La microscopie de phase quantitative, en particulier la microscopie holographique numérique (MHN), est une approche d’imagerie cellulaire très prometteuse, notamment dans le domaine émergent des cellules souches pluripotentes induites humaines, en raison de sa complémentarité avec l’imagerie de fluorescence, sa grande sensibilité, son caractère non invasif et la richesse du signal quantitatif de phase mesuré. Ce signal quantitatif, très riche, est également compliqué à interpréter. Notamment, il dépend de l’indice de réfraction de la solution physiologique dans laquelle baignent les cellules étudiées. Pour être en mesure d’interpréter correctement le signal quantitatif de phase produit par les cellules, cet indice de réfraction extracellulaire (IRE) doit donc être précisément mesuré. Ce mémoire présente la conception, le développement et la caractérisation d’une méthode de réfractométrie de l’IRE directement dans la chambre d’imagerie, à partir du signal quantitatif de phase mesurée avec un MHN. La capacité du MHN à mesurer précisément un indice de réfraction est d’abord démontrée. Ensuite, son utilisation pour la réfractométrie des liquides dans une chambre d’imagerie est analysée, en remplaçant une des lamelles fermant cette chambre par une lamelle rainurée dont les rainures sont très bien caractérisées. Une précision moyenne de 0.0003 sur l’indice de réfraction est démontrée, ce qui correspond à la précision d’un réfractomètre des liquides commercial typique. Enfin, une preuve de concept faite en utilisant ces lamelles dans un contexte d’imagerie cellulaire sous le MHN. Les données obtenues sont discutées et caractérisées en détail, et la pertinence de ces lamelles dans ce contexte est démontrée. / Quantitative phase microscopy, in particular digital holographic microscopy, is a promising imaging technique for the study of living cells, notably the emerging field of human induced pluripotent stem cells, because of its great sensitivity and resolution, its strict non-invasiveness and its complementarity with fluorescence imaging. This technique allows for the retrieval of the quantitative phase signal (QPS) produced by cells, which is very rich but also complicated to interpret. In particular, the QPS depends on the refractive index (RI) of the medium surrounding the cells in an imaging chamber; therefore, this RI needs to be well monitored in order to correctly and precisely analyse the QPS. In this master’s thesis, the design, development and characterization of a method to measure this extracellular RI directly inside the imaging chamber using the QPS measured by a DHM are described. First, the DHM capability to measure precisely and accurately a RI is demonstrated. Then, its use for liquid refractometry in an imaging chamber is analysed, using a grooved coverslip with well characterized grooves in place of one of the coverslip closing the imaging chamber. An average accuracy on RI measurement of 0.0003 is demonstrated, which is similar to the one of a typical commercial liquid refractometer. Finally, a proof of concept using these grooved coverslips in a biological experiment involving cell imaging under the DHM is completed. The results are thoroughly analysed and discussed, and the relevance of these grooved coverslip for liquid refractometry in a biological context is demonstrated.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d'un dispositif microfluidique en PDMS (Polydiméthylsiloxane) pour exploration des diagrammes de phase. Le microsystème est basé sur le principe de pervaporation (évaporation à travers une membrane) et comporte des microchambres indépendantes de 5nL de solution dont on fait varier la concentration au court du temps. Il est possible de concentrer jusqu'à l'observation de transitions de phases (démixtion, nucléation, cristallisation, ...). Nous avons montré que la pervaporation est une piste intéressante pour l'exploration de diagrammes de phases. En parallèle, nous avons développé un outil original de mesure in situ en temps réel de la concentration, paramètre essentiel du criblage. Cet outil, basé sur le principe de réfractométrie, a pour avantage d'être non intrusif et ne requiert aucune modification particulière du microsystème. La méthode consiste à utiliser les parois des microcanaux comme éléments optiques. Nous montrons que cette méthode permet de mesurer un coefficient de diffusion et un rapport de viscosité dans une jonction en T sans ajout de traceurs ni utilisation de la fluorescence. Nous avons utilisé cette méthode de mesure de la concentration lors d'expériences sur des systèmes modèles (solutions ioniques, surfactants, polymères, protéines, ...).

