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Thèse ou mémoire avec insertion d’articles. / Les maladies cardiométaboliques affectent de nombreuses populations à l'échelle mondiale, notamment les populations autochtones qui résident dans le nord du Canada. Des travaux scientifiques récents suggèrent que ces maladies peuvent avoir été causées en partie par des perturbations du microbiote intestinal. Le profilage métabolique d'acides biliaires (AB) est un moyen reconnu pour analyser le microbiote. Cependant, ces analyses sont principalement effectuées a posteriori sur des échantillons fécaux et ne fournissent aucune information spatiale ou temporelle sur les variations métaboliques au sein du tractus gastro-intestinal. Le présent projet vise à développer une méthode de détection sélective aux AB basée sur la spectroscopie Raman exaltée en surface (SERS), une technique d'identification moléculaire. Les capteurs développés à partir de cette méthode permettront une étude en temps réel du microbiote avec une résolution spatiale et temporelle inégalée. La spectroscopie Raman est une technique d'identification moléculaire non invasive et non destructive qui produit un spectre hautement spécifique avec diverses bandes corrélées à la structure moléculaire de l'échantillon. Il est possible d'améliorer sa sensibilité de détection en utilisant une surface métallique nanostructurée amplificatrice de signal, ce qui permet de mesurer différentes espèces moléculaires dans des concentrations réduites et un temps de mesure relativement court. La combinaison du SERS avec des méthodes d'apprentissage machine permet dans certains cas d'augmenter davantage les capacités de détection et de classification. Afin de détecter les AB, un microscope confocal Raman à balayage laser a été construit en laboratoire. Des substrats actifs en SERS et sélectifs aux AB ont par la suite été développés en immobilisant des nanoétoiles d'or sur des lamelles de verre. Afin de réaliser une analyse approfondie avec des algorithmes d'apprentissage machine, une base de données spectrales a été conçue en mesurant plusieurs spectres SERS provenant d'AB individuelles ou de mélanges d'AB, et ce dans diverses matrices moléculaires. Un modèle du type « réseau de neurones convolutif » a été entraîné et jumelé à plusieurs techniques de traitement spectral et d'augmentation des données afin d'effectuer la classification de différentes espèces d'AB à partir de leur spectre. Le modèle résultant a été appliqué avec succès sur cinq espèces d'AB et validé à différentes concentrations. / Cardiometabolic diseases are affecting many populations worldwide, including indigenous populations residing in northern Canada. Recent scientific evidence suggests that these diseases may be caused in part by disorders of the gut microbiota. Bile acid (BA) metabolic profiling is a recognized method for analyzing the gut microbiota. However, these analyses are mostly performed on fecal samples and do not provide any spatial or temporal information on metabolic variations in the gastrointestinal tract. The present project aims to develop an AB-selective sensing method based on Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), a molecular identification technique. The resulting sensors will allow a real time study of the microbiota with an unmatched spatial and temporal resolution. Raman spectroscopy is a non-invasive and non-destructive molecular identification technique that produces a highly specific spectrum with various bands correlated to the molecular structure of the sample. Its detection sensitivity can be improved using a signal enhancing nanostructured metal surface, which allows the measurement of various chemical species at lower concentrations and/or shorter measurement times. Combining SERS with machine learning methods can, in some cases, increase even further detection and classification capabilities. In order to detect ABs, a confocal laser scanning Raman microscope was built in the laboratory. AB-selective SERS active substrates were developed by immobilizing gold nanostars on glass coverslips. In order to perform an extensive analysis with machine learning algorithms, a database of spectra was developed by measuring several SERS spectra from individual ABs or mixtures of ABs in various molecular matrices. A convolutional neural network model was trained and combined with several spectral processing and data augmentation techniques to perform classification of different BA species based on their spectra. The resulting model was successfully applied to five species of BA and validated at different concentrations.

