L'observation en calorimétrie lente du comportement du polyéthylène et d'autres polyoléfines lors de la fusion et lors de la cristallisation a permis d'identifier des indicateurs de déformation et de relaxation. La présence de ces mêmes phénomènes est attendue pour le poly (oxyde d'éthylène) lorsque soumis au même traitement. Les présents travaux portant sur l'analyse IR du PEO dans l'état solide et dans l'état fondu furent motivés par les recherches précédentes du laboratoire du Dr. Geneviève Delmas-Patterson sur le polyéthylène et l'amylose. Dans le cas de l'amylose, l'intérêt était principalement orienté vers la fraction déformable du réseau ainsi que sur les états de non équilibre. Pour le PE, les analyses en FTIR et en calorimétrie lente ont mené à la détermination de la composition phasique à RT après différentes histoires thermiques et aussi en fonction de la température. À l'aide de la FTIR, il est possible d'obtenir, avec un certain degré de confiance, la teneur en fraction ordonnée, désordonnée et tendue dans un échantillon. La possibilité d'observer les mêmes concepts pour le PEO que pour le PE et l'amylose à l'aide de traitements thermiques et des techniques telles que la FTIR et la calorimétrie lente semblait pertinente. Le développement de tension pendant le vieillissement, à travers des changements de phases initiés par des traitements thermiques ou par les interactions entre molécules est intéressant à suivre et peut ouvrir des pistes d'information permettant de mieux comprendre les mélanges complexes à base de PEO. Les spectres IR sont utilisés dans cette recherche pour avoir une information sur la morphologie du PEO. Contrairement à d'autres polymères, des modifications apparemment modestes de 1'histoire du film ont un effet remarquable sur l'organisation des chaînes et le spectre IR. Grâce à la présence de liaisons non polaires (CH2-CH2) et polaires (CH2-O) dans la séquence, le PEO a des propriétés uniques, révélées par son spectre. Pour caractériser les vibrations, on compare habituellement les spectres des échantillons préparés différemment, en solution ou soumis à une force mécanique (pression ou étirement). Dans ce travail, nous avons procédé différemment en utilisant une rampe de température pour modifier l'échantillon. Ceci a l’avantage d'être un processus contrôlé de création de tension pendant l'expansion du matériau. La rampe lente permet - mieux que les rampes rapides habituelles - d'accéder à de nouveaux états d'équilibre entre les chaînes. L'état fondu est ainsi atteint graduellement. Nous avons utilisé deux vitesses de chauffe qui conduisent à des spectres différents. De façon très inattendue, un autre paramètre s'est révélé capable de changer le spectre et la morphologie de films analysés à température ambiante. C'est l'épaisseur du film qui a un effet sur la cinétique d'évaporation du solvant. Dans la première partie, il est question des effets de déformations modérées durant la cristallisation et de la mise en évidence de bandes sensibles à la déformation observées lorsqu'un film de PEO est soumis à un cycle de fusion et de cristallisation. Dans la seconde partie, les résultats obtenus avec le PEO sont comparés avec ceux obtenus par notre laboratoire sur le polyéthylène. Il est aussi question de l'effet inattendu de l'épaisseur des films et de l'observation en FTIR d'un film de PEO soumis à une fusion très lente. Il ressort des travaux menés sur le PEO en fonction de la température que les effets augmentent lors de l'augmentation de la température et diminuent lorsque la température diminue. Trois phénomènes apparaissent comme des conséquences de la rampe de température soit, tout d'abord l'observation de nouvelles bandes sensibles à la température dans la région 1090-1100 cm-1, ce dans l'état solide et dans l'état fondu. Ensuite, des signaux spécifiques dans la région 500-650 cm-1. Finalement, la variation modeste, mais inattendue de l'absorbance intégrée dans le PEO fondu entre les températures de fusion et de cristallisation est à mettre en parallèle avec les effets thermiques observés par calorimétrie quand une rampe lente de température remplace la rampe rapide standard. L'observation de bandes larges et d'absorbance non différenciée dans l'état fondu plus importante chez les échantillons traités thermiquement et aussi l'augmentation de bandes fines est associée avec la formation d'un réseau. En incluant l'absorbance non différenciée, la différence d'absorbance totale entre l'état solide et l'état fondu est négligeable, laissant croire que la perte d'organisation cristalline à grande distance pendant la fusion est remplacée par de l'ordre à petite distance dans le polymère. Dans la deuxième partie de ce mémoire, les spectres du PEO sont comparés