Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les micro-jets de plasma, se propageant dans un flux d'hélium entouré d'air libre, à pression atmosphérique et à température ambiante, ont attiré l'attention des chercheurs depuis une dizaine d'années. Ces micro-jets sont créés dans une décharge à barrière diélectrique alimentée par des impulsions de tension. Ils se propagent dans le flux d'hélium à l'extérieur de la DBD sous la forme d'une onde d'ionisation. Le plasma est confiné spatialement là où l'hélium est dominant, car l'ionisation de l'air nécessite un champ électrique plus important que celui présent dans le front d'ionisation. Leurs applications biomédicales sont prometteuses car ils permettent de produire des espèces réactives à quelques centimètres de distance de la DBD sans augmenter la température du gaz. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer une meilleure compréhension de l'influence des conditions expérimentales et de la géométrie de la DBD sur les propriétés des jets de plasma. À ces fins, l'écoulement d'hélium a été étudié expérimentalement et numériquement, et des simulations sur la génération et la propagation du micro-jet de plasma ont été réalisées. / Microplasma jets propagating in a helium flow surrounded by air at ambient pressure and temperature have attracted the attention of many researchers over the past decade. These microplasma jets are ignited in a cylindrical dielectric barrier discharge (DBD) powered by impulse or sinusoidal voltage pulses with an amplitude of several kilovolts and then propagate as an ionization wave in the helium flow outside the DBD. The plasma so-generated is confined to the region where helium is the dominant species because ionization of the surrounding air requires a significantly higher electric field strength than is present at the ionization front in the plasma jet. The putative biomedical applications of microplasma jets are particularly promising because they provide a way of producing reactive oxygen and nitrogen species some centimeters downstream from the DBD without significant gas heating. The objective of the work reported in this thesis has been to develop a better understanding of the influence of the operating conditions and geometry on the properties of the plasma jets. To this end, experimental and numerical studies of the hydrodynamics of the helium flow and simulations of the generation and propagation of the microplasma jet have been carried out.

Les leishmanioses sont des parasitoses en constante évolution, et l’accroissement d’apparitions de résistances vis-à-vis des traitements disponibles en fait une des préoccupations majeures des organismes de santé publique dans le monde. La miltefosine est actuellement le seul antileishmanien actif par voie orale. Son mécanisme d’action implique les lipides et notamment les phospholipides membranaires du parasite.Afin d’évaluer les effets de la miltefosine sur le parasite ainsi que les mécanismes de résistances, une étude lipidomique d’un clone de Leishmania donovani cultivé sous différentes conditions (traité, résistant, résistant-traité) a été réalisée dans le présent travail. Des analyses couplant une séparation des phospholipides en Chromatographie Liquide Haute-Performance à polarité de Phase Normale (NP-HPLC) avec un Spectromètre de Masse (MS) équippé d’une source d’Ionisation ElectroSpray (ESI) ont été traitées par chimiométrie, à l’aide d’une Correction Orthogonale du Signal suivie d’une Analyse Discriminante par Moindre Carrés Partiels (OSC-PLS-DA). Les principales espèces moléculaires permettant de distinguer les différentes cultures ont ensuite fait l’objet d’une identification structurale par spectrométrie de masse en tandem. Des hypothèses métaboliques ont pu être posées.Puis l’étude a été étendue à une plus grande variété de lipides, séparés par NP-HPLC. Pour cela une comparaison des sources d’ionisation à pression atmosphérique (ESI, Ionisation Chimique à Pression Atmosphérique et PhotoIonisation à Pression Atmosphérique) a été nécessaire afin de sélectionner la mieux adaptée pour un tel couplage. Les mécanismes d’action de la miltefosine et de l’amphotéricine B ont alors fait l’objet d’une étude lipidomique. / Leishmaniasis is a more and more spreading disease, and resistance of parasites toward antileishmanial drugs is a concern for public safety organizations troughout the world. Miltefosine is the only oral drug, and its mechanism of action implies membrane lipids, and phospholipids, of parasite cells.In order to assess this mechanism of action, and resistance mechanisms developed, a lipidomic study of Leishmania donovani strains (treated, resistant, treated-resistant) was performed in the present work. A Normal-Phase High-Performance Liquid Chromatography (NP-HPLC) was coupled to an ElectroSpray Ionisation Mass Spectrometer (ESI-MS) to analyze phospholipids, and data were computed using an Orthogonal Signal Correction-Partial Least Squares-Discriminant Analysis (OSC-PLS-DA). Molecular species responsible for the differenciation of strains were then structuraly identified using tandem mass spectrometry. Hypotheses on metabolic pathways implied were then proposed.The study was then extended to a broader range of lipids, also analyzed through NP-HPLC-MS. A comparison of Atmospheric Pressure Ion sources (ESI, Atmospheric Pressure Chemical Ionization and Atmospheric Pressure PhotoIonization) was thus necessary in order to select the most suitable source. A lipidomic study was then performed to assess mechanisms of action and mechanisms of resistance concerning miltefosine and Amphotericin B.

