La compréhension des réactions biochimiques qui se d'eroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace. Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée. Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm−1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique HOT SPIDER, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 μm. Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la presence d'une anharmonicité électrique importante.

Thèse doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003. Phil.D. thesis : Atomic and Molecular Physics : Wuhan Institute of Physics and Mathematics : 2003. / Thèse en co-tutelle. N° d'ordre (Lille 1) : 3285. Texte de la thèse en chinois. Articles en anglais en annexe. Résumé en chinois, français et anglais. Bibliogr. p. 125-126.

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement. / Our understanding of the functional organization of the human brain has been greatly influenced by the development of new medical imaging techniques. Pr. Hoge’s research has focused on the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and continuous diffuse optical imaging (DOI) for non-invasive localization and quantification of brain activity associated with behavioral stimuli or tasks (e.g. cognitive, motor or visual). The respective signals of both techniques are based on cerebral haemoglobin concentrations because of the coupling that exists between neuronal activity and cerebral blood flow. Relating BOLD fMRI signals with those acquired using DOI has been complicated by the fact that fMRI yields fractional change values, while the majority of DOI methods have provided absolute changes from an unknown baseline. To address this, we adopted a newer technique known as time-resolved DOI, which allows absolute quantification of cerebral haemoglobin concentrations. Time-resolved DOI thus has the capacity to quantify the subject’s resting hemoglobin concentrations in absolute micromolar units. The main objective of my masters’ project was to implement and optimize a time-resolved DOI system for use in a large study exploring the links between cardiovascular fitness, aging, neuroimaging markers, and cognitive performance. In this thesis we describe the fabrication of the system, followed by its characterisation and validation using solid optical phantoms (homogeneous and heterogeneous) developed for this purpose. Haemoglobin concentrations obtained non-invasively with the system are validated against blood draws, while the sensitivity to variations in concentration are assessed during a cognitive task. Finally, we present the results of a large study in which the time-resolved DOI system was used to characterize age-related vascular changes in the brain.

L'objectif de ce travail est la réalisation d'un filtre spectral à fort facteur de qualité (20000), indépendant de la polarisation et accordable en longueur d'onde. Un tel composant répondrait à de nombreux besoins, notamment en imagerie spectroscopique. Pour le réaliser, les réseaux résonnants semblent tout indiqués. En effet, la position du pic de résonance est naturellement accordable en fonction de l'angle d'incidence, et des facteurs de qualité de 10000 sont classiquement atteints. Cependant, en général, la réponse des réseaux résonnants dépend de la polarisation ce qui les limite à des applications où la polarisation est connue. Pour résoudre ce problème, nous adoptons une approche originale mise en œuvre dans une structure innovante comportant deux réseaux 1D croisés. Nous donnons alors un exemple de filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 100 nm à raison de 8.5 nm/°, avec un facteur de qualité de 13000. Pour un fonctionnement dans le proche infrarouge, nous proposons des matériaux et techniques de la microélectronique sur silicium et montrons qu'il est ainsi possible de fabriquer ces structures avec la précision requise.