Titre de l'écran-titre (visionné le 31 juillet 2023) / Le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen a soulevé beaucoup d'intérêt en recherche au cours des deux dernières décennies. Ces sources laser sont particulièrement intéressantes pour la télédétection de gaz atmosphériques, pour le diagnostic médical, pour la découpe de tissus biologiques, pour le traitement des matériaux et pour les applications en défense et sécurité. Cependant, elles ne sont pas encore suffisamment robustes et fiables pour permettre leur utilisation à grande échelle. Cette thèse se concentre donc sur le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant autour de 2.8 µm avec une architecture tout-fibre adaptée pour les applications nécessitant des systèmes robustes pouvant être déployés dans des environnements non contrôlés. Ainsi, ces lasers sont également intéressants pour l'usinage laser et les applications biomédicales ainsi que pour les applications en défense et sécurité. Le chapitre 1 présente l'état de l'art des lasers à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen, autant en régime continu qu'en régime impulsionnel, et les défis technologiques à relever pour leur permettre de percer dans les différentes applications d'intérêt. Ensuite, le premier laser impulsionnel à commutation du gain ayant une architecture tout-fibre émettant dans l'infrarouge moyen est présenté au chapitre 2. Celui-ci génère des impulsions aussi courtes que 170 ns avec une énergie par impulsion de 80 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Au chapitre 3, le développement d'un nouvel absorbant saturable à partir d'une fibre en silice dopée au dysprosium a permis la commutation des pertes d'un laser tout-fibre émettant des impulsions à 2.8 µm avec une durée de 240 ns et une énergie de 4.9 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Pour y arriver, un réseau de Bragg à pas variable hautement réflectif inscrit dans l'absorbant saturable en silice est utilisé de façon novatrice pour l'infrarouge moyen. Nous avons aussi optimisé la technique d'épissure entre une fibre en silice et une autre en verre fluoré pour obtenir une bonne transmission monomode. Finalement, le chapitre 4 présente les effets des paramètres d'un réseau de Bragg uniforme à large bande spectrale, de la longueur de la fibre active et d'un combinateur de pompe fibré sur les performances d'un laser à fibre optique émettant des impulsions aussi courtes que 15 ps à 2.8 µm par synchronisation modale à l'aide d'un SESAM. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la porte au déploiement des lasers impulsionnels émettant dans l'infrarouge moyen pour les applications ciblées.

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L'oxyde nitrique (NO), un important messager biologique, est biosynthétisé par une hémoprotéine nommée Oxyde Nitrique Synthase (NOS). Il est produit par une réaction d'oxydation du groupement guanidino de la L-arginine en Nm -hydroxy-L-arginine, qui est ensuite elle-même oxydée en NO et en L-citrulline. Chez les mammifères, deux types de complexes oxygénés formés durant la catalyse par les NOS ont été identifiés: hème-oxy 1 (Bande de Soret centrée à 420 nm) et hème-oxy 2 (Bande de Soret centrée à 430 nm). On sait que hème-oxy 2 possède un caractère ferrique superoxyde (Fe -O2"), puisqu'il a déjà été caractérisé en spectroscopie de résonance Raman. Cependant, peu d'informations sont connues sur le complexe hème-oxy 1. Dans le but de caractériser la nature de complexe hème-oxy 1 ansi que certains intermédiaires impliqués dans le mécanisme de catalyse des NOS, ce dernier a été l'objet d'études en spectroscopie de résonance Raman.