avec ceux du PE naissant et ceux d'échantillons soumis à différentes histoires telles que des films préparés en solution, des films préparés à l'aide d'une presse, des films traités thermiquement. Il s'avère que certaines caractéristiques sont communes entre le PEO et le PE. Les spectres des films de PEO d'épaisseur variant de 5 à 90 μm, préparés en solution, ne permettent pas comme on l'aurait attendu de mesurer le coefficient d'absorption de certaines bandes. Cette caractéristique est due à la sensibilité de celles-ci à la conformation des chaines qui elle-même dépend de petites différences dans l'histoire de l'échantillon. L'évaporation lente du solvant dans un film épais favorise la formation d'un réseau dont les jonctions sont faites des interactions coopératives entre les groupes CH2-CH2 et CH2-O des chaines. La présence de bandes multiples, la réduction de l'absorbance du complexe carbone-oxygène ainsi que la présence d'absorbance non différenciée sont aussi des indications d'une organisation en réseau ordonné à petite distance dans le matériau. Finalement, le traitement à très faible vitesse (0.05 K/min) entre 33 et 140 °C d'un film de PEO permet d'observer un phénomène de fusion incomplète interprété comme la formation spontanée d'une morphologie de type verre créant un réseau ordonné à petite distance suffisamment fort pour restreindre le mouvement des chaînes même au-delà de la température de fusion du polymère. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Poly (oxyde d'éthylène), réseau, FTIR

L'identification et la quantification des espèces transmise aux cellules nerveuses lors des échanges moléculaires entre les neurones sous la forme de neurotransmetteurs nous permettent de mieux comprendre certains fonctionnements du cerveau et certaines maladies neurodégénératives. À son tour, cette compréhension nous permettrait à long terme d'améliorer la qualité de vie des patients souffrants de ces maladies. D'un autre côté, la composition des aliments sous la forme de valeurs nutritionnelles nous permet de mieux connaître l'effet de la consommation de ces aliments sur la santé afin d'éviter de graves complications. De plus, la connaissance de cette composition nous permet d'améliorer la qualité de ces produits. Pour extraire la composition et la concentration des neurotransmetteurs dans le cerveau ou les valeurs nutritionnelles des aliments, il faut développer des outils d'analyse chimique et moléculaire très précise et sélective. L'analyse chimique d'un échantillon biologique nécessite deux étapes : (1) l'échantillonnage du liquide biologique et (2) l'étude de la composition de l'échantillon. Cette dernière étape consiste à identifier/quantifier la composition moléculaire des échantillons et à caractériser les propriétés chimiques de ces derniers. Cette étape nécessite donc le développement des instruments et des algorithmes de détection moléculaire avancés qui permettent de déterminer les concentrations physiologiques des neurotransmetteurs et d'autres molécules biologiques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux neurotransmetteurs suivants : dopamine hydrochloride, acide L-ascorbique, acétylcholine chloride, y-aminobutyrique, glycine et acide L-glutamique et aux molécules de sucre, incluant le glucose, le fructose et le saccharose. Le choix de l'instrument à utiliser dépend de plusieurs critères, dont les caractéristiques de l'échantillon (viscosité, volume parmi d'autres). Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous examinons les performances de plusieurs méthodes et instruments de détection, soit l'électrochimie, la spectroscopie d'impédance et la spectroscopie UV/Visible et infrarouge (IR), pour la détection de différents types de molécules dans des échantillons aqueux. Par la suite, nous proposons une nouvelle approche d'analyse des échantillons aqueux basée sur la spectroscopie IR. Nous nous intéressons plus particulièrement au spectromètre microscope-FTIR qui nous permet d'effectuer des analyses spectroscopiques IR et de visualiser la distribution spatiale et moléculaire dans l'échantillon. Cependant, le spectromètre microscope-FTIR, dans sa configuration standard, ne permet pas l'analyse des échantillons aqueux à cause de la forte absorption des rayonnements IR par les molécules d'eau. