Ce mémoire se penche sur les propriétés photophysiques de différents complexes métalliques, particulièrement leur changement de structure moléculaire, leur état fondamental ainsi que leur état émissif par spectroscopie Raman et de luminescence. Ces techniques spectroscopiques peuvent être utilisées pour détecter et suivre des changements, comme des transitions de phase structurales. Pour ce mémoire, quatre composés seront étudiés par spectroscopie. Le premier est un composé de nickel(II) ayant un ligand azoture pontant, dont l’agencement spatial change avec une diminution de la température, cette dernière causant un changement dans la susceptibilité magnétique du composé. Les spectres obtenus montrent bel et bien un changement abrupt dans le pic du cisaillement du ligand azoture aux environs de 210 K. Les mesures à pression variable montrent également un changement soudain, entre 1 bar et 1,1 kbar. Le deuxième composé contient deux centres de manganèse(II) ayant chacun une coordination inhabituelle de sept, ce qui n’est pas souvent observé. Il s’avère que la spectroscopie Raman n’est pas assez précise pour mesurer un changement dans ce composé. Tous les déplacements de maxima des bandes mesurés se retrouvaient dans un intervalle de 1 cm-1 ; la résolution de l’appareil limite la confirmation s’il y a bel et bien une transition de phase. Les spectres de luminescence ne montrent pas de changement évident non plus. Le troisième composé est un complexe de platine plan carré qui possède des interactions platine(II)-platine(II), et qui montre un spectre de luminescence. Des complexes similaires ont déjà été étudiés par d’autres membres du groupe de recherche; il s’agit donc de compléter la banque de résultats et de comparer avec les données connues. Les résultats ne montrent aucun déplacement dans la transition, mais un amincissement du pic, ce qui est comparable aux données antérieures. Le quatrième composé est également un complexe de platine(II) plan carré, qui montre un spectre de luminescence. Un composé similaire a déjà été étudié par un étudiant de notre groupe de recherche, en rapportant un changement soudain dans le pic de luminescence. Les spectres mesurés montrent un changement de structure, qui se fait de manière graduelle plutôt que soudainement. Ce mémoire est donc axé sur la spectroscopie Raman et de luminescence à températures et pression variables. Les spectres mesurés, notamment les déplacements des maxima, donnent de l’information sur des changements de structure, de l’état fondamental et de l’état émissif. / This master’s thesis is focused on the vibrational spectroscopy of coordination compounds displaying or undergoes spatial or structural changes as well as variations in their ground state and their emitting state, studied via Raman and luminescence spectroscopy. These spectroscopic techniques can be used to detect and observe various changes, such as phase transitions. In this thesis, four compounds will be studied. The first one is a nickel(II) compound featuring azide bridging ligand, whose spatial arrangement changes by lowering the temperature, causing also a change in the magnetic susceptibility of the compound. The spectra we measured show clearly a sudden change in the scissoring vibration for the azide, at temperatures around 210 K. The variable pressure data we collected also show a sudden change between 1 bar and 1,1 kbar. The second compound contains two manganese(II) centers, both having a coordination number of seven, which is rarely seen for this metal center. Raman spectroscopy isn’t accurate enough to detect any structural changes. Any changes of band maxima were under 1 cm-1, at the limits of the instrument’s resolution. Luminescence graphs do not show anything in particular. The third compound is a square planar platinum(II) complex showing platinum(II)-platinum(II) interactions, influencing its luminescence spectrum. Similar complexes have already been studied by other members of this research group; this research will therefore add results to those we already have, and will be compared to these results. The results don’t show any transition, but the peaks are narrowing at low temperature, a behaviour similar to other systems. The fourth compound is also a square planar platinum(II) complex showing a luminescence spectrum. A similar complex has already been studied by a student in this research group, reporting a sudden shift in the luminescence peak. The spectrum shows indeed a structural change, but this change is gradual instead of sudden. This thesis is focusing on variable temperature and pressure Raman and luminescence spectroscopy. The experimental spectra show information about structural change, fundamental state and emissive state.