Afin de modéliser correctement les phénomènes liés à l'évaporation, les numériciens souhaitent obtenir des mesures expérimentales fiables, leur permettant d'améliorer leurs modèles. A l'opposé, de nombreux industriels souhaitent pouvoir réaliser des mesures in situ, avec des techniques expérimentales appliquées aux conditions réelles.C'est dans ce cadre que s'est inscrite cette thèse. L'objectif principal, a été de démontrer la faisabilité, et la stabilité, de mesures en réfractométrie d'arc-en-ciel sur des gouttes uniques en écoulement afin d'obtenir le taux d'évaporation de ces gouttes.L'utilisation d'un dispositif dédié habituellement à la PIV a servi à réaliser des acquisitions de couples d'images, séparées par un délai temporel variable. Une méthode très fine de la mesure de variation de diamètre a été introduite, autorisant la mesure du taux d'évaporation instantané d'une goutte en écoulement par le biais du déphasage de la structure de ripple.

Afin de modéliser correctement les phénomènes liés à l'évaporation, les numériciens souhaitent obtenir des mesures expérimentales fiables, leur permettant d'améliorer leurs modèles. A l'opposé, de nombreux industriels souhaitent pouvoir réaliser des mesures in situ, avec des techniques expérimentales appliquées aux conditions réelles.C'est dans ce cadre que s'est inscrite cette thèse. L'objectif principal, a été de démontrer la faisabilité, et la stabilité, de mesures en réfractométrie d'arc-en-ciel sur des gouttes uniques en écoulement afin d'obtenir le taux d'évaporation de ces gouttes.L'utilisation d'un dispositif dédié habituellement à la PIV a servi à réaliser des acquisitions de couples d'images, séparées par un délai temporel variable. Une méthode très fine de la mesure de variation de diamètre a été introduite, autorisant la mesure du taux d'évaporation instantané d'une goutte en écoulement par le biais du déphasage de la structure de ripple. / In order to model correctly the evaporation phenomenon, numerical simulations needs to work with reliable experimental data, allowing to improve the existing models. On the other side, industrialists needs to realize in situ measurements, with experimental techniques that apply to real conditions. This is the framework of this thesis. The main work has been to prove that measurements with rainbow refractometry on unique droplets in a flow were possible, obtain the evaporation rate from those measurements, and prove their stability.The use of a specific setup, most of the time used in PIV, allowed us to realize acquisitions of couple images with a temporal delay. A very fine method for the measurement of variation of diameter has been introduced, allowing the measurement of instantaneous evaporation rate of unique droplets in a flow, using the ripple structure phase shift.

Ce travail de thèse de doctorat étudie la diffusion de la lumière par des nuages de bulles au voisinage de l'angle de diffusion critique. Les bulles sont définies comme des particules dont l'indice de réfraction relatif est inférieur à l'unité. Dans l'hypothèse d'un régime de diffusion simple, le diagramme de diffusion critique produit par un ensemble de bulles peut être modélisé à l'aide de la théorie de Lorenz-Mie et d'une intégrale de Fredholm du premier type. Fondamentalement, ces diagrammes sont composés d'arcs (ou franges circulaires) qui présentent de grandes similarités avec ceux observés dans la zone de diffraction vers l'avant ou la région de l'angle d'arc-en-ciel. Il existe un lien clair entre l'étalement angulaire, la visibilité et la position globale de ces arcs avec le diamètre moyen, la dispersion et l'indice de réfraction (c.-à-d. composition) des bulles diffusantes. Différents effets particuliers ont été étudiés, comme ceux liés au profil d'intensité gaussien du faisceau laser incident, les effets de filtrage spatial de l'optique de Fourier, la non sphéricité des bulles, la possibilité de produire l'équivalent d'un arc-en-ciel sous-marin. Des simulations numériques, ainsi que la mise au point de différentes méthodes d'inversion et expériences ont permis de démontrer la validité et la fiabilité de ce que nous avons appelé la « Critical-Angle Refractometry and Sizing (CARS) technique ». Au delà des aspects fondamentaux, cette nouvelle méthode optique de caractérisation de particules s'avère prometteuse pour l'étude des écoulements à bulles et plus particulièrement quand la composition des bulles est recherchée.

