Le sepsis est une dérégulation de la réponse de l’hôte à une infection, associé à un dysfonctionnement des organes engageant le pronostic vital du patient. Plus de 30 millions de cas et 5 millions de décès sont estimés par an dans le monde. Le diagnostic du sepsis est basé sur des signes cliniques non spécifiques et la longue procédure d’identification des pathogènes responsables de l’infection. L’objectif de cette étude est de développer et d’évaluer le potentiel de la spectroscopie vibrationnelle appliquée au sérum pour améliorer le diagnostic du sepsis. Les défis inhérents à la nature de l’échantillon et à la technique de même que certains paramètres pré-analytiques ont été évalués pour assurer la qualité des données. Les variations de contenu en eau des échantillons après séchage pouvant affecter la discrimination des données, ont été corrigées en testant différentes méthodes. Enfin, des sérums de patients septicémiques (n=380) collectés avant chirurgie et jusqu’à 3 jours avant et le jour du diagnostic ont été analysés. Les échantillons du groupe contrôle (n=353) collectés suivant la même cinétique, provenant de patients ayant un profil similaire en termes d’âge, de sexe, de procédure chirurgicale subie mais n’ayant pas développé de sepsis et des échantillons (n=180) de patients atteints d’un syndrome de réponse inflammatoire systémique collectés avant chirurgie et le jour du diagnostic ont également été analysés. Les données acquises ont été exploitées par méthodes chimiométriques pour discriminer des zones spectrales reflétant des différences de composition moléculaire avec des sensibilités et spécificités supérieures à 70% malgré l’influence de l’eau résiduelle. / Sepsis is a dysregulated host response to an infection that causes life-threatening organ dysfunction. Each year, over 30 million cases and 5 million deaths are estimated worldwide. Diagnosis of sepsis is based on non-specific clinical signs and time consuming positive identification of the causative pathogen. The objective of this study is to develop and evaluate the potential of vibrational spectroscopy applied to human serum to improve diagnosis of sepsis. Challenges of serum spectroscopy inherent to the sample nature and preparation as well as to the technique have been assessed to determine the most suitable methodological approach. Then, some aspects of the pre-analytical phase have been addressed in order to standardise protocols in sample handling and preparation for spectral acquisitions to ensure quality and reproducibility of spectral data collected. Different methods have been tested to correct water content variations in dried serum, which can impact on data discrimination. Finally, based upon the developed methodology, patient serum samples (n=380) collected before surgery, up to 3 days before sepsis diagnosis, and on the day of sepsis diagnosis have been analysed. Control serum samples (n=353) from age/ sex/ procedure-matched patients who did not go on to develop sepsis have been also analysed over similar timeframes post-surgery as well as samples (n=180) from patients with systemic inflammatory response syndrome. Spectral data acquired have been interrogated by chemometric methods to identify spectral zones reflecting differences in molecular composition allowing discrimination with over 70% of sensitivities and specificities despite water interferences.