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est un traitement proposée aux patients gravement atteints de la maladie de Parkinson pour lesquels les symptômes moteurs réduisent grandement leur qualité de vie. Ce traitement implique une chirurgie pendant laquelle une électrode doit être placée très précisément dans le mésencéphale afin d'atténuer efficacement les symptômes moteurs des patients. Les chirurgiens qui effectuent cette opération ne possèdent toutefois pas d'outil de guidage pour le positionnement de l'électrode. Afin de combler cette problématique, des technologies optiques peuvent être implantées à l'intérieur de l'électrode afin de mesurer un contraste entre certaines régions du cerveau, aidant ainsi le chirurgien à positionner correctement l'électrode. La première étape de ce projet consiste à explorer les techniques optiques qui ont le potentiel de mesurer un contraste entre certaines régions du cerveau. Dans ce projet de maitrise, la spectroscopie Raman spontanée (SRSpont) est explorée afin d'identifier les régions spectrales Raman pertinentes pour aider le guidage de l'électrode dans le cadre du traitement de SCP. Pour ce faire, des spectres Raman sont mesurés dans huit régions identifiées sur des tranches de cerveau de macaque post mortem à l'aide d'un microscope Raman. Ces spectres Raman subissent ensuite une réduction dimensionnelle par analyse en composantes principales (ACP) avant d'être classés par la méthode des voisins les plus proches (VPP). Au final, cette méthode d'analyse permet de prédire correctement 43 % du temps la région du cerveau dans laquelle un spectre Raman est mesuré. Ensuite, des différences spectrales entre certaines régions spécifiques du cerveau sont identifiées, notamment le signal Raman provenant des lipides qui permet de distinguer facilement la matière blanche et la matière grise. Un contraste entre le noyau subthalamique (STN) et la substance noire (SN) est également mesuré grâce au signal Raman à 996 cm$^{-1}$ provenant de la phénylalanine. De tels contrastes sont intéressants dans le cadre du traitement de SCP étant donné que le STN est très souvent la région dans laquelle il faut placer l'électrode et que celui-ci est principalement entouré du SN et de matière blanche. La SRSpont permet donc de mesurer un contraste intéressant entre des régions du cerveau pertinentes dans le cadre du traitement de SCP. Cette technique a donc le potentiel de fournir suffisamment d'information au chirurgien afin de faciliter le positionnement de l'électrode lors du traitement de SCP. Il serait intéressant d'implanter un système SRSpont dans des fibres optiques afin de vérifier le potentiel de cette technique dans des conditions similaires à celles rencontrées lors de la chirurgie liée au traitement de SCP.

À ce jour, quelques biocapteurs ont été proposés pour mesurer rapidement et facilement les caractéristiques et les propriétés des microrganismes individuels membres d'une population hétérogène, mais aucune de ces approches ne s'est avérée être adéquate pour effectuer des mesures directement sur le terrain. Les biocapteurs pour les organismes microscopiques nécessitent généralement une sensibilité ou une spécificité extrême, qui sont difficiles à combiner avec un dispositif général portatif. Cette étude propose un dispositif portatif basé sur la cytométrie de flux d'impédance qui peut détecter et quantifier le diamètre de microbilles de tailles supérieure à 50 µm directement sur le terrain, tout en présentant un faible coût, une taille réduite, une basse consommation de puissance, et une simplicité de conception et d'opération qui maximise le potentiel de l'impression 3D et de la fabrication industrielle de circuits imprimés. Un exemple est offert afin de démontrer les capacités du capteurs pour de larges échantillons, avec un jeu de données contenant 2380 microbilles détectées de tailles entre 50 µm et 90 µm. / To this day, a couple of biosensors have been proposed to quickly and easily measure the features and properties of individual microorganisms member of an heterogeneous population, but none of these approaches were adequate candidates to perform measurements directly in the field. Biosensors for micron-scale organisms generally require extreme sensitivity or specificity, which are difficult to combine with a portable general device. This study proposes a portable device based on Impedance Flow-Cytometry that can detect and quantify directly in the fields the size and velocity of microbeads of size bigger than 50 µm, while boasting a low cost, low size, low power, and simplicity of design and operation utilizing the potential of 3D-printing and industrial PCB fabrication. An example is provided for a Big Data application from a sampled dataset containing 2380 successfully detected microbeads of sizes between 50 µm and 90 µm.