Quel que soit le contexte biotechnologique ou biomoléculaire, les biopuces se sont rapidement imposées comme système de détection de molécules biologiques. Le concept récent de biopuce fluide, qui consiste à capturer les molécules d'intérêt à une interface fluide fonctionnalisée, offre entre autres perspectives la possibilité d'utiliser, comme diagnostic micromécanique, les changements de rhéologie interfaciale induits par<br />l'hybridation entre molécules cibles et molécules sondes. La pertinence d'un tel moyen de détection pour des séquences d'ADN, est étudiée expérimentalement. Un réseau d'ondes capillaires de ménisque est engendré à la surface d'une sous-phase aqueuse, contenue dans un récipient cylindrique agité verticalement. Le réseau d'ondes, dont la géométrie est caractérisée conjointement par deux techniques optiques non intrusives, montre à la fois une sensibilité à la tension de surface et aux propriétés rhéologiques interfaciales, qui subissent une évolution différente en présence de brins d'ADN hybridés ou non hybridés.

Ce manuscrit d'habitation à diriger des recherches porte sur la caractérisation optique des écoulements multiphasiques. Il rassemble trois types de contributions. La première, traite de la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière des particules rencontrées dans ces milieux : gouttes, bulles et fibres homogènes ; particules sphériques, fibres et jets à gradient radial d'indice, à coeur ; particules ellipsoïdales, hétérogènes ou irrégulières. Ces développements théoriques et numériques sont basés sur la théorie de Lorenz- Mie ou des modèles asymptotiques : modèle statistique, optique physique et géométrique. La deuxième partie de ce manuscrit, introduit le principe de techniques optiques originales pour la caractérisation simultanée de la vitesse, de la taille et du matériau de particules en écoulement : technique Dual Burst, Dual Mode, Interférométrie phase Doppler à 3 faisceaux cohérents, diffractométrie haute résolution, diffusion critique et arc-en-ciel. La troisième partie présente différents travaux réalisés dans le cadre de collaborations universitaires ou industrielles, sur des sujets aussi variés que la caractérisation des propriétés optiques de globules rouges, la caractérisation de système en combustion, les instabilités de jets capillaires homogènes ou à coeur ; le fibrage du verre à haute température ; les fibres optiques ; l'étude expérimentale d'instabilités thermo-solutales et de l'hydrodynamique d'écoulements gaz-solides en lit fluidisé circulant. Ce manuscrit comprend également un résumé de mes activités d'enseignement, de valorisation et de management de la recherche, ainsi que les reproductions de dix articles.

