donc permis de retenir l’hypothèse d’un mécanisme de relâchement de gaz de fission entre 600°C et 800°C par recuit de défauts sans fragmentation significative du combustible. / The subject of this thesis concerns the evaluation of the source term (fission gas release) in incidental situations of type LOCA (Loss of Coolant Accident) of nuclear fuels. During such thermal transients, the fission gas release is characterized by successive bursts : the first one occurring between 600 and 800°C, and a second one at about 1100°C. This work is about the first burst release. It appear that this one come from the centre of the fuel pellet. The aim of this thesis is to study the mechanisms responsible for the fission gas release between 600°C and 800°C.To this purpose, we collected more than 200 results of thermal treatments carried out using the experimental platform MERARG. The analysis of this database reveals two important results : under the experimental conditions of MERARG, no significant fragmentation of the fuel was observed at temperatures below 1000°C ; the amount of fission gas release between 600°C and 800°C appears to increase with fuel storage time.The first result suggests the fragmentation of the fuel is not a necessary condition for the release of fission gas in this temperature range. Other mechanisms may then be responsible for this gas release. During its storage, the fuel undergoes α particle self-irradiation. We demonstrate that the kinetics of fission gas release between 600°C and 800°C is simultaneous with the kinetics of the annealing of self-irradiation defects at this same temperature. The mechanism involves an autocatalytic process leading to a kinetic of fast germination-growth of gas nano-clusters. This model perfectly explains the experimental results in the database. To confirm this mechanism, a study on surrogate materials demonstrates that, in UO2 pellets sintered and implanted by Xe, irradiations in the electronic regime actually promote the release of implanted Xe at those temperatures. The re-dissolution of the fission gas bubbles by this kind of irradiation is consistent with observations in other contexts. Those conclusions allow to extend the mechanism for release to irradiated fuel.During the storage of the fuel, α self-irradiation promotes the re-dissolution of the trapped gas. The consequences of this effect are particularly important in the region close to the grain boundaries, where the concentration of defects is also larger. The irradiation mechanism increases the fraction of fission gas available for release, depleting the amount of gas initially trapped in bubbles. The gas in solution can effectively be carried by crystal defects, largely available in the irradiated fuel and whose migration at 600-800°C induces the mobility of the fission gas. When they reach an outlet path, the gas can be released from the pellet in a way consistent with the model of autocatalytic germination-growth we developed to explain the macroscopic results of the database.In conclusion, this work supports the hypothesis of a mechanism of fission gas release in the range 600-800°C via a mechanism involving the migration and annealing of defects without significant fragmentation of the fuel.

Pour estimer les puits et sources des gaz à effet de serre et améliorer les prévisions d’évolution du climat, il est nécessaire de disposer de mesures précises et continues de leurs concentrations atmosphériques à l’échelle globale. Pour consolider le réseau d’observation mondial, la mise en œuvre de systèmes lidar embarqués sur satellite pour les futures missions de sondage atmosphérique depuis l’espace est considérée comme un atout à la fois innovant et complémentaire pour les méthodes de mesure actuelles. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur le développement d’un lidar à absorption différentielle (DIAL) à partir d’une source paramétrique émettant dans la gamme spectrale 1,9 – 2,3 µm. Il s’est agi de démontrer l’aptitude de la source à être mise en œuvre pour des mesures longue portée des principaux gaz à effet de serre (CO2, H2O, CH4). Dans ce but, la source a été intégrée dans une architecture lidar dimensionnée préalablement à l’aide une modélisation numérique. L’optimisation de l’instrument s’est faite autour de deux points : le contrôle de la pureté spectrale de la source, et la maîtrise de la réponse de la chaine de détection et d’acquisition. Des mesures des trois gaz ont ensuite été réalisées depuis le laboratoire à partir du signal provenant de la rétrodiffusion des aérosols ou des nuages. Ces mesures ont servi de support pour une étude approfondie des erreurs et biais de mesure. À partir de ces travaux et en s’appuyant sur des simulations, la possibilité d’intégration de la source dans un système aéroporté a été étudiée comme étape préliminaire à la mesure spatiale. Enfin, une projection des performances d’un système satellite mettant en œuvre la source a été établie. / Sustained and accurate greenhouse gases measurements at a global scale are required to improve the knowledge on their sources and sinks and thus increase the accuracy of climate change projections. In order to consolidate the global observation networks, spaceborne lidar systems for future earth observation missions are regarded as innovative and complementary components to the present operational measurement methods. In this context, this research work has consisted in developing a differential absorption DIAL lidar based on an optical parametric source able to emit in the 1,9–2,3 µm spectral range. The purpose was to demonstrate its ability to be implemented in long range measurements of the main greenhouse gases (CO2, H2O, CH4). Then, the laser transmitter has been integrated in a lidar architecture which was previously designed using a numerical model. Improvements and optimization of the lidar system focused on two aspects: the monitoring of the spectral purity of the emitter and the control of the detection and acquisition. Concentration measurements on the three gases have been carried out from the laboratory based on atmospheric backscattered signals from clouds and aerosol. These measurements provided a basis for the investigation of the error and bias sources. On the basis of these measurements, instrument scaling for future airborne demonstrations is discussed. Projected performances of a spaceborne instrument are also presented.