La spectroscopie est un outil puissant et non-destructif permettant, d’après les spectres, de remonter à des grandeurs physiques importantes telles que la concentration, la température, la pression, … du gaz en question.Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l’analyse des spectres infrarouges et Raman à très haute résolution de l’éthylène pour des applications atmosphériques et planétologiques.Cette thèse a été effectuée au sein du Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) de l’Université de Reims Champagne- Ardenne. En collaboration avec l’équipe (SMPCA) au sein du laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) à Dijon, l’équipe (CQP) au sien du service de Chimie Quantique et Photophysique à Bruxelles, l’Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) à Madrid et les membres de la ligne AILES du centre de rayonnement synchrotron SOLEIL à Saint-Aubin.Cette thèse est structurée en 4 chapitres. Le premier chapitre est consacré sur les généralités de la molécule étudiée. Le second chapitre présente l’aspect théorique de la spectroscopie. Le troisième chapitre portant sur l’explication du modèle théorique qui nous avons utilisé pour effectuer l’analyse et le traitement des spectres. Dans le quatrième chapitre, nous présentons les résultats de l’analyse du spectre de la molécule de l’éthylène en différentes régions spectral.Ces résultats alimenteront des bases de données internationales telles que HITRAN (L. Rothmann) et GEISA (M. Rotger et le CNES) mais aussi peuvent servir de données modèle pour la start-up AEROVIA initiée par G. Durry, directeur de notre laboratoire. Avec ces données, nous alimenterons également la base de données européenne VAMDC. / The spectroscopy is a powerful analytical technique capable of providing Important Information physical quantities such as concentration, temperature, pressure, ... and other questions about gas.The work presented in this manuscript is devoted to analysis of high resolution infrared and Raman spectroscopy of the ethylene for atmospheric, astrophysical and planetological applications.The work described in this thesis was performed within the "Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique" (GSMA) in the university of Reims Champagne-Ardenne in Reims. In national collaboration with the team (SMPCA) In collaboration in the laboratory "Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne" (ICB) in Dijon, the team (CQP) in the service de "chimie quantique et photophysique" in Brussels. l’Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) in Madrid and the members of the line AILES of the Synchrotron SOLEIL in Saint-Aubin.The thesis is structured into 4 main chapters. The first chapter deals with the generality of molecule studied. The second chapter represents the theoretical aspects of the spectroscopy. The third chapter dealing with the explanation of the theoretical model that we used for the analysis and processing of spectra. In the fourth chapter, we present the results of the analysis of the spectrum of the molecule of ethylene in different spectral regions.These results will feed the international databases such as HITRAN (L. Rothmann) and GEISA (Mr. Rotger and CNES), and it can also serve as a data for modeling the start-up AEROVIA initiated by G. Durry, the director of the laboratory. with these data, we can also feed the European database VAMDC.

L’acétylacétone (AcAc) existe sous deux formes tautomères, énol et kéto. Sous sa forme énol chélaté, c’est une des molécules les plus simples présentant une liaison hydrogène intramoléculaire. Nous l’avons isolée dans la matrice « quantique » de parahydrogène (pH2) pour étudier ses propriétés en bénéficiant des avantages spécifiques de ce solide cryogénique. Les spectres infrarouges apportent une caractérisation claire des formes énol et kéto. Le rapport kéto/énol est plus important en matrice de pH2 que dans les autres matrices. Les bandes du kéto sont fines alors que certaines bandes de l’énol sont très larges à cause de la présence de la liaison hydrogène. Plusieurs bandes s’affinent très lentement avec le temps. Cet effet surprenant a été interprété en terme de conversion nucléaire de spin dans un groupement méthyle d’AcAc, donnant accès aux spectres de niveaux de torsion différents. Les résultats offrent alors un nouveau moyen d’investigation des mouvements de grande amplitude de la molécule (mouvements couplés de torsion des méthyles et du transfert d’hydrogène interne). La photolyse UV des matrices AcAc/pH2 a été étudiée. Une irradiation à 266 nm conduit à l’isomérisation de l’énol sous différentes formes non chélatées ; des spectres très bien résolus de ces formes sont obtenus grâce aux propriétés du pH2 solide. En irradiant à 248 nm, on observe la tautomérisation vers la forme kéto, l’étude cinétique démontrant que le processus n’est pas direct à partir de l’énol chélaté. Enfin, une irradiation à 193 nm provoque la fragmentation de la molécule, processus qui peut être suivi de réactions avec l’hydrogène de la matrice. / Acetylacetone (AcAc) exists as a mixture of enol and keto tautomers. Besides providing a good example for the study of tautomerization, it is a model system for investigating intramolecular hydrogen bonds in its enol form. Trapping AcAc in the soft para-Hydrogen (pH2 ) environment brings out new opportunities to investigate its properties. Infrared spectra of the samples give a good characterization of the two stable enol and keto tautomers. The keto/enol ratio in solid pH2 is found to be higher than in other matrices. While vibrational bands of keto are narrow, those of enol are broad, reflecting the intrinsic properties of the enol which exhibits three entangled large amplitude motions (two methyl torsions and the intramolecular hydrogen transfer). Surprisingly, narrowing of some of these bands is observed in a slow time evolution. This effect is interpreted as a consequence of nuclear spin conversion in the hydrogen atoms of the methyl groups, giving access to AcAc species differing by their nuclear spin symmetry. This offers new pertinent investigations on the large amplitude motions, especially on the intramolecular hydrogen transfer. AcAc/pH2 samples have been irradiated by UV laser beams. Irradiation at 266 nm induces isomerization from the stable chelated enol form to non chelated conformers, similarly to the case of other matrices. A clear IR signature of the conformers is obtained thanks to the pH2 host. Irradiation at 248 nm induces the enol/keto tautomerization. The kinetics of this interconversion highlights a non-direct process. Fragmentation is clearly observed under irradiation at 193 nm, followed by chemical reaction with the hydrogen host.