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un nouveau système microfluidique de contrôle et de manipulation des liquides qui a été intégré au spectromètre microscope-FTIR pour analyser des échantillons aqueux. Le nouveau système proposé consiste en un module de réflexion, une couche hydrophobe et un module microfluidique. Le module de réflexion est maintenu à une température élevée pour l'évaporation rapide du solvant. La couche hydrophobe permet à son tour de confiner l'échantillon en un espace restreint pour avoir une distribution plus uniforme des molécules sur la surface du substrat. Ce nouveau système nous a permis d'identifier et de quantifier différents types de molécules tels que les neurotransmetteurs et les molécules de sucres, dont le glucose, le fructose et le saccharose. La limite de détection que nous avons pu atteindre avec notre système est de 10 µMolaire pour les neurotransmetteurs, de 3 mMolaire pour le glucose et le fructose et de 1 mMolaire pour le saccharose. En plus, nous avons proposé un nouvel algorithme pour une identification automatique des neurotransmetteurs par le microscope FTIR. À travers cet algorithme, nous avons pu identifier, dans des solutions synthétiques (homogènes et hétérogènes), les six neurotransmetteurs suivants : la dopamine hydrochloride, l'acide L-ascorbique, l'acétylcholine chloride, l'y-aminobutyrique, la glycine et l'acide L-glutamique. La précision de la détection du nouvel algorithme est de 75% à 100% pour les six neurotransmetteurs que nous avons étudiés dans 36 échantillons homogènes et 45 échantillons hétérogènes. / The identification and quantification of species transmitted/received by nerve during molecular exchanges between neurons in the form of neurotransmitters allow us to better understand certain brain functions and certain neurodegenerative diseases. This understanding helps us in the long term to improve the quality of life of patients suffering from these diseases. Also, the composition of foods and their nutritional values, allows us to better understand the effect of foods consumption on human health to avoid severe complications and to improve food quality. To extract the composition and concentration of neurotransmitters in the brain and concentration of sugar for example in foods, it is necessary to develop very precise and selective chemical and molecular analysis tools. Indeed, chemical analysis of a biological sample requires two steps: (1) sampling the biological fluid and (2) studying the composition of the sample. The second step consists of identifying / quantifying the molecular composition of the samples and characterizing the its chemical properties. Therefore, this step requires the development of advanced molecular detection instruments and algorithms that make it possible to determine the physiological concentrations of neurotransmitters and other biological molecules. In this study, we were interested in the following neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid and in sugar molecules including glucose, fructose, and sucrose. The selection of the detection methods/instruments depends on several criteria such as the characteristics of the sample (viscosity, volume among others). In the context of this PhD thesis, we are investigating the performance of several detection methods/instruments such as electrochemistry, impedance spectroscopy and UV / Visible and infrared (IR) spectrometry, for the detection of different types of molecules in aqueous samples. Then, we propose a new chemical analysis approach of aqueous samples based on IR spectrometry. We are particularly interested to microscope-FTIR spectrometer which allows us to perform IR spectroscopic analysis and to visualize the spatial molecular distribution in the analyzed sample. However, the microscope-FTIR spectrometer, in its standard configuration, does not allow the analysis of aqueous samples due to the high absorption of IR radiation by water molecules. To address this problem, we proposed a new microfluidic system for liquid control and handling, which has been integrated with the microscope-FTIR spectrometer to analyze aqueous samples. The new proposed system consists of a reflection module, a hydrophobic layer, and a microfluidic system. The reflection module is heated in order to ensure rapid evaporation of the solvent. The hydrophobic layer allows the sample to be confined in a small area to ensure more uniform distribution of molecules on the surface of the substrate. This new system allowed us to identify and quantify different types of molecules such as neurotransmitters and sugar molecules. The reached detection limit with our system is 10 µM for neurotransmitters, 3 mM for glucose and fructose and 1 mM for sucrose. In addition, we proposed a new algorithm for automatic molecular identification by the FTIR microscope spectrometer. Using this algorithm, we were able to identify the following six neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid, in synthetic solutions (homogeneous and heterogeneous). Finally, the detection accuracy of the new algorithm is 75% to 100% for the six neurotransmitters we studied, in 36 homogeneous and 45 heterogeneous samples.