Au cours des dernières décennies, les métamatériaux ont montré qu'ils pouvaient avoir des propriétés étonnantes, permettant d'imaginer et de réaliser des dispositifs tels que des lentilles à indice négatif, des dispositifs de camouflage ou des lentilles parfaitement plates. Aussi, font-ils aujourd'hui l'objet d'une intense recherche. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR METAPHOTONIQUE, avait pour objectif principal d'étudier la possibilité d'utiliser des métamatériaux pour l'optique guidée à la longueur d'onde télécom. Ceci a requis une meilleure compréhension du comportement des métamatériaux, ce qui nous a orientés vers l'étude de modèles effectifs. La récupération des paramètres optiques effectifs a nécessité de pouvoir simuler la réponse des métamatériaux sous une illumination en incidence oblique, ce qui a requis l'implémentation de telles méthodes en FDTD. Aux cours de nos travaux, nous avons aussi mis en évidence un phénomène de rotation de la polarisation de modes guidés suite à leur interaction avec des métamatériaux asymétriques. Nous avons alors pu concevoir et caractériser un dispositif pour l'optique guidée destiné faire tourner la polarisation de la lumière sur une longueur deux fois plus courte que la longueur d'onde. Enfin, un objectif secondaire a été de déterminer si les pertes dues à la présence de nanostructures métalliques dans nos métamatériaux pouvaient être compensées grâce à l'utilisation de matériaux à gain. Un modèle permettant de décrire de tels matériaux en FDTD a donc été étudié et implémenté / Over the last decades, metamaterials have been shown to exhibit extraordinary properties. These properties could allow the design of new devices such as negative refractive index lenses, cloaking devices and perfectly flat lenses. This PhD is part of the ANR METAPHOTONIQUE project and its main objective was to study the potential of metamaterials for integrated photonics at telecommunication wavelengths. This required to first better understand the behavior of metamaterials, which led us to study effective index models. The retrieval of effective optical parameters required to be able to simulate the optical response of metamaterials under oblique incidence excitation. Due to this, we had to study and implement such methods for FDTD computations. Our work also showed that asymmetrical metamaterials possessed the ability to make the polarization of guided modes rotate. This allowed us to design and characterize a potential device for integrated photonics, which effectively converts the polarization of guided modes over lengths shorter than half the wavelength. A secondary goal of this PhD was to study the potential compensation of losses occuring within the metallic nanostructures of our metamaterials through the use of materials with gain. Thus, a model allowing us to simulate such materials in FDTD has been implemented

Les rhabdovirus, dont les virus de la stomatite vésiculaire (VSV) et de la rage (RAV) constituent des prototypes, sont des virus enveloppés dont le génome est constitué d'une seule molécule d'ARN simple brin de polarité négative qui font partie de l'ordre des Mononegavirales (MNV). La machinerie de transcription/réplication de ces virus est constituée de l'ARN génomique et de trois protéines qui sont communes à tous les virus de l'ordre des MNV, la (N) qui encapside le génome viral, la grande sous-unité de l'ARN polymérase ARN dépendante (L) et la phosphoprotéine (P) qui est un cofacteur non-catalytique de la L et sert de chaperonne à la N. Le premier objectif de mon travail de thèse consistait à déterminer la structure cristallographique du domaine de dimérisation de la phosphoprotéine du virus de la rage. La P des rhabdovirus est une protéine modulaire qui contient deux régions intrinsèquement désordonnée, un domaine central responsable la dimérisation et un domaine C-terminal responsable de la fixation sur la matrice N-ARN. Le modèle atomique obtenu à une résolution de 1.5A montre que la structure est très différente de celle du domaine correspondant chez VSV. Le second objectif de mon travail était la caractérisation structurale de la grande sous-unité L de la polymérase du virus de la stomatite vésiculaire. Cette enzyme de 2109,aa, possède six régions conservées. Le domaine conservé III comprend les régions impliquées dans l'activité de polymérisation et les domaines V et VI sont responsables de la formation de la coiffe des ARNm. Plusieurs stratégies ont été envisagées successivement. (1) Sur la base de prédictions de structures secondaires et de prédictions de désordre, nous avons essayé d'exprimer différents fragments en système d'expression bactérien. Les constructions testées se sont avérées insolubles et certaines d'entre elles fixaient GroEL, indiquant un problème de