Les leishmanioses sont des parasitoses en constante évolution, et l'accroissement d'apparitions de résistances vis-à-vis des traitements disponibles en fait une des préoccupations majeures des organismes de santé publique dans le monde. La miltefosine est actuellement le seul antileishmanien actif par voie orale. Son mécanisme d'action implique les lipides et notamment les phospholipides membranaires du parasite.Afin d'évaluer les effets de la miltefosine sur le parasite ainsi que les mécanismes de résistances, une étude lipidomique d'un clone de Leishmania donovani cultivé sous différentes conditions (traité, résistant, résistant-traité) a été réalisée dans le présent travail. Des analyses couplant une séparation des phospholipides en Chromatographie Liquide Haute-Performance à polarité de Phase Normale (NP-HPLC) avec un Spectromètre de Masse (MS) équippé d'une source d'Ionisation ElectroSpray (ESI) ont été traitées par chimiométrie, à l'aide d'une Correction Orthogonale du Signal suivie d'une Analyse Discriminante par Moindre Carrés Partiels (OSC-PLS-DA). Les principales espèces moléculaires permettant de distinguer les différentes cultures ont ensuite fait l'objet d'une identification structurale par spectrométrie de masse en tandem. Des hypothèses métaboliques ont pu être posées.Puis l'étude a été étendue à une plus grande variété de lipides, séparés par NP-HPLC. Pour cela une comparaison des sources d'ionisation à pression atmosphérique (ESI, Ionisation Chimique à Pression Atmosphérique et PhotoIonisation à Pression Atmosphérique) a été nécessaire afin de sélectionner la mieux adaptée pour un tel couplage. Les mécanismes d'action de la miltefosine et de l'amphotéricine B ont alors fait l'objet d'une étude lipidomique.