Les biosenseurs sont des dispositifs analytiques utilisés pour la détection de reconnaissance moléculaire. Ils consistent en un élément biologique immobilisé en contact intime avec un transducteur approprié qui convertit un signal biochimique en un signal électrique quantifiable. Leur principe est basé sur la reconnaissance d'une ou plusieurs molécules d'intérêt en solution (le ligand), par un composant biologique (le récepteur) étroitement lié au substrat transducteur. Le senseur réagit aux interactions récepteur-ligand et produit un signal mesurable, généralement proportionnel à la concentration du ligand fixé. Les biosenseurs sont déjà utilisés dans beaucoup de domaines différents, notamment dans le domaine médical (diagnostique et thérapeutique), le contrôle de l’environnement, et l’analyse et le monitoring de processus biotechnologiques. <p><p>La recherche concerne la mise au point d’un nouveau type de biosenseurs polyvalents à haute performance. Ces senseurs utilisent un élément de transduction optique dont la surface a été fonctionnalisée en vue de permettre la détection sélective d'interactions récepteur-ligand ainsi que le dosage des molécules fixées aux récepteurs. La technique utilisée pour la détection et le dosage est celle de la Spectroscopie ATR-FTIR (Spectroscopie Infra Rouge à Transformée de Fourrier en Réflexion Total Atténuée). Le système permet la détection directe, en temps réel, et sans marquage des molécules ciblées. La spectroscopie ATR-FTIR fournit une analyse des molécules sur base de leur empreinte spectrale infra rouge (IR) caractéristique, ce qui offre une mine d'informations pour identifier les ligands. Ce nouveau système de biosenseur, appelé BIA-ATR (Biospecific Interaction Analysis – Attenuated Total Reflection) est original et offre des avantages majeurs par rapport à la plus part des biosenseurs commercialement disponibles. Il fournit à l’utilisateur le spectre IR entier du ligand étudié, permettant non seulement le dosage quantitatif de ce dernier, mais aussi d’identifier sa nature intrinsèque. Un autre avantage est sa grande sensibilité ;le senseur BIA-ATR peut détecter la fixation de petites molécules et dans certains cas, aussi les réactions chimiques associées. <p><p>Le potentiel de cette nouvelle technologie de senseur est évalué dans ce travail par son application à plusieurs systèmes d’intérêt biologique et médical :la détection de protéines en milieux complexes, appliquée à la détection du Facteur VIII de coagulation du sang impliqué dans l’hémophilie de type A ;la fixation d’une petite molécule, le phosphate (phosphorylation), sur l’ATPase gastrique, un récepteur protéique de grande taille responsable de la sécrétion d’acide dans l’estomac et la détection et dosage d’un antibiotique, la vancomycine, utilisé en soins intensifs hospitaliers dans les cas d’infections bactériennes sévères à Staphylocoques dorés.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’intégration monolithique de filtres et de diodes contre les décharges électrostatiques sur silicium est une solution à bas cout et fiable pour protéger les interfaces de transfert de données des appareils nomades. La formation de caissons isolants de silicium poreux sous les filtres permet d’améliorer en partie leur performance. Cette thèse avait pour but de poursuivre l’intégration de démonstrateurs RF sur silicium poreux et de proposer des voies de fonctionnalisation du matériau en vue d’optimiser les caractéristiques des filtres. Tout d’abord, les configurations bénéfiques d’intégration de caissons poreux à un filtre de mode commun (ECMF) ont été étudiées. Ensuite, une optimisation de l’étape d’oxydation post-anodisation a été réalisée afin d’améliorer la qualité et la stabilité de l’isolation électrique. Pour cela, les mécanismes d’oxydation, les propriétés chimiques et les propriétés électriques du silicium mésoporeux oxydé ont été mises en perspective avec la nature du traitement appliqué. Enfin, l’insertion dans les pores de nanoparticules ferromagnétiques de forte perméabilité a été menée dans le but d’augmenter la densité d’inductance par unité de surface. / Monolithic integration of interference filters and protection diodes on silicon is a viable and mature technology used to protect high-speed serial interfaces of nomadic devices. To enhance the filters performance, porous silicon can be formed by anodization specifically underneath the filter area. This thesis aimed to pursue the integration of RF prototypes on porous silicon and also to suggest strategies of material functionalization in order to optimize the filter characteristics. First, various configurations of common-mode filters were integrated on porous silicon and their performances were compared. Then, the post-anodization oxidation step has been optimized in order to provide the most efficient and stable electrical isolation. The oxidation mechanisms were discussed. The surface chemistry of porous silicon and its electrical behavior have been put in perspective with the oxidation treatments. Finally, this work suggested experimental methods to synthesize and characterize a ferromagnetic porous silicon-based nanocomposite for the improvement of the inductance density per unit area.