L’utilisation de micromembranes suspendues chauffées par effet Joule comme source de rayonnement infrarouge est une piste prometteuse pour la réalisation de détecteurs de gaz compacts, basse consommation et à bas coût. Afin d’améliorer l’efficacité de ces dispositifs récemment introduits, il est nécessaire d’optimiser ceux-ci à la fois du point de vue optique et thermique.En ajoutant des résonateurs plasmoniques frustrés sur les membranes, il est possible de modifier l’émissivité de ces dernières, afin de contrôler spectralement et angulairement le rayonnement émis. De cette façon, la puissance utile est augmentée, tandis que la consommation électrique diminue. D’autre part, l’étude en profondeur des rôles des différents canaux thermiques conduit à relier rayon de la membrane, temps de chauffe et énergie disponible par mesure et de définir un régime optimal de fonctionnement dynamique.Finalement les membranes sont fabriquées en salle blanche et caractérisées électriquement, optiquement et mécaniquement afin d’estimer les gains en performances. La réalisation d’un prototype de capteur de CO2 à 4,26 µm à partir de ces sources indique des précisions de l’ordre de la vingtaine de ppm pour une consommation d’un milliwatt, en compétition favorable avec l’état de l’art mondial dans ce domaine. / Joule-heated suspended microhotplates can be used as infrared sources in cheap, low-consumption spectroscopic gas sensors. To enhance the very low efficiency of first generation structures, both their thermal and optical designs have to be optimized.The implementation of frustrated plasmonic resonators on top of the membrane grants both spectral and angular control of its emissivity. It is thus possible to make it radiate only at the frequencies absorbed by the gas under study, and in the solid angle of the detector. This leads to an increase in useful radiated power while the overall electrical consumption is decreased. Dynamical studies of membrane heating provide welcome insight on the relationship between membrane radius, heating time and energy consumption per measurement. The existence of a compromise is demonstrated in order to maximize the radiative efficiency, and its physical interpretation is detailed.Eventually, membranes fabricated in LETI’s clean room were characterized to measure their electrical, optical and mechanical properties. The implementation of such sources in a CO2 prototype sensor led to state-of-the-art results, with a few dozen ppm sensitivity with a power consumption of only one milliwatt.

