Metal nanoparticles have recently gained popularity in many research areas due to their nanosize-related properties. Depending on the size of the metal nanoparticle, their mode of interaction with electromagnetic radiation and the outcome of this interaction vary; in turn the effect exerted on a protein which is conjugated to a nanoparticle varies, because different sized nanoparticles demonstrate different modes of energy transfer with electromagnetic radiation and molecules conjugated to them. Very small cluster with sizes around 1 – 1.2 nm tend to get excited by incident light and emit fluorescence, whereas larger nanoparticles absorb the incoming light very strongly due to their LSPR. In this study we observed the outcomes of the interaction between two types of nanoparticles, namely gold and gold/silver alloyed nanoparticles with the fluorescence emission of two fluorophores, namely eGFP and rPhiYFP; and demonstrated a bioassay where the fluorescence modulation by gold nanoparticles can be used as the sensing strategy. Lastly, we demonstrated the potential of autofluorescent gold nanoparticles as intracellular reporters.

Ce manuscrit se compose de 3 grandes parties. La première présente d'une part, un court curriculum vitae et d'autre part, une notice exposant l'ensemble de mes activités en matière d'enseignement, de recherche, d'administration et autres responsabilités individuelles et collectives depuis 1997. La deuxième grande partie est consacrée à une description du projet de recherche mené au CRAN depuis 2002-2003, dans le domaine de la caractérisation de tissus biologiques à l'aide de méthodes d'imagerie et de spectroscopie optique UV-Visible, au travers d'une approche "multi-échelles" et "multi-modalités". Leurs applications notamment au photodiagnostic in vivo en cancérologie (vessie, peau) sont développée au travers de 2 axes de recherche en : - imagerie endoscopique panoramique en lumière blanche (LB) et fluorescence (F), avec la construction automatique et rapide d'images panoramiques de parois internes de vessies par recalage et mosaïquage des images cystoscopiques, les validations quantitatives et qualitatives des performances des algorithmes développés, et la validation de la superposition d'images panoramiques LB/F au moyen d'un système d'excitation et d'acquisition Visible/UV multiplexées dans le temps, - spectroscopie fibrée d'autofluorescence (AF) et de diffusion élastique (DE) résolue spatialement, avec le développement et la validation métrologique d'un système de multiple excitation d'AF 360- 460 nm et de DE 360-760 nm, le traitement des données spectroscopiques multi-dimensionnelles, l'extraction, la sélection et la classification supervisée / non-supervisée de caractéristiques spectrales, l'identification de paramètres optiques de tissus à l'aide de simulations statistiques (Monte Carlo, modèles multi-couches), enfin l'application de la méthode à plusieurs études de différenciation in vivo entre les états sains/inflammatoires/cancéreux de la vessie de rats et entre les états sains/hyperplasiques/dysplasiques de la peau de souris. Pour chacun de ces axes, les problématiques, objectifs, principaux résultats et perspectives sont précisées. Finalement, la troisième et dernière grande partie de ce manuscrit donne la production scientifique et la version intégrale de plusieurs articles représentatifs.

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La disponibilité et la persistance à l'échelle locale des métaux lourds pourraient être critiques notamment pour l'usage futur des zones agricoles ou urbaines, au droit desquelles de nombreux sites industriels se sont installés dans le passé. La gestion de ces situations environnementales complexes nécessitent le développement de nouvelles méthodes d'analyse peu invasives (capteurs environnementaux), comme celles utilisant des biosenseurs bactériens, afin d'identifier et d'évaluer directement l'effet biologique et la disponibilité chimique des métaux. Ainsi dans ce travail de thèse, nous avons cherché à identifier, à l'aide d'outils mathématiques de l'algèbre multi-linéaire, les réponses de senseurs bactériens fluorescents dans des conditions environnementales variées, qu'il s'agisse d'un stress engendré par la présence à forte dose d'un métal ou d'une carence nutritive engendrée par son absence. Cette identification est fondée sur l'analyse quantitative à l'échelle d'une population bactérienne de signaux multidimensionnels. Elle repose en particulier sur (i) l'acquisition de données spectrales (fluorescence) multivariées sur des suspensions de biosenseurs multicolores interagissant avec des métaux et sur (ii) le développement d'algorithme de décomposition tensoriels. Les méthodes proposées, développées et utilisées dans ce travail s'efforcent d'identifier " sans \textsl{a priori} " (\textsl{a minima}), la réponse fonctionnelle de biosenseurs sous différentes conditions environnementales, par des méthodes de décomposition de tenseurs sous \hyphenation{con-train-tes} des signaux spectraux observables. Elles tirent parti de la variabilité des réponses systémiques et permettent de déterminer les " sources " élémentaires identifiant le système et leur comportement en fonction des paramètres extérieurs. Elles sont inspirées des méthodes CP et PARALIND . L'avantage de ce type d'approche, par rapport aux approches classiques, est l'identification unique des réponses des biosenseurs sous de faibles contraintes. Le travail a consisté à développer des algorithmes efficaces de séparations de sources pour les signaux fluorescents émis par des senseurs bactériens, garantissant la séparabilité des sources fluorescentes et l'unicité de la décomposition. Le point original de la thèse est la prise en compte des contraintes liées à la physique des phénomènes analysés telles que (i) la parcimonie des coefficients de mélange ou la positivité des signaux "source", afin de réduire au maximum l'usage d'a priori ou (ii) la détermination non empirique de l'ordre de la décomposition (nombre de sources). Cette posture a permis aussi d'améliorer l'identification en optimisant les mesures physiques par l'utilisation de spectres synchrones ou en apportant une diversité suffisante aux plans d'expériences. L'usage des spectres synchrones s'est avéré déterminant à la fois pour améliorer la séparation des sources de fluorescence, mais aussi pour augmenter le rapport signal sur bruit des biosenseurs les plus faibles. Cette méthode d'analyse spectrale originale permet d'élargir fortement la gamme chromatique des biosenseurs fluorescents multicolores utilisables simultanément. Enfin, une nouvelle méthode d'estimation de la concentration de polluants métalliques présents dans un échantillon à partir de la réponse spectrale d'un mélange de biosenseurs non-spécifiques a été développée.