La connaissance et la maitrise de la température et de la concentration des produits de combustion sont des paramètres clés pour la compréhension et l’amélioration de l’efficacité des moteurs. La mesure de ces température et concentration permettrait d’améliorer les machines de combustion et de quantifier les rejets polluants dans l’air (tels que le CO, CO2, NO, NO2, SO2, les aérosols, les suies ainsi que les composés organiques volatils) qui sont des enjeux environnementaux importants. Les procédés de combustion sont inhomogènes. Les méthodes actuelles sont essentiellement des méthodes de détection et pas de quantification. Nous proposons une méthode originale de caractérisation des profils de température et concentration couplant les avantages d’une mesure active par rétrodiffusion (LIDAR-Rayleigh, Light Detection And Ranging) d’une impulsion laser fondée sur la diffusion Rayleigh avec une mesure passive par spectroscopie d’émission. La première méthode est sensible aux profils spatiaux de températures et la seconde est particulièrement sensible à la température maximale et concentration des gaz. Cette étude a été soutenue par une REI (Recherche Exploratoire et Innovation) : « Caractérisation par Émission et LIDAR d’Écoulements de Propulseurs » en collaboration avec le laboratoire FEMTO-ST de Belfort, l’ONERA et l’entreprise MBDA. / The knowledge and control of the temperature and concentration of combustion products are key parameters to understand and improve engine efficiency. The measurement of temperature and concentration will improve combustion machines and quantify the pollutant emissions in the air (such as CO, CO2, NO, NO2, SO2, aerosols, soot and volatile organic compounds) which are important environmental issues. Combustion processes are inhomogeneous. Current methods are substantially methods for the detection and not for quantification. We propose an original method based on the characterization of temperature and concentration profiles coupling the benefits of an active backscattering method (Rayleigh LIDAR, Light Detection And Ranging) of a laser pulse with passive spectroscopic measurements. The first method is based on Rayleigh scattering and is sensitive to spatial temperature profiles and the second is particularly sensitive to the maximum temperature and to gas concentration. This study was supported by REI (Exploratory Research and Innovation): " Flows thrusters characterization by emission and LIDAR " in collaboration with the FEMTO-ST laboratory located in Belfort, ONERA and the MBDA company.

Les nickelates de terres rares de formule générale Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, ou Nd) suscitent un fort intérêt, aussi bien au niveau théorique qu’au niveau expérimental, en raison notamment de leur propriétés thermo-radiatives exceptionnelles de type corps noir. De nombreux industriels s’intéressent ainsi aux émetteurs thermiques par émission infrarouge, afin de remplacer le procédé de chauffage classique par convection. Le pouvoir émissif de ces matériaux est intimement lié à leurs propriétés intrinsèques et extrinsèques. Les propriétés intrinsèques d’un matériau correspondent à sa composition chimique, son épaisseur, et ses indices optiques, tandis que les propriétés extrinsèques dépendent plutôt de sa texture (rugosité, porosité, taille de grains et de pores, joints de grain, etc.), et la présence éventuelle d’impuretés. Des revêtements de Pr2NiO4+δ ont été déposés sur substrats polycristallins et monocristallins par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence, combiné avec un traitement thermique approprié à 1100◦C. L’analyse par diffraction des rayons X a révélé la composition biphasique des revêtements, avec la présence d’une surstoechiométrie en oxygène. La morphologie des surfaces a été étudiée par MEB, AFM et profilométrie, révélant l’aspect rugueux et poreux des couches déposées. Les propriétés thermo-radiatives ont été étudiées par spectroscopie infrarouge. L’émissivité spectrale normale a été mesurée de 300 K jusqu’à 1400 K, confirmant les fortes propriétés d’émissivité des revêtements de Pr2NiO4+δ , même pour une faible épaisseur de 1,5 μm. Dans le moyen infrarouge, une émissivité totale de 0,87 a été obtenue pour une épaisseur de 2,8 μm. / Rare earth nickelate oxides Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, and Nd) have attracted considerable interest for both theoretical and experimental studies especially due to their pseudo-high black body behavior. Advanced industry takes a particular interest in applications based on infrared radiation heater, which tend to replace the classical heating convection. Thermal radiative properties of materials are intimately related to their intrinsic and extrinsic characteristics. Intrinsic properties concern chemical composition, thickness layer and complex refractive index, while extrinsic properties refer to the texture (roughness, porosity, grain and pore sizes and grain boundaries) and the presence of impurities. Pr2NiO4+δ coatings have been obtained on both polycrystalline and monocrystalline substrates by combining RF magnetron co-sputtering with an appropriate heat treatment at 1100◦C. X-ray diffraction spectroscopy analysis revealed a biphasic Pr2NiO4+δ compound, with an oxygen over-stoichiometry. The surface analysis was probed by SEM, AFM and profilometry, and showed a rough and porous granular aspect for all the deposited layers. Thermal radiative properties were studied by infrared optical spectroscopy. The normal spectral emissivity from 300 K up to 1400 K confirmed the high emissive properties of the Pr2NiO4+δ coatings, even for thicknesses down to 1,5 μm. A total normal emissivity of 0,87 in the mid-infrared range is obtained for the 2,8 μm coating thickness.