La galactosémie congénitale est une maladie métabolique affectant la voie du galactose. En effet, l'enzyme responsable de la transformation du galactose-1-phosphate en glucose-1-phosphate, la galactose-1-phosphate uridyltransférase, est déficiente et rend donc l'utilisation du galactose par l'organisme quasiment impossible. Ceci entraîne une accumulation de galactose ainsi que ses produits dérivés, le galactose-1-phosphate et le galactitol. Ainsi, notre hypothèse de travail est que les métabolites impliqués dans cette pathologie provoquent des modifications post-traductionnelles des protéines induisant ainsi leur vieillissement prématuré. Nous avons donc étudié l'impact de la « galactation » sur la structure du collagène de type I et montré que ces modifications structurales sont beaucoup plus importantes avec le galactose qu'avec le glucose à la même concentration, aussi bien sur la structure primaire que fibrillaire. Au contact du collagène « galacté », les fonctions des cellules inflammatoires sont modifiées. La technique de spectroscopie infrarouge a été utilisée pour caractériser les métabolites impliqués dans la galactosémie ainsi que les collagènes modifiés. Dans un but de dépistage, une étude en spectroscopie infrarouge de plasmas galactosémiques nous a permis de mettre en évidence le potentiel de cette technique, du fait de sa bonne sensibilité et de son faible coût de revient. En conclusion, les modifications post-traductionnelles des protéines semblent très fortement impliquées dans la physiopathologie de la galactosémie congénitale. / The congenital galactosemia is a metabolic disease involved in the galactose pathway. Indeed, the enzyme responsible of the galactose-1-phosphate transformation in glucose-1-phosphate, the galactose-1-phosphate uridyltransferase, is deficient and then leads to a use of galactose almost impossible. This leads to an accumulation of galactose and its derived products, the galactose-1-phosphate and the galactitol. Thus, our work hypothesis is that metabolites involved in this disease cause post-translational modifications of proteins inducing their premature aging. We then studied the impact of the « galactation » on the type I collagen and showed that the structural modifications are more important with galactose than with glucose at the same concentration, on both the primary and the fibrillar structure. On contact with « galacted » collagen, the inflammatory cells functions are also modified. The infrared spectroscopy technique has been used to characterize the metabolites involved in the galactosemia, just as the modified collagens. With the aim of screening, an infrared spectroscopy study of galactosemic plasmas allowed us to highlight the potential of this technique, with its good sensibility and its low cost price. To conclude, the post-translational modifications of proteins seem strongly involved in the physiopathology of the congenital galactosemia.