Un grand nombre d'applications de plasmas à pression atmosphérique sont en développement. Une obtention de plasma à haute réactivité chimique pour un faible coût énergétique est possible par l'utilisation de décharges nanosecondes répétitivement pulsées (DNRP).Cette recherche concerne plus particulièrement l'effet des NRPD en combustion assistée par plasma. Cette dernière permet l'utilisation de flammes pauvres, qui produisent moins de NOx et qui sont par conséquent moins polluantes.Pour comprendre les phénomènes physico-chimiques qui régissent les NRPD, différents diagnostiques optiques et mesures électriques ont étaient mis en place.L'efficacité de la combustion est très sensible à l'oxygène atomique (O). Nous avons présumé dans nos travaux que la production de cette oxygène ce faisant via un mécanisme a deux étapes où l'azote de l'air produis par impact électronique de l'azote excité aux états (A,B,C), qui réagis ensuite avec l'oxygène moléculaire donnant de l'oxygène atomique.Les densités d'états excités N2(B) et N2(C) on été déterminées par spectroscopie d'émission. L'état N2(A) est lui mesure par spectroscopie d'absorption en cavité résonnante. L'évolution de la concentration de l'oxygène atomique est déterminée par TALIF et on a noté jusqu'à 50% de dissociation de l'oxygène moléculaire en oxygène atomique. Des mesures résolues spatialement et temporellement ont été effectuées. L'élévation de la température du gaz dans la décharge a été établie. Des mesures électrique de tension et de courant ont permis l'estimation de l'énergie déposée par pulse.En résume ses mesures nous ont permis de mieux comprendre et de caractériser une DNRP dans l'air. Le fait que les temps de décroissance et les valeurs de l'évolution des concentrations des états excités de l'azote coïncident avec ceux de la production de l'oxygène atomique et que le gaz voit sa température s'élever de quelques centaines de degrés tendent à valider le mécanisme à deux étapes proposé.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de ce travail a été la mise au point de deux procédés de traitement de surface par voie plasma destinés à l'amélioration des propriétés de résistance à la corrosion d'un acier (HLE S235). Des films d'oxyde de silicium (SiOxCy) ont été déposés sur des substrats d'acier par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) à basse pression et à pression atmosphérique. L'héxaméthyldisiloxane (HMDSO), qui est un organosilicié, a été utilisé comme précurseur. Ces films affichent de très prometteuses propriétés anticorrosion et d'adhésion. Les performances de perméabilité aux gaz et aux liquides des couches déposées par plasma (PECVD) sont très fortement liées à leur composition chimique (présence de carbone, absence de silanol) et à leur structure (épaisseur, densité, volume libre etc...). Celles-ci dépendent des conditions du procédé de polymérisation, c'est à dire des paramètres du plasma tels que la pression, la puissance, le débit d'oxygène, le débit de monomère, le temps de traitement? Les analyses concernant la morphologie du dépôt ainsi que sa composition ont été nécessaires afin de caractériser les dépôts. Nous avons pu obtenir des couches épaisses, continues, lisses, peu poreuses, contenant du carbone. L'efficacité des procédés de dépôts de films d'oxyde de silicium a été validée par l'étude des propriétés de protection contre la corrosion des films par voltampérométrie et par impédancemétrie en milieu NaCl 0,5 M aéré. Pour des conditions optimales de traitement, aussi bien à basse pression qu'à pression atmosphérique, les propriétés anticorrosion ont été nettement améliorées et persistent pour des temps d'immersion importants (Rp stabilisée après 25 h). Un pré-traitement à l'oxygène à basse pression a permis d'augmenter l'adhérence des couches au substrat et donc la protection contre la corrosion pour les dépôts réalisés à basse pression et à pression atmosphérique. Les résistances de polarisation ainsi obtenues ont atteint une valeur de 191 kOhm.cm² et 550 kOhm.cm², respectivement (acier non traité : 1,2 kOhm.cm²).