La spectrométrie est utilisée pour étudier la composition chimique de la matière. Elle aide les chercheurs à étudier et comprendre tout ce qui nous entoure. Plusieurs technologies de spectrométrie sont offertes sur le marché, mais elles ne permettent d’effectuer des mesures que sur un échantillon à la fois. Si un chercheur souhaite comparer l’évolution de plusieurs échantillons sur un temps donné dans un environnement précis, aucune technologie offerte présentement sur le marché ne le permet. L’accessoire développé dans le cadre de ce projet de maîtrise a comme objectif d’ajouter un paramètre dimensionnel à la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Une fente déplacée linéairement sous un cristal à réflectance totale atténuée (ATR) permet de sélectionner précisément la région de l’échantillon à mesurer. L’accessoire complètement automatisé offre une solution compacte, rapide et abordable pour faire des mesures complexes en spectrométrie. Le prototype de l’accessoire a été développé durant ce projet de maîtrise. Ses performances, notamment en ce qui concerne la précision du positionnement de la fente, sont analysées et optimisées. Une simulation du parcours de la lumière dans le cristal ATR permet de reproduire et de comprendre les premières mesures effectuées avec l’accessoire. Elle permet également de définir la précision requise pour soutirer les performances optimales du cristal ATR utilisé. Des recommandations découlant de l’analyse des premières mesures et de la simulation seront prises en compte pour l’optimisation future de l’accessoire. / Spectrometry is used to study the chemical composition of matter. It helps researchers study and understand everything around us. Several spectrometry technologies are available on the market, but they only allow measurements to be taken on one sample at a time. If a researcher wishes to compare the evolution of several samples over a given time in a specific environment, no technology currently available on the market allows it.The accessory developed as part of this master’s project aims to add a dimensional parameter to Fourier transform infrared spectrometry (FTIR). A linearly displaced rectangular aperture placed under an attenuated total reflectance (ATR) crystal allows precise selection of the region of the sample to be measured. The fully automated accessory offers a compact, fast and affordable solution for making complex spectrometry measurements. The accessory prototype was developed during this master’s project. Its performances, in particular regarding the precision of the positioning of the aperture, is analyzed and optimized. A simulation of the path of light in theATR crystal makes it possible to reproduce and understand the first measurements made with the accessory. Italso makes it possible to define the precision required to extract optimum use of the ATR crystal used. Recommendations from the analysis of the first measurements and the simulation will be taken into account forfuture optimization of the accessory

Les fullerènes natifs sont reconnus pour leur faible solubilité dans l'eau et par conséquent pour former des agrégats insolubles (nano-C60) dans les fluides biologiques. Au contraire, les hydroxyfullerènes (C60(OH)n) sont très solubles dans les milieux aqueux. Ils sont biocompatibles et démontrent une toxicité in vivo très faible sur les lignées cellulaires humaines. Les mécanismes d'interaction entre ces nanoparticules solubles dans l'eau et les membranes biologiques ne sont pas très connus et pourraient constituer un nouveau mode d'action pour lutter contre les bactéries résistantes aux médicaments et permettre le développement de nouveaux agents antibiotiques plus efficaces. Les buts principaux de cette recherche sont de vérifier l'effet des fullerénols, C60(OH)24, sur les membranes cellulaires modèles à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF et de synthétiser des nanoparticules (NPs) à base de fullerène au pouvoir potentiellement antibiotique. Les membranes cellulaires sont composées majoritairement de phospholipides, et des mélanges de dipalmitoyl-phosphatidylcholine et –phosphatidylglycérol (DPPC/DPPG) et de DPPC/Cholestérol sont utilisés pour imiter respectivement les membranes de bactéries et d'eucaryotes. Les résultats de spectroscopie de RMN (31P et 2H) de l'état solide et d'IRTF présentés dans ce travail démontrent une affinité spécifique des fullerénols pour les membranes bactériennes composées du phospholipide anionique DPPG. Selon nos observations, les fullerénols sont solubles dans l'eau et interagiraient sélectivement avec les têtes polaires de la DPPG à l'interface eau/bicouche via des ponts-H. Aucun effet similaire