Le microbiote intestinal constitue un réservoir d'activités enzymatiques riche et varié dont l'expression fait partie intégrante de la physiologie de l'organisme et influe sur sa santé. La mise en évidence par méthodes culturales classiques des Archaea méthanogènes est difficile et n'a permis à ce jour que la mise en évidence de 2 Methanobacteriales hydrogénotrophes au sein de ce microbiote : Methanobrevibacter smithii et Methanosphaera stadtmanae. Les travaux de cette thèse ont eu pour but d'apporter une vision moléculaire nouvelle de la diversité des Archaea méthanogènes du microbiote et de rechercher l'influence de l'âge sur ces communautés. Ces travaux ont été menés par analyse d'une partie du cistron mcrA, marqueur moléculaire spécifique de la méthanogenèse, et du gène codant pour l'ARNr 16S. Ces études ont révélé une plus grande diversité des Archea colonisant cet écosystème et ont mis en évidence de nouveaux phylotypes ne pouvant être rattachés à aucun des 5 ordres méthanogènes précédemment décrits. Ils correspondent probablement à d'autres espèces méthanogènes affiliées aux Thermoplasmatales ou cohabitent avec des membres encore inconnus des Thermoplasmatales. Une étude réalisée sur 63 individus répartis en nouveau-nés, adultes et seniors a montré que la fréquence de ces nouveaux phylotypes augmente avec le vieillissement. Ces résultats interrogent à la fois sur l'origine de ces divers organismes et leur présence au sein du mcrobiote intestinal du sujet âgé et soulignent notre relative méconnaissance d'un des trois domaines du vivant.

Les méthodes d'analyse multivariée permettent d'extraire l'information présente dans les données spectroscopiques expérimentales pour la prédiction d'une propriété d'intérêt. La dimensionnalité des données en spectroscopie proche infrarouge est telle qu'une sélection des variables spectroscopiques et d'échantillons est nécessaire afin d'améliorer les performances, la robustesse des modèles ou de tendre vers une instrumentation simplifiée. L'analyse rapide de la composition chimique des échantillons textiles est fondamentale dans certaines applications. Une première étude concerne la détermination de la teneur en coton dans des mélanges de fibres coton/polyester et coton/viscose par spectroscopie proche infrarouge. Afin d'améliorer les capacités prédictives obtenues sur les spectres complets, deux procédures de sélection de variables, l'information mutuelle et les algorithmes génétiques, ont été appliquées. L'erreur standard de prédiction obtenue pour le lot coton/polyester est de 2,53% sur les 8 variables sélectionnées par l'information mutuelle. Une seconde étude présente l'analyse qualitative pour la classification d'échantillons textiles dans trois classes par rapport à une propriété physico-chimique d'intérêt. La méthode des support vector machine présente des résultats performants avec un taux d'échantillons bien classés en prédiction de 88,8%. La réduction arbitraire du nombre de variables spectroscopiques a permis de montrer que les capacités prédictives obtenues sur les spectres complets ne sont pas dégradées. Ces résultats sont confirmés par l'utilisation d'une instrumentation simplifiée.

Les industries de fabrication de matériaux plats sont utilisatrices de systèmes de mesure en ligne qui permettent de contrôler certaines caractéristiques. Les films plastiques constitués de plusieurs couches sont particulièrement employés pour le conditionnement des aliments grâce à leurs propriétés d'étanchéité. Une mesure spécifique de l'épaisseur des couches barrières est de grand intérêt. Les techniques actuelles de contrôle ne peuvent pas les discriminer. L'objectif est donc de développer un capteur spectroscopique infrarouge capable de mesurer une ou plusieurs couches par adaptation de modèles chimiométriques.<br />Le proche infrarouge permet l'analyse d'une plus large gamme d'épaisseur par rapport à l'infrarouge moyen, mais exalte les interférences optiques à cause des faibles absorbances. Ce problème est traité mathématiquement par la transformée de Fourier rapide et les ondelettes. Une méthode instrumentale basée sur la polarisation de la lumière à angle de Brewster s'avère être la plus efficace.<br />Des modèles prédictifs performants ont été développés par la méthode PLS pour les films monocouches. L'étude des films multicouches a nécessité la recherche d'une méthode de référence, aucune n'étant admise actuellement. Différentes techniques comme la microscopie électronique à balayage ou l'ellipsométrie spectroscopique ont été testées. Finalement, la superposition d'échantillons monocouches d'épaisseur connue a fourni de meilleurs résultats. Ceux-ci ont été confirmés par réflectométrique optique à faible cohérence. L'analyse quantitative des films plastiques est donc possible par spectroscopie proche infrarouge couplée à la chimiométrie.