La pollution atmosphérique est un problème de santé publique majeur responsable en 2012 de 3,7 millions de décès prématurés dans le monde. La pollution de l’air, au même titre que les autres facteurs environnementaux (e.g., nutrition, stress) auxquels sont exposées les femmes enceintes, pourrait avoir un impact sur le développement foetal. L’objectif de ce travail était d’étudier les effets d’une exposition gestationnelle aux gaz d’échappement de moteur diesel, source majeure de la pollution atmosphérique, sur le développement foetoplacentaire en première (F1) et deuxième (F2) génération. Des lapines gestantes (F0) ont été exposées 2h/jour du 3e au 27e jour post-conception (jpc) à des niveaux de gaz d’échappement de moteur diesel mimant un pic de pollution aux particules fines de grandes villes européennes. L’exposition gestationnelle des lapines F0 entrainait des signes d’hypotrophie foetale (réduction de la longueur de la tête, de l’efficacité placentaire et hypoinsulinémie des foetus F1 à 28jpc) associés à un défaut de vascularisation placentaire et des dérégulations fonctionnelles du placenta identifiées par une analyse d’enrichissement de réseaux de gènes (GSEA) sur des données de transcriptomique (microarray dédié). Le transfert transplacentaire des nanoparticules inhalées a été démontré par microscopie électronique à transmission. En F2, la concentration plasmatique en triglycérides était réduite et la concentration plasmatique en cholestérol augmentée chez les foetus issus des lapines F1 exposées in utero. La biométrie foeto-placentaire et la structure du placenta n’ont pas été affectées. Les analyses GSEA du transcriptome placentaire F2 ont révélé des perturbations de réseaux de gènes impliqués dans la formation du protéasome et desexosomes et dans l’inflammation. Les modulations de profils en acides gras au niveau placentaire et fœtal suggèrent la mise en place de mécanismes adaptatifs anti-inflammatoires chez les F2. En conclusion, l’exposition gestationnelle chronique à des gaz d’échappement de moteur diesel induit des perturbations foeto-placentaires sur plusieurs générations. Ces données ont mis en évidence le risque lié aux nanoparticules émises par les moteurs diesel et qui ne sont soumises actuellement à aucune réglementation. / Atmospheric pollution is a major threat for human health, causing 3.7 million premature deaths worldwide in 2012. Air pollution, as well as other environmental factors (e.g., nutrition, stress) faced by pregnant women may affect fetal development. The objective of this work was to study the impact of gestational exposure to diesel engine exhaust (DE), a major source of air pollution, on the fetoplacental development in the first (F1) and second (F2) generation. Pregnant rabbits (F0) were exposed 2h/day from 3 to 27 days post-conception (dpc) at DE levels mimicking a pollution peak in major European cities. Gestational exposure of F0 females induced signs of fetal hypotrophia (reduced head length, placental efficiency and hypoinsulinemia in fetuses at 28 dpc) associated with placental vasculature failure and placental functional deregulations identified by gene set enrichment analysis (GSEA) on transcriptomic data (dedicated microarray). Transplacental transfer of inhaled nanoparticles was demonstrated by transmission electronic microscopy. In F2 generation, plasma triglyceride concentrations were reduced and plasma cholesterol concentration increased in fetuses of in utero exposed F1 rabbits. Placental biometry and structure were not affected. GSEA analysis of F2 placental transcriptome revealed disturbances in gene networks involved in formation of proteaome and exosome, in inflammation. Modulations of placental and fetal fatty acid profiles suggest anti-inflammatory adaptive mechanisms in F2 fetuses. In conclusion, chronic gestational exposure to diesel engine exhaust affects fetoplacental development over several generations. These data highlight health hazards caused by DE nanoparticles and currently not subject to regulation.

