The quality of food is an increasingly important matter of concern in Europe. The feeding stuffs poisoning episode that occurred in Belgium in May 1999 pointed out the vulnerability of the food chain and the lack of appropriate monitoring. Polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs) and polychlorobiphenyls (PCBs) were the key contaminants involved. This has triggered new EU legislation, including maximum and action limits for relevant food and feed products as well as requirements for analytical method used to verify compliance. Large monitoring programs to test food and feed have been launched and, in many countries, efforts to monitor dioxins and related compounds strongly increased. To cope with the large number of samples statistically required for monitoring, the recommanded strategy involves the use of screening methods based on low resolution mass spectrometry (LRMS) and/or bio-assays, and high resolution mass spectrometry (HRMS) method, used to bear out their presence. Major analytical challenges had to be met to face with the large number of samples including the authoritys requests on developing screening and alternative methods for monitoring programs of PCDD/Fs and PCBs in food and feed. The first part of this document is devoted to the development of an alternative LRMS-based method for PCDD/Fs and PCBs measurement in food and feed. The second part of this thesis is an answer to the basic questions commonly addressed to all analytical chemists developing method but here in a particular context due to very specific family of compounds involved: How to make sure that my method is able to achieve sufficient accuracy on results? Are there any analytical benchmarks available for validation purposes? How to evaluate measurement uncertainty expressed in toxic equivalent (TEQ) units? How to report results right? How can the proficiency of my laboratory be measured? To ensure the quality of data obtained, laboratories in charge of the food control on PCDD/Fs and dioxin-like PCBs encounter a number of severe problems. One has to mention the lack of sufficient and reliable certified reference materials that are necessary to validate methods, too scarce data available on current analytical method performances, and the absence of quality criteria approach for analytical method. During the course of this work, I contributed to answer these questions to the general analytical effort by providing useful tools and methodologies. At that time, straightforward answers could not be found in the scientific literature. One of the reasons was the scarce data of dioxins in food and feed available. One can also mention the unusual part the dioxins play in chemical analysis. Indeed, the main features that characterize a dioxin measurement are the low levels at which these compounds occur in biological samples (sub parts-per-trillion), levels that are currently not explored by any other applications in chemical analysis in the food sector and therefore the difficulty to cope with precision models available; the reporting of results expressed in total tetrachloro dibenzo-p-dioxin (TCDD) toxic equivalent concentration for compliance assessment with statutory limits; and, what necessarily follows from the decision-making: the statement of the uncertainty interval also expressed in toxic units. To answer the foregoing questions in an international frame, notions such as validation of analytical procedures, fitness for purpose, internal quality control, interlaboratory studies, proficiency testing, measurement uncertainty, traceability had to be introduced. They are all encompassed in the analytical quality assurance management a laboratory should implement. These concepts are strongly connected to statistical techniques. This branch of analytical chemistry that consists in extracting relevant information from data using statistical and mathematical methods adapted to the specific needs for the chemists is called chemometrics. Quality is an essential preoccupation of chemometrics but it cannot be only limited to these aspects. Chemometrics relates also to other topics such as experiments and experimental design methodologies, (new) knowledge about chemical systems. Chemometrics and quality This thesis treats several aspects and new approaches of quality assurance for an ultra-trace contaminant laboratory: external method validation through interlaboratory studies and estimation of repeatability, reproducibility and trueness using simple statistics based on normal distributions (ISO 5725) but also more complex statistical tests for heavily tailed, skewed or even bimodal distributions; the production and the use of a reference material for internal validation and internal quality control (QC) purposes; advanced statistics in quality control chart and multi-level control charts for sensitive detection of bias; proposal of quality criteria for assessment of proficiency of dioxin laboratories; proposal of benchmark precision for internal validation purposes; estimation of measurement uncertainty. The thesis is divided in the following chapters: Chapter 1 is a general introduction for dioxins and related compounds. It consists of a brief introduction to general characterization, mechanism of toxicity, human exposure and European legislation in food and feed. Chapter 2 provides an overview of the analytical procedures for mass spectrometry based methods. It gives a brief summary of the most frequently used techniques to extract and purify PCDDs, PCDFs and dioxin-like PCBs (DL-PCBs) from food and feed matrices. Regarding detection, special attention of the principles of detection and quantification by HRMS in selected ion monitoring mode (SIM) and the quadrupole ion storage low resolution mass spectrometer in MS/MS mode is addressed. Chapter 3 discusses the development and optimization of a large volume injection (LVI)-gas chromatography (GC)-ion trap MS/MS method as an alternative to GC-HRMS for the measurement of PCDD/Fs in food and feed. Instrumental detection limits were lowered by a factor 2 to 3 with the development, in collaboration with the manufacturer, of a system of damping gas pressure inside the trap that improves precursor ions trapping efficiency. We achieved 5:1 signal to noise with the injection of 200 fg of 2,3,7,8 TCDD. With slight adjustments to sample size and final extract volume, we demonstrated on QC samples the good agreement between this method and the reference GC/HRMS method for PCDD/Fs and DL-PCBs in food and feed. In chapter 4, the first European inter-laboratory study on dioxins, furans and dioxin-like PCBs using the HRGC/HRMS method in animal feed samples is described with two main objectives. The first objective was to produce a reference material for internal validation and QC purposes. The second objective was to assess the analytical performances of the GC-HRMS method close to maximum levels as no data were available at that time and to check whether EU directives requirements were met. Chapter 5 is a general discussion on the capability of the state-of-the-art HRGC/HRMS method to provide reliable results at decreasing maximum levels. Levels have to decrease according to EU policy regarding human exposure to those contaminants. In this case, we present the issue from a different angle, i.e. the analytical point of view for the future establishment of target levels. Based on the results of PCDD/Fs and DL-PCBs interlaboratory study in animal feedingstuffs described in chapter 4, we demonstrated for the sum of the 17 PCCD/Fs toxic congeners that reliable results can be easily provided up to a value of 0.17 ng WHO-TEQ/kg. The ability to reliably quantify a minute trace of these contaminants has been pointed out with the aim of providing an analytical benchmark for the future establishment of target dioxin levels in animal feedingstuffs. Hence, both analytical and toxicological aspects should be examined together to set realistic target levels achievable for most dioxin laboratories involved in monitoring programs. One of the central themes of this thesis is the establishment of an empirical relationship between reproducibility standard deviation and the dioxin congeners level in food and feed. Chapter 6 deals with raw data from numerous performances interlaboratory studies of PCDD/Fs and DL-PCBs in food and feed. Striking linear functions in log scale between reproducibility standard deviation and congeners level over a concentration range of 10-8 to 10-14 g per g fresh weight were observed. The data fit very well to a Horwitz-type function of the form sR = 0.153c0.904, where sR and c are dimensionless mass ratios expressed in pg/g on fresh weight, regardless of the nature of the toxic congeners, food and feed matrices, or sample preparation methods. I called this relationship the dioxin function. One of the main features of the dioxin function could be its use as a suitable fitness-for-purpose criterion for dioxins and related compounds in proficiency testing (PT) exercises. We illustrated its use with practical example with data from the largest international PT in this field. Another application is its use as benchmark precision criteria for internal validation. Chapter 7 discusses the role of internal quality control (IQC) to monitor analytical processes. Introducing new QC methods derived from the industrial practice to analytical chemistry, improving data evaluation and allowing to detect shifts or trends, are elements that are difficult to point out with classical approach (Shewhart chart). The importance of ARL (average run length) as a key-criteria of the efficiency of a quality control procedure will be emphasized. The introduction of the multivariate approach of multilevel control with the Hotelling's T2-test will lead to a better detection of random errors than the independently managed conventional Shewhart charts. Moreover, the Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) will offer a flexible tool for detecting the inacurracy of a method, especially where small shifts or bias are of interest. All these concepts, recently introduced in clinical chemistry, were applied here for the monitoring of PCDD/Fs and DL-PCBs in food and feed. Chapter 8 introduces the concept of measurement uncertainty (MU). Three top-down approaches for uncertainty estimation are proposed on the example of the GC-HRMS method for PCDD/Fs and DL-PCBs in various food and feed matrices: the approach which combines long-term precision and trueness data to obtain an estimate of MU (Barwick and Ellision method); the approach which uses the reproducibility estimate from interlaboratory-studies as uncertainty estimate; the concept of accuracy profile used in the context of validation and internal quality control to assess MU. Chapter 9 presents a general conclusion