La formation de biofilms bactériens pathogènes est un problème important, particulièrement dans les secteurs médicaux et agro-alimentaires. La formation contrôlée de biofilms de la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) est sélectionnée ici comme méthode potentielle pour prévenir la contamination de surfaces par des bactéries pathogènes. Nous avons étudié le développement de biofilms de LGG ainsi que leur possible contrôle en combinant des approches physico-chimiques et de fonctionnalisation de surface. L’impact des conditions environnementales sur la cinétique de croissance des biofilms et sur leur composition biochimique a été analysé par des mesures in situ et en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) sous conditions de flux. Ces données ont été complétées par des images de microscopie en épifluorescence permettant d’obtenir des informations sur la distribution et la forme des cellules bactériennes sur la surface à des étapes clé du développement du biofilm. Compatible avec les mesures ATR-FTIR, un cristal de séléniure de zinc a été choisi comme substrat, nu ou fonctionnalisé avec des monocouches auto-assemblées d’alcane-thiols (SAMs). Différents groupes fonctionnels ont été étudiés : méthyl (-CH3), hydroxyle (-OH) ou amine (-NH2) pour obtenir respectivement des substrats hydrophobe, hydrophile ou chargé positivement. La cinétique d’auto-assemblage des SAMs, leur organisation et l’énergie de surface ont été étudiées en combinant ATR-FTIR, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford à hautes énergies et mesures d’angles de contact. L’analyse des spectres ATR-FTIR des biofilms de LGG enregistrés in situ et en temps réel pendant 24 heures a montré un rôle important du milieu nutritif sur la composition biochimique et le métabolisme bactériens. Les propriétés du substrat ont un impact faible sur la composition biochimique des biofilms, mais ont un rôle crucial sur leur force d’attachement à la surface. Ce travail pluridisciplinaire a fourni des informations sur l’influence de l’environnement, et particulièrement des caractéristiques du support, sur les propriétés des biofilms aux échelles moléculaire et cellulaire. La méthodologie développée dans ce travail peut notamment être utilisée dans la recherche des conditions les plus favorables à la croissance des biofilms de bactéries probiotiques. / Biofilm formation by pathogenic bacteria brings concerns, particularly in food and medical sectors, and is associated with high sanitary risks and economic losses. Biofilms of probiotic bacteria can potentially be used to prevent the surface contamination by pathogenic species. This work was focused on the investigation of the development of biofilms of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and the possible control of their formation by combining surface functionalisation and physico-chemical approaches. The effect of different environmental conditions on the kinetics of the biofilm growth and on its biochemical composition was analysed by in situ and real time measurements with infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (ATR-FTIR) under flow conditions. These data were complemented by epifluorescence images providing information on the surface distribution and the shape of the bacterial cells at specific stages of the biofilm development. Compatible with ATR-FTIR measurements, a zinc selenide (ZnSe) crystal was chosen as a substrate, bare or functionalised with self-assembled monolayers (SAMs). SAMs were formed from alkanethiols terminated by methyl (-CH3), hydroxyl (-OH) or amine (-NH2) groups to obtain hydrophobic, hydrophilic and positively charged substrates, respectively. The kinetics of self-assembly of the alkanethiols onto ZnSe, the organisation of the molecules, their areal density and the surface energy of thus obtained surfaces were studied preliminarily to the biofilm cultivation by means of ATR-FTIR spectroscopy, high energy Rutherford backscattering spectrometry, and contact angle measurements. The analysis of the ATR-FTIR spectra of LGG biofilms recorded in situ and in real time during 24 hours revealed an important role of the nutritive medium in the biosynthesis of nucleic acids, phospholipids, polysaccharides and lactic acid. Substrate properties had low impact on the biochemical composition of LGG biofilms, but had a critical role in the strength of attachment of cultivated biofilms. The findings of this multidisciplinary work provide a fundamental understanding of how the direct environment, including a support surface, influences the properties of bacterial biofilms at the molecular and cellular scales, based on which favourable conditions for the enhancement of probiotic biofilm growth and its mechanical stability can be chosen.

La présence d'eau liquide sur Mars est une question primordiale dans la recherche de milieux habitables extraterrestres. La planète nous a montré depuis les années 1970 des traces d'écoulement d'eau liquide. Depuis quelques années, nous cartographions des minéraux hydratés formés en grandes quantités par de l'eau liquide : phyllosilicates, hydroxydes, sulfates... Le travail de ma thèse a consisté à étudier la minéralogie et la géologie de certaines régions, afin d'essayer d'y comprendre les conditions de formation de ces minéraux, et en particulier des phyllosilicates, grâce à l'utilisation des données spectroscopiques, topographiques et d'imagerie visible et infrarouge des sondes martiennes, et notamment d'OMEGA et HRSC sur Mars Express. Les études des régions d'Echus Chasma, de Terby Crater, de Tyrrhena Terra et de Mawrth Vallis ont révélé la corrélation des minéraux hydratés avec des roches parmi les plus anciennes de Mars. Les terrains finement stratifiés de la région de Mawrth Vallis nous montrent sur les données OMEGA la présence de divers phyllosilicates dans une unité épaisse de plusieurs centaines de mètres, et divisée en sous-unités de compositions différentes, marquant la complexité de l'altération de ces terrains. Cette région est un des principaux témoins des environnements propices à la formation de phyllosilicates, qui ont dû être répandus à la surface de la planète au début de son histoire.