repliement. (2) Nous avons alors essayé d'exprimer la L seule ou en complexe avec la P en système d'expression eucaryote. La purification s'est avérée impossible, la protéine L restant toujours associées à des protéines cellulaires visibles par coloration au bleu de Coommassie. (3) Finalement nous avons réussi à purifier la polymérase à partir de virus entier. La préparation de la polymérase était très homogène et a permis d'entreprendre une caractérisation par microscopie électronique. Une classification d'images a permis de construire un premier modèle à basse résolution. Le modèle révèle la présence d'un domaine annulaire avec plusieurs domaines structurés attachés au coeur de la polymérase. La cryo-microscopie électronique et la tomographie permettront d'obtenir plus de détails sur cette protéine. / Rhabdoviruses, including vesicular stomatitis virus (VSV) and rabies virus (RAV), are enveloped viruses which genome is made of a single molecule of negative-sense RNA and are classified in the order Mononegavirales (MNV). The transcription/replication machinery of these viruses consists of the genomic RNA and of three proteins, which are common to all other viruses of the order MNV, a nucleoprotein (N) that encapsidates the viral genome, a large subunit of the RNA-dependent RNA polymerase (L) and a phosphoprotein (P) that acts as a non-catalytic cofactor of L and a chaperone of N. The first goal of my research project was to determine the crystallographic structure of the dimerization domain of the rabies virus phosphoprotein. The P protein of the rhabdoviruses is a modular protein, which contains two intrinsically disordered regions, a central dimerization domain and a C-terminal domain involved in binding to the N-RNA template. The atomic model obtained at a resolution of 1.5 A showed that the structure is different from that of the corresponding domain of VSV. The second goal was the structural characterization of the large subunit L of VSV polymerase. The enzyme of 2109 aa has six conserved regions. Conserved region III includes the residues involved in the RNA synthesis activity, whereas domains V and VI are involved in mRNA capping formation. Three strategies were successively developed: (1) On the basis of secondary structure and disorder predictions, we tried to express different fragments in bacterial expression systems. These constructions appeared to be insoluble and some of them bound GroEL suggesting a folding problem; (2) We tried to express L alone or co-express it with P in eukaryotic expression system. The purification appeared to be impossible, the L protein always remaining associated with host-cell proteins in amounts detectable by Coommassie staining; (3) We succeeded in purifying the L protein from the virus. The L samples were homogenous and allowed a characterization by electron microscopy. Image classes allowed the reconstruction of a first low-resolution model. This model revealed the presence of a large ring-like domain and several globular domains. Cryo-electron microscopy and tomography should lead to a more detailed description of this protein.

Le virus de la stomatite vésiculaire (VSV) sert de modèle pour l'étude de la multiplication des virus (Mononegavirales) alors que la rage(RV) reste un sérieux problème de santé publique. Le génome de VSV et RV code notamment la nucléoprotéine (N) et la phosphoprotéine (P). N s'associe étroitement à l'ARN viral. Ce complexe N-ARN sert de matrice pour la réplication et la transcription virale. P est le cofacteur de la polymérase virale (L) et chaperonne N. En interagissant avec N-ARN (domaine C-terminal) et avec L (domaine N-terminal), P assure le lien physique entre l'ARN viral et L. La stœchiométrie de P, sa structure et son rôle exact pendant la transcription et la réplication restent incertains. Mon travail a consisté à une caractérisation biophysique et structurale de P et des complexes N-ARN-P pour mieux comprendre la dynamique du complexe de réplication de ces virus.<br />L'analyse biophysique montre que P RV & VSV existent sous forme de dimère allongé en solution. L'analyse bioinformatique a révélé une organisation modulaire, confirmé par des études biochimiques et biophysiques de mutants de P RV. La structure du domaine C-terminal de P VSV a été résolue par RMN et montre une homologie celle du C-ter de P RV. La caractérisation de l'interaction entre P et les anneaux N-ARN a révélé l'existence de deux types de complexes N-ARN-P (contenant un et 2 dimères de P par anneau). L'étude par ME des complexes nucléocapsides-P a permis de mettre en évidence un changement de conformation important.<br />Pour devenir accessible à L, l'ARN viral doit se dissocier localement de N. L'interaction N-ARN-P représente potentiellement une nouvelle cible pour le développement d'antiviraux.