La couronne de Mars est la partie extrêmement tenue son atmosphère située au-delà de 200km d'altitude. A l'interface entre le vent solaire et la haute atmosphère, cette région conditionne la perte de matière à l'échelle globale et sur des périodes géologiques. Ce travail de thèse concerne la modélisation de la formation de la couronne de particules neutres suprathermiques, d'une part, et d'autre part, l'étude expérimentale et la modélisation d'un dispositif de caractérisation de ses composés. Les particules de la couronne sont crées par recombinaison dissociative des ions O2+ et CO+, et par criblage de la haute atmosphère par des ions pick-up O+. Leur création ainsi que leur transport ballistique sont simulés dans une atmosphère à symétrie sphérique, suivant une approche particulaire du type Monte-Carlo. Les collisions et le partitionnement de l'énergie lors des dissociations sont traitées grâce à un modèle de dynamique moléculaire. Les sorties de ce modèle permettent de décrire la couronne en incluant ses composés lourds tels que le CO2 et le CO. Elles permettent également de définir les spécifications d'un spectromètre de masse dédié à la mesure de ces populations de particules. Cette mesure nécessite l'emploi de sources d'ionisation à très grande luminosité. Une caractérisation physique des sources d'électrons envisagées (basées sur l'effet de champ), qui sont des cathodes à micropointes et à nanotubes de carbone, est effectuée à partir d'un analyseur d'énergie hémisphérique à potentiel retardateur. Les paramètres obtenus sont ensuite utilisés pour déterminer la sensibilité de la source nécessaire à la mesure. Le simulation numérique du spectromètre est également abordée.