Ces travaux de thèse portent sur le développement d'une nouvelle génération de revêtements phosphorés élaborés par le biais d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à la pression atmosphérique. L'objectif est de conférer à des polymères synthétiques des propriétés ignifuges performantes grâce à un film mince anti-feu innovant.La stratégie adoptée est basée sur une technologie plasma froid robuste qui consiste à injecter un précurseur organophosphoré en phase gazeuse dans une décharge à barrière diélectrique opérant à la pression atmosphérique. Ses recherchent posent les fondements de la polymérisation plasma à la pression atmosphérique de composés phosphorés et identifient les conditions favorisant l'élaboration de couches hydrolytiquement stables et protectrices au feu. Dans un premier temps, les travaux se concentrent sur l'optimisation des conditions opératoires, la compréhension des mécanismes réactionnels impliqués et l'étude de la stabilité des dépôts dans le temps. La seconde partie s'intéresse à l'amélioration des revêtements afin d'obtenir des films de qualité supérieure en vue des tests anti-feu. À l'issue de ces travaux, la performance au feu des couches minces les plus prometteuses est testée sur différents polymères techniques, i.e. le polycarbonate et le polyamide-6. Cette étude se conclut en résumant l'influence des paramètres du procédé ainsi que des différentes structures de monomère sur les mécanismes de croissances des revêtements, leur stabilité et performance au feu / This PhD work is focused on the development of next-generation phosphorus-containing coatings elaborated by atmospheric pressure - plasma enhanced chemical vapor deposition. The objective is to provide efficient fireproofing properties to synthetic polymers through an innovative flame-retardant thin film. The supported strategy is based on a robust cold plasma technology, which consists in injecting an organophosphorus precursor as a vapor into an atmospheric pressure - dielectric barrier discharge. These researches constitute a backbone for the atmospheric pressure plasma polymerization of phosphorus-containing compounds and identify conditions promoting the development of hydrolytically stable and fire-resistant coatings. In a first phase, investigations focus on the optimization of operating conditions, the understanding of the reaction pathways involved and the study of the deposits stability over time. The second part is interested in the improvement of the coatings to obtain high-quality thin films in view to flame-retardant tests. At the outcome of this study, the flame-retardant performances of the most promising coatings are tested on different polymers, i.e. polycarbonate and polyamide-6. This study concludes by summarizing the influence of the process parameters as well as the different monomer structures on the thin films growth mechanisms, stability and flame-retardant performance

Un grand nombre d’applications de plasmas à pression atmosphérique sont en développement. Une obtention de plasma à haute réactivité chimique pour un faible coût énergétique est possible par l’utilisation de décharges nanosecondes répétitivement pulsées (DNRP).Cette recherche concerne plus particulièrement l’effet des NRPD en combustion assistée par plasma. Cette dernière permet l’utilisation de flammes pauvres, qui produisent moins de NOx et qui sont par conséquent moins polluantes.Pour comprendre les phénomènes physico-chimiques qui régissent les NRPD, différents diagnostiques optiques et mesures électriques ont étaient mis en place.L’efficacité de la combustion est très sensible à l’oxygène atomique (O). Nous avons présumé dans nos travaux que la production de cette oxygène ce faisant via un mécanisme a deux étapes où l’azote de l’air produis par impact électronique de l’azote excité aux états (A,B,C), qui réagis ensuite avec l’oxygène moléculaire donnant de l’oxygène atomique.Les densités d’états excités N2(B) et N2(C) on été déterminées par spectroscopie d’émission. L’état N2(A) est lui mesure par spectroscopie d’absorption en cavité résonnante. L’évolution de la concentration de l’oxygène atomique est déterminée par TALIF et on a noté jusqu'à 50% de dissociation de l’oxygène moléculaire en oxygène atomique. Des mesures résolues spatialement et temporellement ont été effectuées. L’élévation de la température du gaz dans la décharge a été établie. Des mesures électrique de tension et de courant ont permis l’estimation de l’énergie déposée par pulse.En résume ses mesures nous ont permis de mieux comprendre et de caractériser une DNRP dans l’air. Le fait que les temps de décroissance et les valeurs de l’évolution des concentrations des états excités de l’azote coïncident avec ceux de la production de l’oxygène atomique et que le gaz voit sa température s’élever de quelques centaines de degrés tendent à valider le mécanisme à deux étapes proposé. / In the last decade, nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) had became very popular, because they allow to produce high electron densities and active species for an energy efficiency unequalled in air at atmospheric pressure.This thesis targets more particularly the effect of the NRP discharges in plasma-assisted combustion. NRP discharges can stabilize low temperature flames, which produce fewer NOx and are consequently less polluting. Few studies have investigated the mechanism of action of the plasma on flames.We have studied the kinetic mechanism of the atomic oxygen production, known as “two-step” or “ultrafast” mechanism. Where the nitrogen excited states (states A3Su,+, B3Pg, C3Pu) produced by electron impact during the 10ns-pulse dissociate oxygen with a heat release.To this end, various optical diagnostic techniques and electrical measurements, with time and space resolution of nanoseconds and hundreds of micrometers, have been set up.Densities of the excited states N2(B) and N2(C) have been determined by quantitative emission spectroscopy. The density of N2(A) state, was measured by a sensitive detection technique, Cavity-Ring Down Spectroscopy (CRDS). Finally the time evolution of the density of atomic oxygen was determined by Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence or TALIF. In addition, an increase of the gas temperature related to the two-step mechanism was determined by emission spectroscopy.The work of this thesis represents the first experimental confirmation of the two-step mechanism suggested in the literature. At atmospheric pressure, this mechanism is found to dissociate up to 50 % of molecular oxygen and heats the gas by about 1000 K.As a summary, the work of this thesis allowed characterizing and better understanding nanosecond repetitively pulsed discharges in the air at atmospheric pressure and determining the production on the key active species, atomic oxygen.