Nous proposons dans ce travail une méthode robuste et bas-coût afin de fabriquer des détecteurs de gaz à base de Nanotubes de Carbone bi-parois (DWCNTs) chimiquement fonctionnalisés. Ces nano-objets (DWCNTs) sont synthétisés par dépôt catalytique en phase vapeur (CCVD), puis purifiés avant d'être oxydés ou bien fonctionnalisés par des terminaisons fluorées ou aminées. Les dispositifs de détection électriques ont été fabriqués par lithographie douce en utilisant un pochoir de PDMS (Poly-DiMethyl Siloxane) et un dépôt en phase liquide à la pipette d'une suspension aqueuse contenant les nanotubes fonctionnalisés, rinçage puis séchage à l'azote sec. Chaque dispositif (1 cm X 2 cm) est équipé d'un jeu de 7 résistors à base de DWCNTs. Chaque résistor peut accueillir des nanotubes fonctionnalisés par une entité chimique différente afin de cibler un gaz spécifique, permettant ainsi une détection multiplexée. En raison de leur faible encombrement et la possibilité de les fabriquer sur tout type de substrat y compris des substrats souples, ces détecteurs pourraient être utilisés pour une large gamme d'applications et notamment les détecteurs de gaz portatifs et intégrés. La résistance électrique des résistors s'avère décroître avec la température suggérant une conduction électrique gouvernée par l'effet tunnel et les fluctuations au sein du tapis désordonné de nanotubes de carbone. Nous avons cependant montré dans ce travail que pour des applications réelles de détection de gaz, une régulation thermique des dispositifs n'est pas nécessaire car les variations de résistance engendrées par l'adsorption de molécules de gaz sont significativement plus grandes que les variations causées par de possibles fluctuations de température. Les dispositifs produits présentent un caractère métallique à température ambiante et pour des applications de détection de gaz nous avons sélectionné des dispositifs présentant des résistances inférieures à 100 kO. Le principe de base de la détection de gaz étant basé sur la mesure directe de la résistance électrique du dispositif, la consommation électrique de ces dispositifs reste faible (<1 µW). La réponse des dispositifs à base de nanotubes de carbone non fonctionnalisés aux analytes testés (éthanol, acétone, ammoniac et vapeur d'eau) est faible. Les nanotubes de carbone fonctionnalisés présentent quant à eux, une réponse modérée à la vapeur d'eau, à l'éthanol et à l'acétone mais montrent une sensibilité excellente à l'ammoniac. En particulier, les nanotubes de carbone oxydés se sont avérés capables de détecter des concentrations sub-ppm d'ammoniac en présence de vapeur d'eau en excès et à température ambiante et ont montré une grande stabilité dans le temps même pour des expositions de gaz répétées. Nous pensons que les groupes chimiques fonctionnels ancrés à la surface des nanotubes de carbone modifient les interactions entre les molécules de gaz et les nanotubes et que le transfert de charges induit provoque les modifications de la conductance électrique du système. / We have successfully fabricated gas sensors based on chemically functionalized double-wall carbon nanotubes (DWCNTs) using a robust and low cost process. The DWCNTs were synthesized by catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method. They were then purified before functionalization (oxidation, amination, and fluorination). The sensor devices were fabricated by soft lithography using PDMS (Poly-DiMethylSiloxane) stencils and liquid phase pipetting of a suspension of chemically functionalized DWCNTs in deionized water, rinsing and finally drying in a nitrogen flow. Each device (1 cm x 2 cm) is equipped with a set of 7 DWCNT based resistors. Each resistor can accommodate a precise chemical functionalization for targeting a specific gas species, allowing a multiplexed (up to 7) detection. Due to their small size and the possibility to fabricate them on soft substrates, they could be used for many kinds of applications including wearable devices. The electrical resistance of the produced resistors turned out to decrease with temperature, suggesting fluctuations induced tunneling conduction through the disordered network of metallic nanotubes. However, we have shown in our work that for realistic applications, gas sensing can be achieved without any temperature regulation of our devices, because the variations of electrical conductance caused by gas molecules adsorption are significantly larger than those caused by possible temperature fluctuations. The as fabricated devices exhibit at room temperature a metallic conducting behavior. Devices with a resistance less than 100 kO were selected for gas detection. Because the sensing principle is based on the direct measurement of the resistance, our scheme ensures low power consumption (<1 µW). Raw (not functionalized) DWCNTs-based gas sensors exhibited a low sensitivity to the tested analytes, including ethanol, acetone, ammonia and water vapor. Functionalized DWCNTs-based gas sensors exhibited a moderate sensitivity to ethanol, acetone and water vapor but the response to ammonia, even in the presence of additional water vapor, was excellent. In particular, oxidized DWCNTs based gas sensors exhibited a high stability in the case of prolonged and repeated gas exposures. The oxidized DWCNTs gas sensors were also able to detect ammonia vapor at sub-ppm concentration in the presence of water vapor at high concentration.