Les émissions atmosphériques constitue un enjeu majeur pour la société, à la fois pour les problématiques santé – qualité de l’air (maladies respiratoires, allergies,. . . ) et pour les problématiques liées au réchauffement climatique et aux gaz à effet de serre. Les sources anthropiques, industrielles en particulier, émettent dans l’atmosphère gaz et aérosols qui jouent un rôle important dans les échanges atmosphériques. Néanmoins leur suivi à haute résolution spatiale reste peu précis, en raison des résolutions rencontrées pour les senseurs spatiaux. Les développements techniques récents des capteurs hyperspectraux aéroportés permettent d’améliorer la caractérisation des panaches. Lors de nos travaux nous avons développé un nouvel outil pour la détection et la caractérisation des panaches de gaz. Ainsi, une cartographie 3D des différentes concentrations est obtenue. Cet outil est ensuite validé sur des images synthétiques et sur des acquisitions aéroportés de scènes industrielles. / The air pollution is a very important issue for industrialized society, both in terms of health (respiratory diseases, allergies,. . . ) and in terms of climate change (global warming and greenhouse gas emissions). Anthropogenic sources, especially industrial, emit into the atmosphere gases and aerosols, which play an important role in atmospheric exchanges. However emissions remain poorly estimated as most of existing space sensors have a limited spectral range as well as a too low spatial resolution. The use of the new hyperspectral airborne image sensors in the infrared range opens the way to new development to improve the plume characterization. In our work, we developed a new method for detecting and characterizing gas plumes. It is based on an accurate non linear formalism of cloud gas radiative impact. This method was validated using synthetic scenes of industrial area, and airborne acquisitions obtained by a hyperspectral thermal infrared sensor.

Avec l’augmentation de la température, certains composés oxydes, transparents dans le proche infrarouge, deviennent progressivement opaques à l’approche de la fusion. Un tel comportement est inhabituel et impacte profondément leurs propriétés radiatives. Afin de comprendre ce phénomène, des mesures par spectroscopie d’émission infrarouge ont été effectuées depuis la température ambiante jusqu’à la fusion sur plusieurs oxydes cristallins (Mg2SiO4, LiAlO2, LiGaO2, ZnO, YAlO3, LaAlO3, LiNbO3, MgO). Ces données ont été complétées ponctuellement par des mesures de conductivité électriques, de RMN et de diffraction des rayons X en température. L’analyse des données expérimentales du facteur d’émission menée à l’aide d’un modèle de fonction diélectrique semi-quantique et incluant un terme de Drude étendu, a permis de caractériser finement la réponse de ces matériaux et de proposer une origine physique pour le mécanisme responsable de l’opacification. Le phénomène est thermiquement activé et peut être expliqué par la formation et la mobilité de polarons. Ce travail a également montré l’existence d’un lien étroit entre la microstructure des composés et les caractéristiques de l’opacification. / With increasing temperature, some oxide compounds that are transparent in the near infrared range become progressively opaque when approaching the liquid phase. Such a behavior is unusual and deeply impacts their thermal radiative properties. To understand this phenomenon, infrared emittance spectra were acquired from room temperature up to the liquid state on several crystalline oxides (Mg2SiO4, LiAlO2, LiGaO2, ZnO, YAlO3, LaAlO3, LiNbO3, MgO). These data have been selectively completed by electrical conductivity measurements, NMR and X-ray diffraction experiments versus temperature. The analysis of the experimental emittance data with a semi-quantum dielectric function model including an extended Drude term, allowed to characterize finely the material responses and to suggest a physical origin for the opacification mechanism. The phenomenon is thermally activated and can be explained by the formation and the mobility of polarons. This work also showed the existence of a close link between the material microstructure and the characteristics of the opacification.