La détection et l’identification de micro-organismes pathogènes est un réel enjeu de santé public tant au niveau alimentaire, que clinique ou d’intérêt national tel qu’illustré en biodéfense. Dans tous ces domaines, il est important d‘avoir des méthodes d’identification et de détection qui soient à la fois rapide, sensible et robuste. Cette thèse a pour objectif de contribuer au développement d’une approche rapide d’identification de micro-organismes sans a priori par spectrométrie de masse en tandem. Cette approche innovante, appelée phylopeptidomique, repose sur l’alliance de la peptidomique, i.e. analyse à large échelle des peptides provenant de la digestion enzymatique d’un échantillon biologique, et de la phylogénie des organismes cellulaires. Après extraction des protéines présentes dans l’échantillon à ausculter, des peptides sont générés et analysés par spectrométrie de masse en tandem. La déconvolution des signaux MS/MS à l’aide du logiciel « µOrg.ID » développé en propre au laboratoire permet d’identifier et quantifier les organismes présents dans l’échantillon en fonction des organismes indexés dans les bases de données. L’étude du protéome de Bacillus atrophaeus, agent simulant de l’anthrax, sous forme sporulée et végétative a permis d’illustrer une méthode d’identification de biomarqueurs protéiques permettant de déterminer le ratio entre les deux formes dans un échantillon. La limite de détection de la phylopeptidomique dans des échantillons purs et des échantillons en mélange équimolaire a été établie sur des bactéries modèles d’intérêts médical et environnemental. La limite de détection de spores de Bacillus atrophaeus en présence de 14 matrices interférentes (alimentaires, environnementales et autres) a permis de mettre en évidence les avantages et limitations de l’approche. Enfin, un mélange artificiel standardisé de 24 organismes a été développé afin d’évaluer les outils de bio-informatique en métaprotéomique. / The detection and identification of pathogenic microorganisms is a real public health issue for the food industry and the clinics or national interest as illustrated in the biodefense field. Thus, it is important to have identification and detection methods that are fast, sensitive and robust. This PhD thesis aims at contributing to the development of a rapid approach to identify microorganisms without any a priori by tandem mass spectrometry. This innovative approach, called phylopeptidomics, is based on the combination of peptidomics, i.e. large scale analysis of peptides derived from the enzymatic digestion of a biological sample, and the phylogeny of cellular organisms. After extraction of the proteins from the sample of interest, peptides are generated and analyzed by tandem mass spectrometry. The deconvolution of MS/MS signals using the "μOrg.ID" software developed in the laboratory enables the identification and quantification of organisms present in the sample according to the organisms indexed in generalist databases. The study of the proteome of Bacillus atrophaeus, a simulant agent of anthrax, in sporulated and vegetative form, has provided an illustration of a new method of identification of protein biomarkers, which allows determining the ratio between both forms. The limit of detection of phylopeptidomics in pure samples and equimolar mixtures was established with model bacteria of medical and environmental interests. The limit of detection of B. atrophaeus spores in the presence of 14 interfering matrices (food, environmental and others) has highlighted the advantages and limitations of the approach. Finally, a standardized artificial mixture of 24 organisms was developed in order to evaluate bioinformatics tools in metaproteomics.

Le besoin d’appareils compacts et autonomes dédiés à la détection d’espèces chimiques pour des analyses de terrain est d’actualité dans un contexte international en rapide mutation (agroalimentaire, développement durable, sécurité, etc.). La thèse présentée au sein de ce manuscrit, financée par la Délégation Générale de l’Armement, développe de nouvelles solutions de capteurs résonants à ondes élastiques de volume à modes harmoniques élevés (HBARs) pour la détection de gaz et plus particulièrement de composés explosifs. Ces résonateurs de très haute compacité se composent d’un transducteur reporté ou déposé sur une cavité résonante multimode, produisant un spectre de raies modulant sa propre réponse fréquentielle. De nature dipolaire, ces résonateurs permettent toutefois la mise au point de quadripôles par couplage latéral de modes mis à profit dans nos travaux. L’étude théorique du comportement de résonateurs à base de niobate de lithium aminci et reporté sur quartz ou fondés sur un empilement de nitrure d’aluminium et de silicium a permis de déterminer les propriétés gravimétriques spécifiques de chaque combinaison de matériaux et des modes associés. Des méthodes de calibrage en phase liquide et gazeuse sont proposées pour valider l’analyse théorique et permettre le choix de la structure la mieux adaptée à une configuration expérimentale donnée. Les résultats obtenus, comparés à ceux d’une microbalance à ondes guidées sur quartz, mettent en évidence les forces (compacité, cinétique chimique réduite, nature multi-physique des mesures) et faiblesses (sensibilité gravimétrique imposant