Cette étude a pour but de contribuer aux travaux menés jusqu'ici pour déterminer la composition chimique de la surface du satellite Io. A cette fin, nous avons choisi d'allier modélisation thermochimique des gaz volcaniques ioniens et étude expérimentale spectroscopique et chimique de molécules condensées à basse température. <br />Ainsi, la modélisation thermochimique appliquée au volcanisme ionien permet de suivre le refroidissement des gaz volcaniques émis et met en évidence les séquences de condensation de certaines molécules.<br />A l'issue de cette première partie de l'étude, le monoxyde de disoufre, S2O, apparaissant comme gaz majeur émis par les volcans, est sélectionné pour une étude expérimentale détaillée. Il s'agit là de reproduire en laboratoire la condensation à basse température d'un gaz chargé de S2O et de suivre par spectroscopie infrarouge, son évolution physico-chimique et sa polymérisation, dans des conditions de température, de pression, de mélange avec SO2 et d'irradiation solaire, imitant au mieux celles qui règnent à la surface de Io. Les expériences menées permettent d'approfondir les connaissances chimiques que l'on avait jusque là de S2O et du mécanisme de sa polymérisation en oxyde de polysoufre ainsi que de la structure de ce dernier. De plus, elles conduisent à rejeter la possibilité d'attribuer la couleur rouge de certains dépôts volcaniques à la condensation de S2O à la surface de Io et amènent à penser que cette dernière est très probablement majoritairement composée de dioxyde de soufre et d'un mélange de soufre S8 et de polymère de soufre, auxquels de l'oxyde de polysoufre s'adjoint en plus faible quantité.

Les nanostructures de puits ou boîtes quantiques de GaN/AlN présentent des potentialités très intéressantes pour les applications aux composants optoélectroniques télécoms. Ceci tient à la forte discontinuité en bande de conduction qui permet d'observer des absorptions intrabandes entre niveaux électroniques confinés dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,55 µm. Les échantillons étudiés durant la thèse ont été fabriqués par épitaxie par jets moléculaires avec pour source d'azote soit de l'ammoniac (CRHEA) soit un plasma d'azote (CEA). Les échantillons ont été caractérisés par différentes techniques structurales (RBS, TEM, diffraction de rayons-X) ainsi que par des mesures optiques: spectroscopie de transmission à transformée de Fourier, d'absorption photo-induite et de photoluminescence. Nous montrons que les puits quantiques GaN/AlN présentent une absorption intersousbandes intenses à température ambiante et que celle-ci est ajustable entre 1,3 et 2,1 µm en fonction de l'épaisseur du puits GaN (4 à 10 monocouches). Nous observons aussi que le champ interne conjugué aux rugosités d'interfaces conduit à une forte localisation des porteurs dans le plan des couches à température ambiante. L'absorption des puits dopés est systématiquement décalée à haute énergie par rapport aux puits non dopés. Nous interprétons ce décalage comme la conséquence des effets à N-corps dominés par l'interaction d'échange. Nous discutons enfin les résultats sur un premier dispositif de photo-détection intersousbandes à puits quantiques GaN. Nous rapportons aussi les résultats originaux que nous avons obtenus sur la spectroscopie intrabande du confinement électronique dans les boîtes quantiques auto-organisées de GaN/AlN. Nos résultats montrent la présence d'absorption intrabandes liés au confinement vertical des électrons aux longueurs d'onde dans la gamme 2,4-1,2 µm. Les transitions fondamentales s-px régies par le confinement dans le plan sont observées à plus grande longueur d'onde. Nous montrons enfin qu'en jouant sur le champ interne et en réduisant la taille des îlots, l'absorption intrabande s-pz est aux longueurs d'onde télécoms pour des boîtes de hauteur 1,5 à 2 nm.