La spectrométrie de masse de type MALDI-TOF vient d'être largement adoptée dans les laboratoires de microbiologie clinique, qu'ils soient de ville ou hospitalier. Le MALDI-TOF est maintenant utilisée en routine pour l'identification des micro-organismes. Les micro-organismes sont identifiés en quelques minutes à un coût minime et avec une meilleure précision qu'en utilisant les méthodes conventionnelles. Le MALDI-TOF permet une identification microbienne révolutionnaire mais il ne permet pas aisément la détection de résistances aux antimicrobiens ou de facteurs de virulence. Le travail de thèse a eu pour objectif d'adresser cette problématique : est-il possible d'identifier, de typer un micro-organisme et de détecter sa résistance ou sa virulence par spectrométrie de masse ? Pour cela, l'utilisation d'une chromatographie liquide conventionnelle couplée à un spectromètre de type triple-quadripôle travaillant en mode SRM a été proposée. Nous avons démontré que la caractérisation complète des micro-organismes était possible à l'aide d'une seule méthode. La preuve de concept a été apportée pour des bactéries à Gram positive, à Gram négative et pour des levures. L'approche a été démontrée pour la détection des mécanismes majeurs de résistance aux bêta-lactamines, aux glycopeptides et aux azolés. La détection de toxines a également été démontrée. Fort de ces démonstrations, une évaluation clinique a été réalisée avec des souches et des hémocultures cliniques. La caractérisation de staphylocoques dorés, une des espèces capitales dans les maladies infectieuses du fait de sa prévalence, de sa sévérité et de sa résistance aux antibiotiques, a été engagée pour illustrer l'intégration de l'approche ESI-MS. La méthode SRM développée a permis en moins de deux heures d'obtenir des résultats en parfait accord avec les méthodes conventionnelles. Ce concept ouvre de nouveaux horizons pour la spectrométrie de masse en microbiologie clinique / Whole cell mass spectrometry based on MALDI-TOF technology has been broadly embraced in clinical microbiology. MALDI-TOF is routinely used for microbial identification. WC-MS is faster, more accurate and cheaper for large laboratories than conventional biochemical tests. MALDI-TOF revolutionizes microbial identification but the selection of the right antibiotic treatment still requires time consuming antibiotic susceptibility testing. Thesis work is dedicated to answer to this problematic : it is possible to perform identification of a micro-organism to the species or sub-species level and to detect its resistance or its virulence by mass spectrometry ? To this purpose, a conventional bore chromatography coupled to a triple-quadripole mass spectrometer in SRM mode is proposed. We show that complete microorganism characterization was possible thanks to only one method. A proof of concept was given for Gram negative, for Gram positive and for yeasts. The approach was extended to major resistance mechanisms to beta-lactamin, to glycopeptides and to azoles. Toxins detection was also proved. Driven by this success, a clinical evaluation was carried out based on strains and blood culture. Staphylococcus aureus was chosen to illustrate ESI-MS approach integration. This common Gram positive commensal bacteria is responsible for both community- and hospital-acquired infections. The developed SRM method allows obtaining results in less than two hours in perfect agreement with conventional methods. This concept opens new horizons for mass spectrometry in clinical microbiology