des structures d’épaisseur inférieure à 100 μm) de notre solution face à cette référence. Nous avons également développé une électronique de traitement en boucle ouverte des informations issues de nos dispositifs, permettant des modes de détection rapide ou de haute précision (quelques milli-degrés de variation de phase). L’électronique dédiée a pour vocation de fournir la flexibilité nécessaire au suivi de nombreux modes à diverses fréquences fixes et de s’affranchir des temps longs de balayage en fréquence des analyseurs de réseaux généralistes. Une version à8 voies permet enfin la manipulation de plusieurs capteurs ou l’étude en parallèle des modes de 2 HBARs, donnant ainsi lieu à un système multi-physique efficace associé à des capteurs capables de sonder plusieurs grandeurs dans un volume de très petite dimension (quelques mm3). La limite de détection est déterminée par le bruit de phase de l’oscillateur local. Le système ainsi réalisé est exploité pour la détection de gaz mais aussi pour le pilotage de grandeurs physiques telles que la température ou la viscosité (milieux aqueux) dans différents contextes expérimentaux. / The demand for compact and autonomous systems devoted to field detection of gaseous compounds is still persisting in arapidly changing international context (food-processing, sustainable development, security, and so on). The thesis reportedin this manuscript, supported by the Délégation Générale de l’Armement, develops new resonant sensor solutions basedon high overtone bulk acoustic waves (so-called HBARs) for chemical compound detection and more specifically explosivesubstances. These high compactness resonators are built using a transducer bound or deposited onto a resonant cavity,yielding a comb spectrum modulating its own frequency response. They are used generally as dipoles, but a quadrupolestructure allowing for transverse mode coupling has been particularly used for our developments. A theoretical study ofthe behaviour of these devices based on lithium niobate-on-quartz or qluminum nitride-on-silicon material stack has beenachieved to determine the gravimetric properties of these configurations accounting for their mode specificities. Variouscalibration techniques have been implemented to confirm the theoretical analysis and to define the most appropriate structurefor a given application. The produced results have been compared to those of a quartz guided-wave micro-balance toemphasize the strength (compactness, reduced chemical kinetics, multiphysics measurements) and weakness (gravimetricsensitivity requiring device thickness less than 100 μm) of our devices. An embedded signal processing electronics alsohas been developed to treat the information provided by our sensors, offering fast or accurate (millidegree range) detectionprotocols. The dedicated electronics aims at providing the flexibility needed to track multiple modes at variaous fixed frquencieswhile getting rid of the long sweep time of general purpose network analyzers. A eight-channel version of thissystem has been set to process several sensor in parallel or to monitor several modes of two HBAR sensors for effectivemuti-physics measurements in a reduced analysis domain (a few cubic mm). Phase noise is the limiting factor determiningthe detection limit. The system has been deployed for gas detection as well as for monitoring other physical parameters suchas temperature or viscosity under various experimental condition including fluid media.

De nombreuses études de biométrologie sont menées à l’INRS, pour évaluer l’exposition professionnelle à des substances chimiques, en France, et pour compléter les connaissances en proposant des valeurs de références destinées à protéger des salariés exposés à ces substances. Ces études consistent à mesurer simultanément l’imprégnation biologique et l’exposition atmosphérique à une substance, chez des salariés exposés à celle-ci. La relation entre ces mesures biologiques et atmosphériques est ensuite estimée à travers un modèle de régression linéaire. Lorsque que cette relation existe et que la voie d’absorption du toxique est essentiellement inhalatoire, il est ensuite possible de dériver une Valeur Limite Biologique (VLB) à partir de la Valeur Limite d’Exposition Professionnelle (VLEP-8h) du toxique. Deux aspects de ces données ont été identifiés, qui ne sont pas ou seulement partiellement prises en compte dans les modélisations statistiques courantes : la censure due aux limites de détection (LD)/quantification (LQ) des mesures biologiques et atmosphériques et la variabilité inter-individuelle. Ignorer ces deux particularités lors de la modélisation mène à une perte de puissance statistique et à de potentielles conclusions biaisées. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont permis d’adapter le modèle de régression à ces deux caractéristiques, dans un cadre bayésien. L’approche proposée repose sur la modélisation des mesures atmosphériques à l’aide de modèles à effets aléatoires prenant en compte les valeurs inférieures à la LD/LQ, et sur la modélisation simultanée des mesures biologiques, supposée être linéairement dépendantes sur une échelle logarithmique, de l'exposition atmosphérique, tout en tenant compte de la variabilité inter-individuelle. Ce travail a donné lieu à une publication scientifique dans une revue à comité de lecture. L’application de cette méthodologie a été réalisée sur des jeux d’exposition professionnelle au béryllium et au chrome, après avoir été cependant adaptée aux caractéristiques toxicocinétiques de ces deux substances. Il a ainsi été possible de proposer une VLB pour le béryllium (0,06 µg/g créatinine). L’exploitation de mesures de chrome dans deux secteurs d’activités différents (exposition professionnelle aux peintures de chromates, et exposition professionnelle dans le secteur du chromage électrolytique) a permis de mettre en évidence que le chrome urinaire dépend essentiellement de l’exposition au chrome VI, le chrome non VI ayant moins d’impact. Nous n’avons pas pu montrer de relation entre la solubilité du CrVI et le chrome urinaire. Une VLB de 0,41 µg/g créatinine, de l’ordre de la Valeur Biologique de Référence (VBR) proposée par l’ANSES (0,54 µg/g créatinine), a été estimée pour l’exposition professionnelle aux peintures de chromates, et une VLB de 1,85 µg/g créatinine a été estimée pour l’exposition professionnelle dans le secteur du chromage électrolytique, qui est en cohérence avec la VLB proposée par l’ANSES dans ce secteur, à savoir 1,8 µg/g créatinine / Many biomonitoring studies are conducted at INRS, in order to assess occupational exposure to chemicals in France, and to propose reference values to protect workers exposed to these substances. These studies consist in measuring simultaneously biological and airborne exposure of workers exposed to a toxic substance. The relationship between these biological and airborne measurements is then estimated through a linear regression model. When this relationship exists and the route of absorption of the toxic is essentially inhalatory, it is possible to derive a Biological Limit Value (BLV) from the Occupational Exposure Limit Value (OEL) of the toxic substance. However, two characteristics of these data have been identified, which are not or only partially taken into account in the current statistical modelling: the left-censoring due to limits of detection (LoD)/quantification (LoQ) of biological and airborne measurements, and the between-individual variability. Ignoring both of these features in modelling leads to a loss of statistical power and potentially biased conclusions. The work carried out in this thesis allowed us to adapt the regression model to these two characteristics, in a Bayesian framework. The proposed approach is based on the modelling of airborne measurements using random effects models adapted for values below the LoD / LoQ, and on the simultaneous modelling of biological measurements, assumed to depend linearly on a logarithmic scale, on the airborne exposure, while taking into account between-subject variability. This work resulted in a scientific publication in a peer-reviewed journal. This methodology has been applied on beryllium and chromium occupational exposure datasets, after adaptation to the toxicokinetic characteristics of these two substances. It has thus been possible to propose a BLV for beryllium (0.06 μg / g creatinine). The analysis of chromium measurements in two different sectors of activity (occupational exposure to chromate paints, and occupational exposure in the electroplating sector) made it possible to show that urinary chromium depends mainly on airborne exposure to VI chromium, non-VI chromium having less impact. We were not able to show a relationship between the solubility of airborne VI chromium and urinary chromium. A BLV of 0.41 μg / g creatinine, close to the Biological Guidance Value (BGV) proposed by ANSES (0.54 μg / g creatinine), was estimated for occupational exposure to chromate paints, and a BLV of 1.85 μg/g creatinine was obtained for occupational exposure in the electrolytic chromium plating sector, which is consistent with the ANSES proposed BLV in this sector, i-e 1.8 μg / g creatinine

Cette thèse porte sur le développement d’un capteur plasmonique intégrant une fonction d’actuation des objets visés. L’objectif est de passer outre la limite de diffusion rencontrée à basse concentration en piégeant les particules sur la surface de détection. La stratégie adoptée est de structurer le film d’or servant à la détection de manière à pouvoir l’utiliser pour mettre en mouvement le fluide et les molécules par le biais de champs électriques. Le transfert de masse est réalisé par diélectrophorèse et électroosmose, deux effets électrocinétiques mis en oeuvre par des électrodes servant à la fois d’actuateur et de capteur plasmonique. Un état de l’art exhaustif et des simulations multiphysiques ont permis de concevoir un prototype de capteur intégré constitué d’électrodes interdigitées en or permettant la détection plasmonique. Le dispositif proposé a été obtenu par microfabrication en salle blanche puis caractérisé avant l’étude de ses performances. Une première phase de tests sur un système modèle, des billes de polystyrène dans de l’eau, a permis d’apporter la preuve de concept du fonctionnement du capteur, qui est effectivement capable de piéger rapidement les objets visés à sa surface afin de les détecter. Les mécanismes de transfert de masse ont été expliqués et la preuve de l’amélioration de la limite de détection par un facteur supérieur à 100 a été apportée. Dans un second temps, les performances