L’objectif de ce projet est d’étudier l’influence de nanoparticules d’argent intégrées dans une matrice organosiliciée sur l’organisation de la fibronectine. L’argent étant connu depuis des siècles pour ses propriétés antibactériennes, l’étude de l’adsorption de protéines au contact de ces nanoparticules est essentielle en vue d’une utilisation dans le domaine biomédical. Dans un premier temps, les nanoparticules ont été intégrées dans une matrice organosiliciée, le tout synthétisé par plasma à basse pression. La présence d’argent dans le plasma durant le dépôt a été analysée par spectroscopie d’émission optique. Puis, la fibronectine a été adsorbée sur les surfaces pour étudier l’influence des nanoparticules. Les surfaces ont été caractérisées par différentes techniques notamment par spectroscopie photoélectronique par rayons X pour identifier la présence d’argent et de la fibronectine. La rugosité des surfaces a également été analysée par microscopie à force atomique et des mesures d’angle de contact dynamique ont été réalisées. Enfin, pour quantifier la fibronectine sur les surfaces et pour connaître l’organisation de la protéine, des tests ELISA ont été effectués. / The objective of this project is to study the influence of silver nanoparticles embedded in an organosilicon matrix on the fibronectin organization. Silver is known for its antibacterial properties for several centuries, the study of protein adsorption in contact of these nanoparticles is essential for a use in biomedical field. First, nanoparticles were embedded in an organosilicon matrix, all synthetized by low-pressure plasma. Presence of silver in the plasma during the deposition was analyzed by optical emission spectroscopy. Then, fibronectin was adsorbed on the surfaces to study the influence of silver nanoparticles. Surfaces were characterized by different methods, especially by X-ray photoelectron spectroscopy to identify the presence of silver and fibronectin. Roughness of the surfaces was analyzed by atomic force microscopy and dynamic contact angle measurements were realized. Finally, to quantify the fibronectin adsorbed on the surfaces and to know the protein organization, ELISA tests were performed.

The use of Process Analytical Technology (PAT) is nowadays well spread throughout the pharmaceutical industry, mostly because they allow gaining useful process insight, better monitoring throughout the manufacturing steps, lowering costs associated with the use of wet-chemistry based testing method, and increasing overall efficiency. Most of the PAT methods are based on multivariate predictive models (MVPM).The calibration of such MVPM is a step crucial to the success of the MVPM-based PAT method development. From what could be gathered of today's practices in MVPM calibration, the current trends are aligned on the mantra"the more the better". This means that best-practices suggest that using more calibration points, with more samples, manufactured as closely as possible to the commercial samples, with more precise measuring reference methods, will lead to a more precise, better performing MVPM-based PAT methods. Obviously, it also leads to a costlier and longer to develop method, thus limiting the potential applications as well as lowering the overall gain to expense ratio of these methods.The aim of this work was to investigate the development protocol of MVPM-based PAT methods in order to identify the factors that were most susceptible to influence the performances of the developed method, with the ultimate goal to propose an optimized protocol. A base case of MVPM-based PAT method was used to perform the assessment: the use of Raman spectra collected from intact pharmaceutical tablets to predict their content in 4 minerals and 1 vitamin. From this development case study, two minerals were chosen to be part of the investigation: one that was in high concentration in the product and one that was in low concentration. Eight (8) factors were identified and tested separately on the two data sets created.The tests were guided by a design of experiment that allowed optimizing the total number of predictive models that needed to be made, all the while retaining sufficient data to allow minimal confusions within second-order factorial interactions. Analysis of results gathered from more than 85 multivariate predictive models allowed identifying factors that had an influence on both type of calibration (high and low raw material concentration).The type of equipment and batch size used for calibration samples manufacturing, as well as the number of points and replicates use (to a certain extent) or the calibration algorithm and reference method did not influence the MVPM accuracy when dealing with highly concentrated raw material. For a low-concentration raw material, the significant factors were the type of equipment and number of calibration points used. In both cases, the distribution of the calibration points along the chosen concentration span showed a significant influence on the method performances. Having identified the factors influencing the MVPM-based PAT method, an optimized protocol for future development could be proposed. Using this alternate approach should reduce the required invested man- and lab-time by approximately 30 %. A 31 % reduction in development-related costs is also expected. These results can be achieved with a manageable accuracy decrease varying between 0 and less than 2 % (absolute values), depending on the type of raw material concentration monitored. This study fills a gap in the published literature. No extensive and comprehensive studies had been made, to the author's knowledge, regarding the overall development process of such MVPM-based methods. Several hints for future research and developments are also proposed to follow-up with this project.