Les substances humiques sont des macromolécules possédant de nombreux sites pouvant chélater les métaux. De petites molécules organiques de faibles masses molaires leur sont associées. Bien que minoritaires, elles sont plus mobiles dans les sols et constituent un vecteur essentiel dans le transport des métaux. Les spectroscopies UV - visible et de fluorescence ont permis de déterminer la composition et la stabilité des complexes formés entre l'acide caféique et Al (III) en milieu aqueux à pH 5 et 6,5. On constate qu'une augmentation de pH favorise les complexes de haute stoechiométrie. La complexation d'Al (III) par l'acide humique et la compétition entre cette macromolécule et l'acide caféique ont également été étudiées. Lors de la complexation du métal sur l'acide humique, l'extinction de la fluorescence a permis de déterminer la constante de Stern Volmer. Une interaction entre les deux acides ainsi qu'un partage d'Al (III) pour arriver à un état quasi équilibré ont été observés.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le travail sur le ZnO:Co rapporté dans ce manuscrit, donne une meilleure compréhension des interactions d'échange dans ce composé. La question des interactions spin-spin dans les DMS est abordée à la fois sur le plan théorique et expérimental. Du point de vue théorique, le modèle du superéchange d'Anderson a été utilisé et étendu, afin d'obtenir les valeurs des constantes d'échange sur l'ensemble de la série des DMS II-VI dopés Mn ou Co. Du point de vue expérimental, la combinaison inédite de trois méthodes expérimentales, la diffusion inélastique de neutrons (ou INS), la résonance paramagnétique électronique (ou EPR), et la méthode de mesure des marches d'aimantation sous champ magnétique intense (ou méthode MST), a permis d'établir, pour la première fois, la valeur des dix plus grandes constantes d'échange du ZnO:Co.Les observations faites par INS permettent de mettre en évidence de façon directe une très forte anisotropie spatiale concernant l'intégrale d'échange des premiers voisins. On établit ainsi J(1)=-25,6K et J(2)=-8,5K, correspondant respectivement à la paire des premiers voisins dans le plan (ab), et à la paire des premeirs voisins hors de ce plan. Ce résultat s'explique, en partie, par la présence dans la structure wurtzite d'une contribution ferromagnétique dans le calcul du superéchange, issue d'un chemin formant une boucle et faisant intervenir deux anions distincts.Les mesures effectuées par EPR et par MST permettent d'établir les constantes d'échange entre voisins à plus grande distance. Ainsi, on obtient: J(3)=-1,07K , J(4)=-0,38K , J(5)=0,35K , J(6)=0,17K , J(7)=-0,16K , J(8)=-0,04K , J(9)=-0,03K , |J(10)|=0,013K. / The work performed on ZnO:Co enables a better understanding of exchange constants. The question of the spin-spin interactions in the Diluted Magnetic Semiconducteur (DMS) is studied from both theoretical and experimental approaches. On the théoretical side, a exchange constants for all the II-VI series doped Mn et CO. On the experimental side, the use of three techniques, Inelastic Neutron Scattering (INS), Electron Paramagnetic Resonance (EPR), and the Magnetization Steps (MST) method, has made it possible to establish, for the first time, the ten largest exchange constants in ZnO:Co.The INS experiments show, in direct way, astrong spatial anisotropy of the nearest enighbor exchange integral J(1)=-25.6 K and J(2)=-8.5 K. This result can be explained, in part, by the presence, in the wurtzite structure, of a looped exchange path which involves two distinct anions and is ferromagnetic. To justify this explanation, our model was expanded to cover the entire II-VI series doped Mn and Co. The concurrent results, for the complete series, between the known experimental data and the theoretical exchange values permit the justification and the validation of our hypotheses.The measures performed by EPR and MST enable, for their part, the establisment of the distant neighbor exchange constants. the two techniques give complementary information, and make it possible to directly observe the exchange constants of ZnO:Co going from the third to the tenth largest value, J(3)=-1.07 K ,J(4)=-0.38 K , J(5)=+0.35 K , J(6)=+0.17 K , J(7)=-0.13 K , J(8)=-0.04 K , J(9)=-0.03 K , |J(10)|=0.01 K.