n'a été observé pour les membranes modèles de type eucaryotes composées de DPPC/Cholestérol. Dans une autre section, une méthodologie de synthèse permettant d'introduire en une étape des unités propargyle ou azoture en périphérie du fullerène est détaillée, ainsi que la méthode pour en évaluer le nombre à l'aide de la TGA, de la RMN et de I'ATR. Ensuite, à l'aide de la méthode de réduction de Staudinger sur un précurseur polyazidofullerène, le composé polycationique C60(OH)n(OCH2CH2NH3+CI-)10 est synthétisé. Aussi, l'exploration de la "Click chemistry" nous permet de synthétiser un fulléroglyco "cluster" D-mannosylé contenant sept unités de carbohydrates en périphérie du fullerène. La haute solubilité de ces composés dans les milieux aqueux est démontrée. En conclusion, à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF, nous avons démontré l'effet spécifique des fullerénols sur les membranes modèles de bactéries. Aussi en deuxième partie, nous avons synthétisé des molécules nouvelles à base de fullerène contenant des fonctions ammonium ou des sucres en périphérie du C60. Ces molécules sont fortement solubles dans l'eau. L'ensemble de nos travaux suggère une piste intéressante dans le développement de nouveaux antibiotiques à base de fullerène ayant une spécificité pour les membranes bactériennes de type E. coli. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fullerénol, interactions membrane/nanoparticule, DPPC, DPPG, cholestérol, RMN de l'état solide, phosphore, deutérium, IRTF, bactérie, eucaryote, ponts-H, fulléroglyco "cluster", polyazidofullerène, fullerène polycationique, TGA, ATR.

Les enzymes pancréatiques de remplacement sont les plus utilisées dans le but d'améliorer la qualité de vie des personnes ayant un problème d'insuffisance pancréatique exocrine (IPE) relié aux maladies comme la pancréatite, la fibrose kystique et la stéatorrhée. Les enzymes pancréatiques de remplacement ont différentes origines et les plus utilisées proviennent du pancréas d'origine porcine (EPP), étudiées dans le présent travail. Dans le commerce on peut trouver des comprimés d'enzymes avec enrobages entériques. En effet, il y a plusieurs formes commerciales d'enzymes pancréatiques disponibles sur le marché et telles compositions peuvent être résistantes au milieu gastrique, mais le profil de libération n'est pas toujours satisfaisant. Comme un exemple, chez les patients atteints d'IPE la région supérieure du petit intestin est généralement acide ce qui a comme résultat que les préparations entériques normalement soient dissoutes trop tard dans l'intestin ce qui rendre indisponibles les enzymes dans le site approprié. Suite à la découverte de la capacité des comprimés faits d'enzymes pancréatiques de former une couche externe en milieu acide (FGS), l'objectif du présent travail a été d'élaborer des comprimés d'enzymes sans excipients additionnés et sans enrobage, capables de se protéger dans un milieu gastrique et de libérer son contenu dans l'intestin. Il semble que les enzymes ont une plus grande force de cohésion inter particulaire après leur compression et peuvent aussi être auto-assemblés en comprimés monolithiques. L'auto-assemblage est le résultat de plusieurs sortes d'interactions entre les chaines de protéines, comme les associations d'hydrogène (ex : entre lysine, histidine, tyrosine et sérine) et les interactions ioniques (ex : entre les -COO- et NH3+ impliquant glutamate-lysine et aspartate-lysine). Dans les comprimés obtenus, les protéines peuvent agir comme des tampons et de cette manière augmentent la stabilité gastrique. Dans le milieu intestinal, les groupes carboxyliques sont déprotonés et ionisés provoquant aussi l'hydratation, l'érosion et la désintégration des comprimés et la libération des enzymes thérapeutiques. Des études de stabilisation et de dissolution des comprimés d'EPP (lipase, amylase et protéase) ont été faites dans des milieux FGS et FIS. Suite aux résultats prometteurs du brevet « Compositions pharmaceutiques gastro-résistantes à base d'enzymes », le travail est approfondi sur des aspects structuraux en utilisant une préparation commerciale d'alpha-amylase. Les profiles FTIR et SDS/PAGE ont été utilisés pour étudier les interactions protéine-protéine dans des comprimés d'alpha-amylase et l'effet de la pression et du milieu gastrique sur la structure de cette enzyme. La nouveauté du concept est que les enzymes pancréatiques en plus d'être les principes actifs, agissent comme liants et comme agents chargés de générer et stabiliser une couche externe sensible au pH. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : enzyme, gastro-résistance, comprimés, pancréas, FTIR, alpha-amylase, lipase, protéase.