Cette thèse vise à démontrer la pertinence de la chromatographie en phase supercritique (SFC) et de son couplage à la spectrométrie de masse tandem haute résolution (HRMS/MS) quant à l’étude de produits naturels en mélange complexe. Pour y parvenir trois projets ont été menés en parallèle.Une méthode d’analyse structurale ciblée sur les acétogénines d’Annonaceae a été développée. Le recours à une cationisation post-colonne par des sels de lithium a permis d’obtenir les informations structurales recherchées. Des études ont également été menées quant à l’influence de la nature du cation sur la conformation de l’adduit formé et les voies de fragmentation observées.Une séparation de composés polaires et ionisables a également été mise au point à travers l’étude des nucléosides modifiés de l’ARN. La SFC-HRMS permet la séparation et l’étude d’un grand nombre de modifications et constitue donc un nouvel outil d’analyse pour le biologiste.Pour finir, une étude en lipidomique globale a également été entreprise. Bien que préliminaires, les premiers résultats semblent très prometteurs avec pour but de développer des méthodes d’analyses non ciblées associés à des outils d’annotation automatique.Pour chaque projet, la pertinence de nos approches a été vérifiée par l’étude d’échantillons réels et complexes permettant de tirer des conclusions réalistes quant aux possibilités de la SFC-HRMS/MS pour l’étude de composés naturels. / This PhD work aims to demonstrate the relevance of supercritical fluid chromatography (SFC) and its hyphenation to high resolution tandem mass spectrometry (HRMS/MS) in the field of natural product analysis. Three different research projects were carried out.A new strategy for structural analysis of Annonaceous acetogenins was developed by SFC and targeted HRMS/MS including post-column lithium cationisation to give access to the relevant structural information. Investigations were conducted to observe the influence of cations onto the gas-phase conformation and fragmentation pathways.A separation of polar and ionisable compounds was also developed using modified nucleosides from RNA as models. The SFC-HRMS method led to the separation and analysis of several tens of modifications and demonstrated to be a new performant analytical tool for biologists.Finally, a global lipidomic approach was optimized. Preliminary results look compatible with the development of untargeted approaches using automatic annotation tools.For each project, the relevance of our work was evaluated analyzing complex samples to obtain a realistic point of view of the capabilities for SFC-HRMS/MS systems for natural product studies.

La lectine de Helix pomatia (HPA), extraite de la glande à albumine de l'escargot de Bourgogne et spécifique du résidu GalNAc, appartient à une nouvelle famille de lectine dite de type H. Elle est utilisée depuis plus de vingt ans comme marqueur d'adénocarcinomes (notamment du sein, du colon, du poumon) à fort pouvoir métastatique et donc faible pronostic vital. Son utilisation comme outil de routine en oncologie est, cependant, fortement limitée par son impossibilité à la produire sous forme recombinante. Afin de contourner ces difficultés, des protéines homologues ont été recherchées chez d'autres invertébrés. Deux lectines de type H ont été identifiées chez l'amibe Dictyostelium discoideum (discoidines) et une chez le corail Sinularia lochmodes (SLL-2). Les discoidines sont composées de deux domaines distincts, un domaine C-terminal, spécifique des résidus galactosylés et homologue à HPA et un domaine N-terminal, dit domaine discoidine, de fonction inconnue. Ces travaux de thèse portent, dans un premier temps, sur la poursuite de la caractérisation structurale de la discoidine 1 puis sur la production du domaine N-terminal de la discoidine 2 afin de confirmer la fonction lectine supposée. Dans un second temps, des expériences de microscopie confocale ont montrés que les discoidines ne possédaient pas la capacité d'HPA dans la discrimination des cellules métastatiques par rapport aux non métastatiques. La construction, par mutagenèse, d'une protéine chimérique entre la discoidine 2, très facilement produite dans E. coli, et HPA a alors été entreprise, le but étant de lui apporter la même spécificité qu'HPA. Enfin, la protéine SSL-2 a été clonée et de nombreux essais d'expression sous forme soluble et de purification ont été réalisés en vue de sa caractérisation biochimique et structurale pour sa possibilité d'utilisation comme marqueurs en histopathologie

Ce travail expérimental est consacré à l'étude de l'émission ionique des solides à l'impact d'agrégats d'or d'énergie variant entre 0,15 et 1,25 MeV. La physique des collisions ion-solide et les modèles théoriques de la pulvérisation des solides par bombardement ionique sont présentés dans le chapitre 1. Le chapitre 2 est consacré à la description du dispositif expérimental. L'étude d'une cible d'or, présentée dans le chapitre 3, a permis de montrer le rôle de la taille et de l'énergie des agrégats sur l'intensité de l'émission et la distribution de masse des ions. Le chapitre 4 présente l'étude de l'iodure de césium dans laquelle l'intense émission des agrégats de CsI a pu être quantifiée grâce à des mesures de la multiplicité de l'émission. Le chapitre 5 est consacré à l'étude d'une molécule biologique, la phénylalanine, et d'une molécule de pesticide, le chlorsulfuron. Ce travail met en évidence l'intérêt des agrégats en analyse de surface par spectrométrie de masse.