Dans cette thèse nous avons étudié l'influence de surfaces diélectriques sur la dynamique de propagation de décharges à pression atmosphérique. Tout d'abord, pour les simulations 2D réalisées dans ce travail, nous avons optimisé les performances du code de décharge en utilisant des schémas numériques performants et des techniques de parallélisation. Nous avons ensuite étudié la dynamique de propagation d'une décharge dans l'air à pression atmosphérique dans une géométrie pointe-plan avec un plan diélectrique sur la cathode. Puis, nous avons étudié l'influence d'un obstacle plan diélectrique sur la dynamique de propagation d'une décharge. Nous avons montré que selon les caractéristiques du diélectrique, l'amplitude et la polarité de la tension appliquée, une seconde décharge peut s'initier ou pas dans l'air derrière le diélectrique. La comparaison des résultats avec les expériences a montré que dans une géométrie pointe-plan avec une pointe fine et une tension très élevée, une seule décharge de forme conique est observée. Un bon accord est obtenu sur le diamètre de la décharge et sa vitesse de propagation. Avec un obstacle plan diélectrique entre les électrodes, la dynamique de ré-allumage est plus rapide dans les simulations. Pour améliorer la comparaison avec les expériences, nous avons étudié l'influence de plusieurs processus physico-chimiques. Pour finir, nous avons étudié la dynamique de décharges à pression atmosphérique dans des tubes diélectriques. Pour un mélange He-N2, nous avons montré l'importance des réactions à trois corps. Enfin, nous avons montré l'influence du diamètre du tube sur la structure des décharges dans un mélange He - N2 et dans l'air. / In this Ph.D. thesis, we have carried out 2D numerical simulations to study the influence of dielectric surfaces on the propagation dynamics of plasma discharges at atmospheric pressure. First we have improved the computational efficiency of the discharge code used in this work in implementing parallelization techniques and more efficient numerical schemes. Second we have studied the dynamics of an air discharge at atmospheric pressure in a point-to-plane geometry with a dielectric layer on the cathode plane. Then, we have studied the influence of a dielectric layer obstacle in the inter-electrode gap. We have shown that depending on the characteristics of the dielectric layer and the amplitude and polarity of the applied voltage, a second discharge may reignite or not below the dielectric in the second air gap. The comparison of simulation results with experiments has shown that in a point-to-plane geometry with a sharp point and a high over-voltage, a single conical discharge structure is observed. A good agreement on the discharge diameter and propagation velocity has been obtained. With a dielectric obstacle in the gap, the simulated reignition dynamics is faster than in the experiments. To improve the agreement, we have studied the influence of several physico-chemical processes. Finally, we have studied the dynamics of discharges in dielectric tubes at atmospheric pressure. For a He -N2 mixture, we have put forward the importance of three body reactions. Last, the influence of the tube radius on the structure of discharges in He - N2 and air is discussed.