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les cycles du carbone et de l'azote sont interactifs. Le diagnostic traditionnel des amendements organiques fait donc appel au rapport C:N. La composition biochimique des amendements influence leur stabilité dans le sol. L'indice de stabilité biologique (ISB), la lignine et le rapport LIC/N (LIC = lignine + cutine) ont été récemment introduits dans des modèles décrivant la dynamique du carbone et de l'azote. L'ISB est une combinaison linéaire des fractions soluble au NDF (neutral detergent fraction), des hémicelluloses, des fibres brutes et de la fraction LIC. Comme le fractionnement biochimique est coûteux et ardu, un étalonnage au spectromètre proche infrarouge à transformées de Fourier (FT-NIR) a été fait sur 148 amendements organiques. De plus, un suivi a été effectué dans 2 amas de fumiers de bovins. Le FT-NIR a permis de prédire la fraction LIC (r² de 0,99) et l'ISB (r² de 0,98). Pour les amas de fumier au champ, une stratification importante a été observée dans l'un des fumiers alors que l'évolution de l'autre s'est faite de façon uniforme. Les différences entre les fumiers étaient attribuables au type de litière utilisée. / The C and N cycles are biologically linked and so traditionally represented as the C/N ratio. However, the mineralization and reorganization of organic C and N also depend on biochemical components that make up their biological stability (BSI). The BSI is the linear combination of biochemical fractions. However, as biochemical fractionation is a long and expensive procedure, we calibrated a Fourier transform near infrared spectrometer (FT-NIR) across 148 organic amendments. We also monitored modifications occurring in two beef livestock manures in windrow. FT-NIR predicted efficiently the LIC fraction (r² = 0.99) and BSI (r² = 0.98). One manure in windrow presented an important stratification while the other presented a uniform evolution. Differences are attributable to litter type.

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Les dispositifs microfluidiques exploitent les propriétés chimiques et physiques des gaz et des liquides à l'échelle microscopique. Comparés aux systèmes à l'échelle macroscopique, les dispositifs microfluidiques offrent plusieurs avantages. Ils permettent l'utilisation de volumes plus petits de matériaux, réduisant ainsi les coûts d'application à l'échelle mondiale. Leur petite taille permet l'exécution simultanée de plusieurs procédures, ce qui réduit le temps d'expérimentation. De plus, les systèmes microfluidiques ont le potentiel d'augmenter considérablement le débit et peuvent être intégrés de manière transparente à d'autres systèmes pour permettre des tests d'automatisation. En plus de l'analyse, ils offrent également une plateforme intéressante pour les réactions chimiques. Les chercheurs ont synthétisé des particules, des fibres, des membranes et d'autres structures complexes via des dispositifs microfluidiques. Dans ce projet, nous avons exploité les techniques microfluidiques pour explorer les diverses applications de la membrane de chitosane en tant que matrice pH-sensible pour les études de systèmes de délivrance de médicaments (DDS) et en tant que matériau fonctionnel pour la mesure du débit. En utilisant des dispositifs microfluidiques pour préparer des membranes de chitosane intégrant des nanoparticules de silice, nous avons obtenu une programmabilité spatio-temporelle et des profils de libération