Le contrôle de la qualité est une étape critique lors de la fabrication de produits pharmaceutiques. Pour accomplir cette tâche, différentes méthodes de laboratoire peuvent être utilisées, mais celles-ci sont habituellement coûteuses et exigent beaucoup de temps. Une alternative suggérée par l'agence réglementaire Food and Drug Administration est l'utilisation d'outils permettant l'analyse en continu, dont entre autres les outils spectroscopiques comme le proche infrarouge par exemple. Une des applications de cette technologie est le suivi de l'humidité d'une poudre pharmaceutique lors de son séchage dans un lit fluidisé. Une sonde à réflectance, qui est attachée au spectromètre, est insérée dans le bol du lit fluidisé et des spectres sont acquis tout au long du procédé. L'interprétation des spectres obtenus nécessite toutefois l'application de l'analyse multivariée et l'utilisation de plusieurs tests statistiques. Une courbe de calibration peut ainsi être construite et être utilisée au lieu des tests réalisés au laboratoire. Néanmoins, les paramètres critiques du spectromètre peuvent influencer la performance de la courbe de calibration bâtie. Par ailleurs, les articles publiés sur le sujet d'intérêt mentionnent que l'emplacement de la sonde, c'est-à-dire son angle et sa hauteur dans le bol, est critique pour l'obtention d'une acquisition spectrale de qualité. Or, aucun article n'a été publié sur la détermination de cet emplacement optimal et aussi sur le type d'embout à utiliser pour s'assurer d'une bonne lecture spectrale. Tout d'abord, des courbes de calibration ont été construites pour deux produits différents, soient un supplément vitaminé et un anti-inflammatoire. La méthodologie utilisée pour ces modélisations chimiométriques était innovatrice, car seulement des échantillons provenant de l'usine étaient utilisés et les spectres acquis avec le spectromètre étaient répliqués pour chaque échantillon collecté. Par la suite, un embout permettant une acquisition spectrale de qualité a été conçu et le nombre moyen de scans/spectre a été déterminé. En ayant fixé ces deux paramètres, la performance de la courbe de calibration construite pour le supplément vitaminé a été évaluée dans le lit fluidisé dans un environnement de production. Enfin, des plans d'expériences réalisés dans le lit fluidisé au laboratoire avec les deux produits ont permis d'évaluer l'effet des paramètres critiques du spectromètre sur les performances des courbes de calibration. Les tests statistiques effectués sur les deux courbes de calibration montrent de bonnes corrélations entre les prédictions par le spectromètre et les valeurs de référence. Par ailleurs, les essais réalisés dans un environnement de production ont démontré qu'un embout comportant une cavité permettant à la poudre de se stabiliser ainsi qu'un faible nombre de scans/spectre assurent une acquisition spectrale de qualité. Uniquement la courbe de calibration construite pour le supplément vitaminé a été évaluée dans un environnement de production ; le modèle chimiométrique réussit à bien prédire la fin de séchage. Enfin, les conclusions obtenues suite aux plans d'expériences réalisés dans le lit fluidisé au laboratoire ne peuvent pas être généralisées à différents produits. Il a aussi été démontré qu'il est difficile d'acquérir des spectres en mode dynamique et d'interpréter les résultats associés aux réplicas d'essais. Des travaux futurs sont suggérés pour investiguer certaines questions suscitées par cette recherche.