Nous abordons dans ce memoire deux methodes d'exploration des tissus biologiques. Premierement nous presenterons une technique spectroscopique invasive d'investigation des tissus cerebraux profonds. Cette technique utilisant des sondes optiques en miniature tire partie de la forte retrodiffusion de la lumiere par les tissus biologiques. Ainsi, l'attenuation lumineuse qu'on mesure experimentallement contient des informations non seulement sur les proprietes de diffusion mais aussi sur les concentrations des chromophores qu'ils contiennent. Le resultat est la posibilite d'envisager la mise en oeuvre d'une methode d'observation directe de certains paramatres hemodynamiques dont la saturation tissulaire en oxygene ou la concentration en hemoglobine totale. Deuxiemement nous presenterons une methode d'imagerie des tissus biologiques en particulier de l'oeil: la tomographie optique coherente. Sa technique tire partie de proprietes de coherence de la lumiere. Ainsi, l'interference constructive des faisceux lumineux provenant de deux bras d'un interferometre de type Michelson donne naissance a un signal contenant des informations sur la reflectivite provenant d'un domaine spatial de la cible limite par la longueur de coherence de la source. En utilisant ces bases theoriques nous avons mis en oeuvre un system OCT rapide utilisant un scanner resonant.

On présente une méthode de mesure et de contrôle du nombre d'ondes émises par une diode laser accordable. Apres une analyse de la stabilité en fréquence de la diode on montre comment les interférences sont utilisées pour asservir le nombre d'ondes a la différence de marche stabilisée de l'interféromètre et obtenir des spectres échantillonnés.

La durabilité des assemblages collés du génie civil est abordée à travers deux approches complémentaires aux échelles micro et macroscopiques. La zone interfaciale pâte de ciment / adhésif époxy est d'abord caractérisée par micro-analyse thermique (µTA) et microscopie électronique, ce qui a permis de révéler l'existence d'une interphase polymère (gradient de TG dans l'adhésif à proximité du substrat) et d'une zone de transition (pénétration du polymère dans le substrat). Par ailleurs, l'effet du vieillissement hygrothermique se traduit par la plastification du réseau époxy à court terme et par une reprise du processus de réticulation à plus long terme. La résistance mécanique des assemblages collés est ensuite étudiée au moyen d'un test de clivage. Avant vieillissement, la rupture des assemblages est généralement cohésive dans le support cimentaire. Le vieillissement hygrothermique engendre un affaiblissement de l'interface et déplace le lieu de fissuration vers la zone de transition

The investigation and control of the properties of carbon based materials such as fullerenes and nanotubes is a highly dynamic research field. Due to its unique properties, e.g. an almost nano-dimensional size, three-dimensional cage topology, hydrophobicity, rich redox- and photochemistry, large absorption cross section, C60 has a high potential as building block for molecular devices and biological applications. It can be functionalized, anchored to a surface and self-assembled into larger supramolecular entities, such as monolayers. Mass spectrometry and related techniques such as ion-molecule reactions, action spectroscopy and ion mobility have been used throughout this work to study fullerene based systems, ranging from hydrides, derivatives, non-covalent complexes and coordinated metal complexes. Simulations predicting structural, electronic and mechanical properties have been combined with the experimental results to assist in their analysis and interpretation. Using ion molecule reactions, the reactivity of gas phase C60 anions with methanol has been studied. Hydride formation by simple collisions in the gas phase with methanol as well as reversible dehydrogenation by infrared multiphoton activation has been demonstrated. C60 functionalization by 3-azido-3-deoxythymidine (AZT) has been performed and the charged product characterized both by collisional activation and action spectroscopy. Deprotonation has been shown to lead to rearrangements of the nucleoside analogue and to a subsequent charge transfer to the fullerene. To prevent unwanted rearrangements and side reactions, encapsulation of C60 is suggested, the host molecule acting as a steric barrier. C60 complexation by γ-cyclodextrins has been performed and the ions of the complexes characterized both by collisional activation and ion mobility. It has been demonstrated that, compared to deprotonated species, the sodiated C60:(γ-cyclodextrin)2 ions were highly compact structures. With only two small polar caps accessible to reagents, sodiated C60: (γ-cyclodextrin)2 complexes sterically protect the C60 core from unwanted side reactions. Finally, explorative work on C60 immobilization on silver colloids using surface enhanced Raman spectroscopy and on the characterization of C60 complexes with iron and manganese porphyrin is presented.