complexes pour les nanocarriers dans les études DDS. De plus, nous avons démontré le potentiel d'un dispositif microfluidique en forme de X avec une membrane de chitosane biréfringente en tant que capteur de débit, permettant le calcul du débit en fonction des variations d'intensité. De plus, en incorporant des cristaux à réflexion totale atténuée (ATR) à simple rebondissement dans des dispositifs microfluidiques, nous avons permis des tests in situ par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cela a permis la caractérisation des changements de liquide, des expériences parallèles et de l'écoulement laminaire focalisé. L'intégration de cristaux ATR dans un dispositif microfluidique de réacteur a facilité l'étude de la cinétique des réactions avec une résolution temporelle remarquable, permettant une compréhension complète des réactions diverses par l'analyse ATR-FTIR. De plus, notre méthodologie a fourni un moyen systématique d'évaluer les composants de mélange microfluidique dans des conditions d'écoulement variables. Dans l'ensemble, ce projet démontre le potentiel des techniques microfluidiques pour faire progresser les systèmes de délivrance de médicaments, la détection de débit, l'analyse spectroscopique et les études de cinétique des réactions. / Microfluidic devices exploit the chemical and physical properties of gases and liquids at a microscale. Compared to macro-scale systems, microfluidic devices provide several advantages. They enable the use of smaller volumes of materials, hence lowering application costs globally. Its small size allows for simultaneous execution of several procedures, cutting down on experimentation time. Furthermore, microfluidic systems have the potential to significantly increase throughput and can be seamlessly integrated with other systems to enable automation testing. In addition to analysis, it also provides a good platform for chemical reactions. Researchers synthesized particles, fibers, membranes, and other complex structures via microfluidic devices. In this project, we leveraged microfluidic techniques to explore the diverse applications of chitosan membrane as a pH-sensitive matrix for drug delivery system (DDS) studies and as a functional material for measuring flow rate. By utilizing microfluidic devices to prepare chitosan membranes embedded with silica nanoparticles, we achieved spatiotemporal programmability and complex release profiles for nanocarriers in DDS studies. Additionally, we demonstrated the potential of an X-shaped microfluidic device with a birefringent chitosan membrane as a flow sensor, enabling flow rate calculations based on intensity changes. Furthermore, by incorporating single-bounce attenuated total reflection (ATR) crystals into microfluidic devices, we enabled in situ Fourier-transform infrared (FTIR) testing. This allowed for the characterization of liquid changes, parallel experiments, and focusing laminar flow. The integration of ATR crystals into a microfluidic reactor device facilitated the investigation of reaction kinetics with remarkable time resolution, achieving a comprehensive understanding of diverse reactions through ATR-FTIR analysis. Moreover, our methodology provided a systematic means of assessing microfluidic mixing components under varying flow conditions. Overall, this project demonstrates the potential of microfluidic techniques in advancing drug delivery systems, flow sensing, spectroscopic analysis, and reaction kinetics studies.