The short answer to the title question is: "a lot". It was transient absorption spectroscopy on geminate recombination in myoglobin that led Hans Frauenfelder to constructing his picture of protein's hierarchical energy landscape [1]. And even before that (in 1973), Joseph Lakowicz and Gregorio Weber at UIUC used quenching of tryptophan fluorescence by oxygen diffusing to solvent-inaccessible protein regions to conclude that "proteins, in general, undergo rapid structural fluctuations on the nanosecond time scale " [2]. The not-so-short answer is that the present text is written at a point where, after a decade of applying transient absorption spectroscopy to understand light induced electron transfer in a variety of enzymes, I am about to change the angle of attack and ask how these techniques and enzymes could be of help to solve some problems that are addressed in the IBS environment, namely protein dynamics, both structural and functional. It is for this reason that the answer will have to be delayed to the third and final part of this opus, "future", that deals with the perspectives. Meanwhile, the first part, "past", will be dedicated to showing on the example of the "paradigm" enzyme -DNA photolyase (the yellow egg hereunder)-, what transient absorption spectroscopy is capable of and the middle part, "present" dresses a short review into various experimental approaches currently used to obtain insight into protein dynamics. In the final section, I will delineate ways how optical spectroscopy could interact with projects existing or emerging in the protein dynamics community at IBS and thus contribute elements of an answer to the title question.

Ce travail de thèse s'articule autour des phénomènes d'exaltation de la diffusion Raman grâce aux propriétés optiques des métaux nobles (Or et Argent). Des expériences de Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS : Surface Enhanced Raman Spectroscopy) et de Spectroscopie Raman Exaltée par sonde locale (TERS : Tip Enhanced Raman Spectroscopy) ont permis l'exploration des ces phénomènes. Le premier volet de ce travail a consisté en la préparation de substrats « SERS-actifs » et en l'analyse de leurs pouvoir exaltant. Trois types de substrats ont été élaborés au laboratoire afin d'étudier les paramètres d'influence (structuration de la surface, longueur d'onde et polarisation de la lumière incidente, nature du métal, etc...). Le second volet du travail a été consacré à la mise en place d'un dispositif TERS. La conception des pointes métalliques a fait l'objet d'une attention particulière. De plus, un module a été élaboré afin d'associer un système de nano-positionnement de la pointe à un Raman confoncal commercial. Ce module a aussi été conçu pour permettre de focaliser le faisceau laser à l'extrémité de la nano-sonde métallique. La conception des outils ainsi que la compréhension des résultats expérimentaux sont corrélés à une analyse numérique. Les sources électromagnétiques (plasmons de surface et effet de pointe) de l'amplification de la diffusion Raman sont étudiées avec l'appui de simulations numériques par la méthode des éléments finis. Enfin les aspects chimiques des phénomènes d'exaltation sont abordés par DFT (Density Functiunal Theory).

L'imagerie optique de fluorescence permet de localiser des cibles biologiques comme des tumeurs, marquées par des fluorophores. Pour des applications au diagnostic chez l'Homme où l'épaisseur des tissus atteint plusieurs centimètres, la détection parasite de l'autofluorescence naturelle des tissus compromet la détection de la fluorescence d'intérêt et son élimination est la condition sine qua non d'une localisation correcte de la tumeur. L'objet de cette thèse a été l'étude spectrale de l'auto fluorescence des tissus et la mise au point d'une méthode de séparation de spectres aveugle permettant de supprimer sa contribution des mesures. La Factorisation en Matrices Non-négatives a été privilégiée, et de nouveaux algorithmes ont été proposés et testés sur données réelles. Nous avons démontré les performances de notre méthode dans l'amélioration de la détection des marqueurs et la reconstruction de la position de la tumeur en tomographie optique diffuse de fluorescence.