Ce travail de thèse porte sur la compréhension des mécanismes d'auto-assemblage de silices hybrides organiques-inorganiques obtenues par voie sol-gel. Les précurseurs moléculaires utilisés sont constitués d'une sous-structure inorganique présentant des groupements triéthoxysilanes et d'une sous-structure organique qui confère au matériau des propriétés d'auto-association. Deux précurseurs sont envisagés dans ce travail. Le premier possède une partie organique constituée d'un phénylène séparant deux groupements urées qui lui permettent de s'auto-organiser par liaisons H au cours de la synthèse du matériau en solution. Le second est un dérivé monosilylé de l'uréïdopyrimidinone qui s'auto-organise en dimères en solution hypothéquant sa capacité à interagir par liaisons H intermoléculaires au cours de la synthèse. Une étude fondamentale de la dynamique vibrationnelle infrarouge des deux précurseurs qui compare des données expérimentales dans l'infrarouge moyen et lointain et des calculs ab initio est présentée. L'influence de la liaison hydrogène sur la dynamique vibrationnelle est étudiée en détail. Ces résultats sont ensuite utilisés pour suivre la compétition d'interactions covalentes et non covalentes pendant les processus d'auto-assemblage. Une étude expérimentale multi-échelle in situ de la cinétique d'auto-organisation des deux précurseurs qui couple la microscopie optique, la diffusion de lumière et la spectroscopie infrarouge est réalisée. Nous proposons un modèle de structuration en solution dominé par des barrières d'activation contrôlées par les liaisons H. La structure du matériau hybride à base d'uréïdopyrimidinone en phase solide est résolue à partir d'une étude structurale basée sur la diffraction des rayons X. L'étude en pression des matériaux obtenus par étuvage et lyophilisation montre que l'organisation locale (liaisons H, taux de polycondensation) et mésoscopique sont largement conditionnées par cette étape.

Il existe, aujourd'hui, de nombreuses et efficaces méthodes de caractérisation structurale tridimensionnelle de composés biologiques en phase condensée (RMN, diffraction des rayons X ou dichroïsme circulaire). Depuis une dizaine d'années, ce champ d'études s'est étendu à la phase gazeuse. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et concerne le rôle structurant de Na+ sur les acides aminés Gly et Pro et sur des oligo-peptides de Gly et Ala, en combinant approches théoriques et expérimentales de spectroscopie infrarouge d'ions gazeux par dissociation multiphotonique (IRMPD) couplée à la spectrométrie de masse. Les spectres IRMPD expérimentaux des complexes sodiés d'acide aminé, nous ont permis d'identifier la présence exclusive de la forme zwitterionique dans le cas de Pro-Na+ et la présence de la forme non-zwitterionique dans le cas de Gly-Na+, conformément aux résultats de chimie quantique. Ainsi nous avons fourni la première démonstration directe de la présence d'un zwitterion d'acide aminé en phase gazeuse. Il s'agissait des premiers spectres infrarouge d'ions biologiques en phase gazeuse. L'étude théorique des complexes Glyn-Na+ et Alan-Na+ a montré que, pour n<=5, les conformères de plus basse énergie maximisent l'interaction électrostatique du métal avec les n groupements carbonyles, avec ou sans l'amine terminale. Ce comportement a été confirmé d'une part, par des expériences de spectroscopie IRMPD pour n=2,3 et d'autre part, par la détermination des énergies de liaison de ces complexes par la méthode cinétique de Cooks (n=2-4). Pour l'étude théorique de Glyn-Na+, 5<=n<=10, nous avons couplé des recherches conformationnelles Monte-Carlo basées sur des calculs de champ de forces AMBER, à des optimisations par calculs de type ri-BLYP utilisant l'approximation "résolution de l'identité". Cette approche a permis d'explorer en détail des sur! faces de potentiel très complexes. On peut distinguer deux classes limites de conformères, celle où le peptide est globulaire et celle où il adopte une conformation en hélice alpha ou 310. Nous avons montré que les structures les plus basses en énergie présentent le plus souvent une complexation tétradentate avec une forte auto-solvatation. Ces structures sont toutes globulaires pour n<10. Dans le cas de Gly10-Na+, le conformère le plus bas en énergie a une structure globulaire autour du sodium et un domaine de cinq résidus en hélice 310.