Résumé du travail L’étude des modifications de surfaces, et plus particulièrement des matériaux d’électrodes est un domaine en plein essor. Les modifications d’électrodes par voie organique ont des applications potentielles dans des domaines aussi variés que l’inhibition de la corrosion, l’électronique moléculaire, l’optoélectronique ou encore les biosenseurs. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’électrode d’Au (111) modifiée par du 2-mercaptobenzimidazole. Dans un premier temps, l’adsorption du MBI sur électrode d’Au (111) sous contrôle du potentiel a été examinée par des mesures de capacité, de voltampérométrie cyclique, de chronocoulométrie et de spectroscopie SNIFTIR in situ. Les mesures de capacité révèlent qu’en milieu neutre, la molécule de MBI s’adsorbe en un film compact à des potentiels supérieurs à -0,3 V (vs. ECS). En deçà de cette valeur, le film se dilue progressivement lorsque le potentiel est rendu plus négatif, jusqu’à une valeur de -0,9 V où les molécules de MBI sont totalement désorbées de la surface. La morphologie des voltampérogrammes subit des variations significatives au cours du temps. Ces changements montrent que l’adsorption du MBI s’accompagne d’une levée de reconstruction de la surface, qui passe d’une structure initiale (√3 x 22) à une structure (1 x 1). Une estimation de la quantité de MBI adsorbée est obtenue par intégration des courbes de densité de courant. La courbe de densité de charge interfaciale a été extraite des mesures de chronocoulométrie. Cette courbe de densité de charge fournit des informations quant à l’évolution de l’excès superficiel en fonction du potentiel. La qualité des spectres infrarouges relevés in situ nous a permis d’effectuer des analyses qualitatives et quantitatives. Celles-ci montrent une bonne corrélation avec les résultats électrochimiques et apportent une signature moléculaire du film adsorbé et des espèces issues de sa désorption. Des calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) ont permis une bonne interprétation des spectres infrarouges du MBI et de certains de ses dérivés. En outre, nous avons pu déterminer l’orientation des molécules à la surface, et montré que celle-ci varie peu avec le potentiel. Dans un second temps, nous nous sommes focalisés sur les propriétés de la monocouche auto-assemblée de MBI sur électrode d’Au (111), déterminées par voltampérométrie cyclique et spectroscopie infrarouge in situ. La monocouche est stable lorsque le potentiel est maintenu dans un domaine d’environ 800 mV. La monocouche auto-assemblée de MBI subit un processus de désorption réductive, influencé par le temps d’immersion de l’électrode dans la solution de surfactant ainsi que par le pH du milieu. Deux mécanismes de désorption réductive sont proposés, l’un valable en milieu neutre et basique, l’autre en milieu acide. Les résultats des mesures de spectroscopie infrarouge in situ apportent une preuve moléculaire de la validité des mécanismes proposés sur base des résultats électrochimiques. Un rapide examen des potentialités de cette monocouche a été réalisé à l’aide de réactions sondes. / Abstract Studies on surface modifications, and particularly of electrode material, are a growing field of interest. Organic modifications of electrode surfaces have potential applications in domains such as corrosion inhibition, molecular electronics, optoelectronics or biosensors. In the present work, we focussed on the modification of Au(111) electrodes by 2-mercaptobenzimidazole (MBI). In the first part, the adsorption, under potential control, of the MBI molecule onto the Au(111) electrode was studied by means of capacitance measurements, cyclic voltammetry, chronocoulometry and in-situ SNIFTIR spectroscopy. Capacitance measurements indicate that in neutral solution, the MBI molecule is adsorbed as a compact film at potentials higher than -0.3 V (vs. SCE). Below this value, the film becomes progressively less dense when the potential is made more negative, until a value of -0.9 V where MBI molecules are totally desorbed from the surface. The shape of the voltammograms evolves significantly with time. These changes show that a lift of the surface reconstruction occurs concomitantly to the adsorption of MBI. The initial (√3 x 22) reconstructed structure is lifted to the (1 x 1) unreconstructed one. The amount of adsorbed MBI is estimated by integration of the current density curves. The interfacial charge density curve was obtained by chronocoulometry measurements. This curve provides useful data regarding the evolution of the surface concentration with the potential. The quality of the infrared spectra obtained in situ allowed us to perform quantitative as well as qualitative analyses of the results. These analyses show a good correlation with the electrochemical results and provide molecular information on the adsorbed layer and on the species formed during the desorption process. Density Functional Theory (DFT) calculations were helpful in the interpretation of the infrared spectra of MBI and some of its derivatives. Additionally, we were able to determine the orientation of the molecules on the surface, and demonstrated that this orientation is slightly affected by the potential. In the second part of the work, we investigated the properties of the self-assembled monolayer of MBI on Au(111) electrode by cyclic voltammetry and in situ infrared spectroscopy. The monolayer is stable within an 800 mV potential range. The self-assembled monolayer undergoes a reductive desorption process, which is affected by the pH of the medium and by the immersion time of the electrode into the surfactant solution. Two mechanisms were proposed for the reductive desorption, one being valid in neutral and basic media, the other in acidic conditions. The in situ infrared spectroscopic results provide molecular evidences supporting the mechanisms proposed on an electrochemical basis. An exploratory examination of the potentialities of the monolayer is made by means of electrochemical probe reactions.