Mon travail de thèse se place dans le contexte dynamique de la détection directe des compagnons de faible masse (naines brunes, planètes extrasolaires) dans le but de caractériser leurs propriétés physiques et chimiques et de comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. Cette recherche requiert l'emploi de techniques d'observations à haut contraste et à haute résolution angulaire pour résoudre l'environnement proche des étoiles et ne pas être limité par leur flux. Dans ce cadre, j'ai eu la chance de participer à des campagnes d'observations pour tenter de détecter de nouvelles sources. J'ai élaboré un ensemble d'outils de traitement et d'analyse des données pour extraire les spectres et les flux des objets dans des bandes photométriques. Enfin, j'ai utilisé ces informations pour étudier les propriétés physiques (rayon, masse, âge) et atmosphériques (composition, température effective, gravité de surface) de ces objets. La première partie de ce manuscrit se focalise sur la détection par imagerie des compagnons de faible masse jeunes (< 100 millions d'années). Je décris un ensemble d'outils de réduction et d'analyse, spécifiques à la technique d'imagerie angulaire différentielle, que j'ai mis en place. Ces outils ont été utilisés sur des données provenant de l'instrument NaCo situé au Very Large Telescope (Chili). Ils ont permis de re-détecter la planète extrasolaire β Pictoris b. Ce compagnon est le plus proche de son étoile de toutes les exoplanètes détectées directement. Cette découverte fournit la preuve directe que des planètes géantes se forment en moins de 12 millions d'années à l'intérieur de disques. Je présente enfin l'analyse complémentaire que j'ai mené pour initier la caractérisation de cet objet particulier. Le second volet de mon travail, présenté dans la deuxième partie du manuscrit, est axé sur la détermination des propriétés spectroscopiques dans le proche infrarouge (1.1-2.5 µm) des objets de faible masse jeunes. Ce travail à débuté par l'optimisation et le développement d'outils de traitement et d'analyse des données du spectrographe intégral de champ SINFONI assisté par optique adaptative. Les efforts déployés ont permis d'analyser le spectre du compagnon naine brune/exoplanète AB Pic b. Ce travail s'est poursuivi par la construction d'une bibliothèque de spectres d'objets jeunes. Cette bibliothèque fournie un ensemble de spectres de référence pour l'étude des compagnons détectés. Elle apporte des contraintes inédites sur les dernières générations de modèles d'atmosphère froids. Enfin, j'ai tiré parti de l'expérience acquise sur les instruments NaCo et SINFONI pour caractériser le système binaire TWA 22AB qui pourrait calibrer les modèles d'évolution des objets de faible masse.

Les conséquences économiques, politiques et environnementales de la consommation énergétique galopante de nos sociétés nécessitent le développement d'énergies renouvelables. Le dihydrogène est un des principaux candidats à ce poste. Sa production par électro- ou photolyse de l'eau est réalisée par des catalyseurs métalliques. Dans le processus de la photosynthèse, cette réaction est réalisée par un agrégat d'ions manganèses liés par des ponts oxo, selon un mécanisme qui reste inconnu. Le développement de nouveaux catalyseurs de coût plus faible nécessite la compréhension des mécanismes fondamentaux de la réaction d'oxydation de l'eau. Notre travail de thèse a consisté à étudier les étapes élémentaires de cette réaction, à savoir, l'activation d'une molécule d'eau par des complexes de manganèse. Nous avons étudié pour cela la formation par voie électrochimique de complexes mononucléaires manganèse(IV) et (V)-oxo. Le premier chapitre traite de la problématique environnementale et énergétique actuelle. Le second chapitre décrit les éléments fondamentaux de la chimie du manganèse, ainsi que la structure et le fonctionnement de l'enzyme responsable de l'oxydation de l'eau. Une approche générale de la catalyse artificielle d'oxydation de l'eau est également présentée, ainsi que les objectifs de nos travaux. Le chapitre trois présente la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle famille de ligands tétradente et des complexes de nickel(II) et de manganèse(III) correspondant. La préparation électrochimique de complexes de nickel(III) et manganèse(V) est présentée. Le chapitre quatre décrit la préparation d'un complexe mononucléaire manganèse(IV)- oxo par oxydation électrochimique d'un complexe manganèse(II)-aqua. Le complexe de manganèse(IV), ainsi que certains intermédiaires de manganèse(III) ont été caractérisés par différentes techniques spectroscopiques. Le chapitre cinq présente la synthèse d'une famille de ligands pentadentes et des complexes de manganèse(II) et (III) correspondant. La formation électrochimique de deux complexes de manganèse(IV) mononucléaire et (III/IV) dinucléaire nous renseigne sur les critères régissant la nucléarité au sein d'une même famille de ligands. Le chapitre six présente la synthèse d'un ligand possédant une double cavité, pour l'élaboration de complexes dinucléaires de manganèse en face-à-face.