La modification de surface par plasma est une technique largement utilisée pour améliorer les propriétés de surface de polymères par le greffage de différents groupes fonctionnels. Dans ce projet de recherche, différentes méthodes pour améliorer les techniques de caractérisation de décharge micro-ondes de N2 et N2-H2 ont été étudiées dans le but d’optimiser le procédé de traitement de surface par plasma. Tout d'abord, un certain nombre de paramètres du plasma ont été mesurés à différentes conditions de traitement. Pour déterminer les paramètres du plasma, la spectroscopie d'émission optique a été utilisée dans la région l’ultraviolet, du visible et l’infrarouge (rarement utilisée dans la littérature scientifique). L’utilisation de la spectroscopie d'émission dans cette dernière région spectrale est avantageuse car elle permet d'éliminer les forts chevauchements entre les transitions atomiques et moléculaires et de pallier la faible intensité du signal observée dans la région de l’ultraviolet et du visible. Par la suite, la composition chimique de surface du PTFE a été analysée par XPS pour déterminer les concentrations en carbone, fluor, azote et des groupements amine suite à un traitement par plasma. Les résultats mentionnés ci-dessus ont été utilisés pour corréler les conditions de traitement et les paramètres de décharge micro-ondes à la composition chimique du PTFE modifié, dans l’objectif de mettre en évidence les paramètres expérimentaux du plasma et les espèces présentes dans le plasma qui jouent un rôle clé pour maximiser la fonctionnalisation de surface du polymère avec des groupements amine. En outre, un modèle mathématique a été développé en utilisant la technique de régression PLS. Pour construire ce modèle, un ensemble de données de variables d'entrée contenant les conditions de traitement et les paramètres spectroscopiques du plasma et une matrice de réponse contenant les propriétés de surface du polymère ont été générées. La base de données obtenue a été utilisée pour établir la relation entre les paramètres du plasma, les conditions de traitement et la chimie de surface du film. Cela a finalement permis de prédire la composition chimique de la surface à partir d’informations relatives au plasma, sans avoir à effectuer des analyses de surface après le traitement. / Plasma surface modification is a widely used technique for improving the surface properties ‎of ‎polymers through the introduction of different functional groups. In ‎the current research project, ‎different methods to improve the characterization techniques of ‎N2 and N2-H2 microwave discharge ‎were investigated with the aim of optimizing the ‎plasma surface process. First of all, a number of plasma parameters were measured at ‎different process conditions. To determine the plasma ‎parameters, optical emission spectroscopy was used ‎not only within the well-documented ‎UV-Visible region but also within the rarely ‎studied infrared zone. Using infrared optical emission ‎spectroscopy is advantageous as it ‎eliminates the strong overlap between atomic and molecular ‎transitions as well as the low ‎intensity UV-Visible emission spectroscopy limitations. In the next step, the PTFE surface chemical composition was analyzed via XPS to quantify the ‎concentrations of carbon, fluorine, and nitrogen after a plasma treatment in a N2-H2 gaseous ‎environment. The XPS analyses were also performed after chemical derivatization to quantify the ‎surface concentration of amino groups (%NH2) at different process conditions. The above-mentioned results were used to correlate process conditions and microwave N2-‎H2 ‎discharge‏ ‏parameters‏ ‏to the chemical composition of the modified ‎PTFE. The purpose was ‎to ‎determine the external plasma parameters and species present within the plasma ‎which ‎‎play a key ‎role in the introduction of amino groups to the polymer surface. ‎Furthermore, a mathematical model was developed using ‎the Partial Least Squares ‎Regression, ‎‎(PLSR) ‎using custom scripts written in MATLAB. A data set of ‎input variables including the process conditions ‎and plasma ‎parameters for each experiment ‎were generated along with the corresponding response ‎matrix which in turn contained the ‎surface ‎properties of the film.‎ ‎The resulting database was used to ‎build the relationship ‎between the plasma parameters, ‎process condition and the resulting film ‎surface chemistry. ‎This ultimately enabled to predict the PTFE surface chemistry from data originating ‎from the plasma, without having to proceed to post-plasma surface characterization.

Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / Cette thèse représente plusieurs années de travaux principalement expérimentaux dans les domaines de l'optique non-linéaire et la génération d'harmoniques ainsi que dans celui des transitions laser de la molécule de CO₂. Un historique des impulsions laser dans l'infrarouge est présenté en guise d'introduction. L'idée du pompage optique du CO₂ est également abordée ainsi que son utilisation potentielle dans l'amplification d'impulsions de 10 microns dans la perspective de générer des harmoniques d'ordre élevé dans le domaine extrême ultraviolet / rayons X. Le premier chapitre décrit le montage expérimental pour l'amplification d'impulsions laser de 10 microns en utilisant le CO₂ comme milieu de gain. Nous y présentons également la chaîne laser Ti:saphir stabilisée en phase du laboratoire du Professeur Witzel, avec son amplificateur paramétrique et son module de différence de fréquence, qui permet d'étendre le spectre dans l'infrarouge jusqu'à 20 microns. Ensuite nous décrivons le laser Nd:YAG utilisé comme pompe d'un l'oscillateur paramétrique de 2 microns, sujet principal de la thèse. Les trois chapitres suivants traitent de l'oscillateur paramétrique accordable hautement énergétique que nous avons développé durant de la thèse. Les principes de base de l'optique non-linéaire et du processus de génération de différence de fréquence sont d'abord présentés, ainsi que les paramètres de performances de l'oscillateur paramétrique avec différentes configurations. Nous poursuivons avec une caractérisation complète de l'OPO de 2 microns que nous avons développé, ce qui comprend les calculs effectués pour sa construction, la mesure de son énergie, de son accordabilité, de son facteur de qualité et la comparaison de deux configurations de miroirs différentes : simplement et doublement résonant. Finalement deux systèmes de mesure de longueurs d'onde dans l'infrarouge sont décrits, l'un basé sur l'automatisation d'un monochromateur de type Czerny-Turner et le second sur la détection des processus de somme de fréquence de l'OPO. Le chapitre qui suit aborde la conception et la fabrication de miroirs de couches minces. Une expertise dans la fabrication de miroirs et de revêtements anti-reflet à seuil de dommage élevé du visible jusqu'à 2.6 microns a été développée tout au long de la thèse. La plupart des optiques utilisées dans cette recherche ont été produites par nous-mêmes dans les installations du Centre d'optique, photonique et laser (COPL) de l'Université Laval. Finalement le dernier chapitre aborde l'amplification laser d'impulsions de 10 microns par pompage optique d'une cellule de CO₂ à haute pression. Nous y expliquons la différence entre le pompage classique par décharge électrique et le pompage optique que nous désirons utiliser. Ensuite une définition des concepts d'absorption, de section efficace d'absorption, et du principe d'élargissement des raies d'absorption y est présentée. Pour conclure nous montrons un calcul de l'élargissement des raies d'absorption par la pression avec des mesures d'absorption du CO₂ dans la zone de 2 microns. / This thesis is the result of several years of mostly experimental work and it covers the topics of non-linear optics and harmonic generation as well as the the CO₂ molecule laser transitions. A background on infrared laser pulses is presented as an introduction. The idea of CO₂ optical pumping is also discussed and its potential use in 10 micron pulse amplification in order to produce high harmonic generation in the extreme ultraviolet / x-ray range. The first chapter describes the experimental setup for 10 micron pulse laser amplification using a high pressure CO₂ cell as the gain medium. We also present the carrier-envelope phase stabilized Ti:sapphire laser system of Professor Witzel's laboratory, with its parametric amplifier and difference frequency generator blocks, which extend the output spectrum of the laser in the infrared up to 20 microns. We follow with the description of the Nd:YAG laser used as a pump source of a 2 micron OPO ("optical parametric oscillator") the main subject of the thesis. The next three chapters deal with the high energy tunable OPO developed during the thesis. The basic principles of non-linear optics and of the frequency difference generation process are first presented, as well as the performance parameters of the OPO with different configurations. A complete characterization of the 2 micron OPO follows, which includes the calculations performed for its design, the measurements of the OPO's energy, the tunability, the quality factor and the comparison of two different sets of mirrors: singly and doubly resonant OPO. Finally, two systems for measuring wavelengths in the infrared are described, the first one is based on the automation of a Czerny-Turner type monochromator and the second one on the detection of the sum frequency generation process which occurs in the OPO at the same time as the difference frequency generation process. The following chapter discusses the design and manufacture of thin film coatings mirrors. An expertise in the manufacture of mirrors and anti-reflective coatings with high damage threshold from visible up to 2.6 microns has been developed throughout the thesis. Most of the optics used in this research were produced by ourselves in the facilities of the Center for Optics, Photonics and Lasers (COPL)from Université Laval. Finally, the last chapter covers the topic of laser amplification of 10 micron pulses by optical pumping of a high-pressure CO₂ cell. We explain the difference between the conventional electric discharge pumping and optical pumping. A definition of the concepts of absorption, absorption cross-section, and the principle of broadening of the absorption lines follows. A calculation of pressure broadening of the absorption lines is presented along with CO₂ absorption measurements in the 2 micron region.