du capteur appliqué à des objets biologiques ont été évaluées. Celui-ci piège efficacement des levures et des protéines, mais aucune amélioration n’a été observée dans le cas de la détection spécifique de l’hybridation entre deux brins d’acide désoxyribonucléique (ADN). Les causes de ce résultat ont été discutées et comprises et deux solutions différentes ont été explorées : l’adaptation de la fréquence d’opération et l’optimisation de la géométrie des électrodes. Ainsi, cette étude a permis de souligner la problématique de la mise en oeuvre d’effets électrocinétiques dans des milieux biologiques et de réfléchir aux pistes pertinentes pour sa résolution. / This thesis focuses on the development of an integrated plasmonic sensor capable to perform mass transport on targeted objects. The goal is to overcome the diffusion limit by trapping particules directly on the sensing surface. The adopted strategy was to structure the gold layer used for plasmonic detection in order to use the sofabricated structures to set the fluid and the molecules in motion by applying electric fields in the fluid. The mass transfer is realized through dielectrophoresis and electroosmosis, those two electrokinetic effects being operated by electrodes acting as sensor and actuator at the same time. An exhaustive state of the art as well as multiphysical simulations allowed us for designing a prototype for an integrated sensor consisting in gold interdigitated electrodes enabling plasmoninc sensing. The proposed device was obtained through microfabrication in clean room facilities and was characterized before the study of its performances. A first sequence of tests on a model system – polystyrene microbeads in water – brought the proof of concept we needed to validate the correct operation of the sensor, which is indeed capable of quickly trapping targeted objects on its surface and detecting them. The mass transfer mechanisms were explained and we showed the enhancement of the limit of detection by a factor greater than 100. In a second phase, performances of the sensor applied to biological objects were evaluated. It can effectively trap yeasts and proteins but no enhancement has been observed while detecting DNA hybridization events. Causes for this result were discussed and understood and two different solutions were explored: the adaptation of the operating frequency and the optimization of the electrodes geometry. Thus, this study highlighted the problematic of operating electrokinetic effects in biological media and suggested relevant leads towards its resolution.

Le besoin d'appareils compacts et autonomes dédiés à la détection d'espèces chimiques pour des analyses de terrain est d'actualité dans un contexte international en rapide mutation (agroalimentaire, développement durable, sécurité, etc.). La thèse présentée au sein de ce manuscrit, financée par la Délégation Générale de l'Armement, développe de nouvelles solutions de capteurs résonants à ondes élastiques de volume à modes harmoniques élevés (HBARs) pour la détection de gaz et plus particulièrement de composés explosifs. Ces résonateurs de très haute compacité se composent d'un transducteur reporté ou déposé sur une cavité résonante multimode, produisant un spectre de raies modulant sa propre réponse fréquentielle. De nature dipolaire, ces résonateurs permettent toutefois la mise au point de quadripôles par couplage latéral de modes mis à profit dans nos travaux. L'étude théorique du comportement de résonateurs à base de niobate de lithium aminci et reporté sur quartz ou fondés sur un empilement de nitrure d'aluminium et de silicium a permis de déterminer les propriétés gravimétriques spécifiques de chaque combinaison de matériaux et des modes associés. Des méthodes de calibrage en phase liquide et gazeuse sont proposées pour valider l'analyse théorique et permettre le choix de la structure la mieux adaptée à une configuration expérimentale donnée. Les résultats obtenus, comparés à ceux d'une microbalance à ondes guidées sur quartz, mettent en évidence les forces (compacité, cinétique chimique réduite, nature multi-physique des mesures) et faiblesses (sensibilité gravimétrique imposant des structures d'épaisseur inférieure à 100 μm) de notre solution face à cette référence. Nous avons également développé une électronique de traitement en boucle ouverte des informations issues de nos dispositifs, permettant des modes de détection rapide ou de haute précision (quelques milli-degrés de variation de phase). L'électronique dédiée a pour vocation de fournir la flexibilité nécessire au suivi de nombreux modes à diverses fréquences fixes et de s'affranchir des temps longs de balayage en fréquence des analyseurs de réseaux généralistes. Une version à 8 voies permet enfin la manipulation de plusieurs capteurs ou l'étude en parallèle des modes de 2 HBARs, donnant ainsi lieu à un système multi-physique efficace associé à des capteurs capables de sonder plusieurs grandeurs dans un volume de très petite dimension (quelques mm3 ).La limite de détection est déterminée par le bruit de phase de l'oscillateur local. Le système ainsi réalisé est exploité pour la détection de gaz mais aussi pour le pilotage de grandeurs physiques telles que la température ou la viscosité (milieux aqueux) dans différents contextes expérimentaux.