<p align="justify">L'étude des phénomènes physico-chimiques de l'atmosphère nécessite la connaissance préalable des caractéristiques de chacun de ses constituants, ainsi que de leurs distributions spatiales et temporelles. Les méthodes spectroscopiques permettent la détection simultanée de nombreux constituants atmosphériques par la mesure quantitative de leurs absorptions. Dans le domaine UV-visible, ces techniques se basent sur la loi de Beer-Lambert, dont l'application nécessite la connaissance d'un spectre de référence exempt d'absorption. Il est impossible d'obtenir un tel spectre dans le cas des mesures atmosphériques. On a alors recourt à la technique dite de spectroscopie d'absorption différentielle (Differential Optical Absorption Spectroscopy) qui analyse les composantes des absorptions variant rapidement en fonction de la longueur d'onde.</p> <p align="justify">Trois instruments ont été développés dans le cadre de ce travail pour la mesure par spectroscopie d'absorption différentielle dans le domaine UV-visible. Le premier utilise un spectromètre par transformée de Fourier, les deux autres des spectromètres à réseau associés soit à une barrette de photodiodes soit à un détecteur de type CCD. Ces instruments ont été conçus dans le but de fournir des mesures de divers constituants (03, SO2, NO2, HNO2, H2CO, toluène, benzène) de manière automatique et en utilisant des trajets d'absorption courts ( < 1 km). Les performances de chacun de ces instruments ont été évaluées au cours de différentes campagnes de mesure. Le spectromètre par transformée de Fourier s'avère être un outil performant pour de telles mesures, son principal avantage étant de posséder une calibration en longueur d'onde interne, précise et reproductible. Les instruments utilisant un spectromètre à réseau associé à un détecteur multi-éléments présentent un certain nombre d'inconvénients rendant peu aisées les mesures troposphériques sur de courtes distances. Ces inconvénients sont liés soit au spectromètre ( calibration en longueur d'onde externe, modification de celle-ci au cours du temps) ou aux détecteurs ( gains différents pour chacun des éléments sensibles du détecteur, phénomènes d'interférence au niveau des fenêtres de protection). Ces problèmes augmentent la complexité de l'analyse des spectres atmosphériques.</p> <p align="justify">Un paramètre d'importance primordiale pour la détection d'un polluant, est sa section efficace d'absorption. Nous avons mesuré la section efficace de trois molécules d'intérêt atmosphérique, SO2, CS2 et NO2. Ces spectres ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre par transformée de Fourier, aux résolutions de 2 et 16 cm-1. La dépendance vis-à-vis de la température a été confirmée dans le cas du NO2. Pour cette molécule, un effet de pression a en outre été observé pour la première fois dans le domaine spectral 12000 20000 cm-1 (500-830 nm). Cet effet est important et peut engendrer des variations de 45% de l'intensité de la section efficace lorsque la pression partielle de NO2 varie de 0.02 à 1.0 torr. L'influence du choix des sections efficaces sur les mesures stratosphériques de NO2 a également été mise en évidence. L'utilisation de sections efficaces obtenue à basse température (220 K) implique une diminution de 20% de la quantité de NO2 mesurée mais également une diminution de l'erreur sur cette mesure. Ceci indique la nécessité de tenir compte de la dépendance des sections efficaces de NO2 à la température lors de l'analyse de spectres stratosphériques.</p>