La digestion anaérobie est un moyen de traitement des déchets solides produisant de l'énergie sous forme de biogaz (méthane et dioxyde de carbone). L'optimisation de la production de méthane passe par une sélection des déchets à fort potentiel méthane. Actuellement, la mesure du potentiel méthane est réalisée par le test BMP (Biochemical Methane Potential), qui repose sur une fermentation pouvant durer plus de 30 jours, ce qui est trop long pour une installation industrielle. Une méthode rapide de détermination du potentiel méthane est donc nécessaire. Le BMP est lié uniquement à la quantité et à la qualité de la matière organique. Cette méthode doit donc réaliser une analyse globale et rapide de la matière organique. L'objectif de la thèse a été d'identifier et d'étudier une méthode rapide d'analyse de la matière organique de déchets solides permettent de prédire le potentiel méthane. Suite au travail bibliographique, la spectroscopie proche infrarouge s'est révélée la méthode la plus appropriée: analyse globale et rapide, non destructive, préparation d'échantillon réduite, possibilité d'utiliser des fibres optiques pour déporter la mesure. Nous avons ensuite étudié des étalonnages pour prédire le potentiel méthane d'un ensemble homogène de 74 déchets. Un coefficient de corrélation de 0,76 et un écart standard de prédiction (RMSEP) de 28 ml CH4.g-1 MV ont été obtenus. Ensuite, les coefficients du modèle ont été analysés par rapport aux molécules présentes et rapprochés des variables sélectionnées par algorithme génétique afin de valider ce modèle d'un point de vue chimique. Enfin, la robustesse de ce modèle vis à vis de l'origine des échantillons et de l'humidité a été testée. Les résultats montrent clairement le fort potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour la prédiction du potentiel méthane. Pour une utilisation industrielle, il ressort qu'une attention particulière doit être portée sur l'ensemble d'étalonnage, qui doit être le plus exhaustif possible. / Anaerobic digestion is a solution to process solid waste, while producing energy by biogas production (methane and carbon dioxide). Methane production could be optimized by selecting only wastes with high methane potential. Currently, the BMP (Biochemical Methane Potential) test is conducted to predict the methane potential. This test is based on a fermentation process. It is time consuming, sometimes, lasting over 30 days, which is too long from an industrial point of view. A rapid method for determining the methane potential is therefore urgently needed. The BMP value depends only on the quantity and the quality of the organic matter, so a method capable of determining the quality and quantity of organic matter is searched for. The objective of this thesis was to identify and study such a method. First, a bibliographic study led us to chose the near infrared (NIR) spectroscopy method: fast and global analysis of the organic matter, non-destructive method, few or no sample preparation, and remote monitoring by use of fiber optics. Second, a calibration for predicting the BMP of and homogenous sample set has been built based on a 74-waste sample set. A correlation coefficient of R² = 0,76 and a standard error of prediction (RMSEP = 28 ml CH4.g-1 VS). Then, the regression coefficients (called b coefficients) were analysed with regard to the molecules in the waste and were compared to the variables selected from the spectrum, in order to validate the model from a chemical point of view. Finally, the robustness of the model, regarding the waste origins and the moisture was tested with heterogeneous samples set. Results show the potential of the near infrared spectroscopy to predict the methane potential quickly, but attention must be paid on the calibration data set when an industrial implementation is dealt with..

L'UMR ITAP d'IRSTEA à Montpellier et la société Pellenc SA souhaitent développer un système de mesure par spectrométrie visible - proche infrarouge permettant d'évaluer la qualité des olives et d'en suivre la maturité. La mesure doit être effectuée sur une seule olive et de manière non destructive. Les critères de maturité retenus pour une première phase d'étude sont les teneurs en eau et en huile. L'objectif de ces travaux est d'optimiser la mesure des critères de maturité par spectrométrie portable, en s'adaptant aux contraintes induites par l'objet d'étude et en levant des verrous imposés par la technologie retenue. En lien avec les objectifs industriels, trois questions scientifiques ont été soulevées :QS1 : Comment obtenir les valeurs de référence des critères de maturité à partir d'une seule olive ?QS2 : Comment mesurer le spectre d'une olive ? Quelle configuration optique est la plus adaptée à l'objet mesuré ? Quel volume de l'olive est interrogé lors de la mesure spectrale ? Le noyau intervient-il dans cette mesure ?QS3 : Comment étalonner la mesure spectrale ? Les modèles de prédiction sont-ils robustes au regard d'une variété non incluse dans leur étalonnage ? Comment inclure la masse du noyau dans les valeurs prédites ?Afin de répondre à ces questions, des études expérimentales et comparatives ont été menées. Pour la détermination de la teneur en huile (QS1) deux méthodes ont été évaluée, la résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'extraction à l'hexane, lorsqu'elles sont appliquées à la pulpe d'une olive unique. L'étude sur les différentes configurations optiques (QS2) a permis de mettre en évidence l'impact de chacune sur la mesure spectrale et ainsi déterminer si l'ensemble de ces configurations proposées (transmission, réflexion diffuse avec propagation guidée de la lumière au moyen d'une sphère, réflexion diffuse avec propagation libre de la lumière et rétrodiffusion) sont envisageables pour la mesure sur une seule olive. De plus, ces travaux se sont intéressés au volume de peau et de pulpe réellement interrogé lors de la mesure spectrale par une étude de la perte de lumière transmise à travers la peau et la pulpe. Le questionnement de l'étalonnage des mesures spectrales (QS3) a consisté en une analyse fine des modèles construits mais aussi en une étude de la robustesse et des différentes méthodes envisageables pour l'améliorer (sélection de longueurs d'onde, mise à jour des modèles, correction “biais-pente”, méthode DOP). Le dernier point traité par ces travaux de thèse est la prise en compte de la masse du noyau dans les valeurs prédites et l'évaluation des différentes méthodes pour réaliser cette correction.L'ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse ont servi à fournir des éléments pour guider la conception d'un outil portable de mesures par spectrométrie sur olives individuelles. / ITAP Research Unit of IRSTEA and Pellenc SA company want to developa visible - near infrared spectroscopy measurement system in order to assess the quality of olives and monitor their ripeness. The measurement has to be non-destructive and performed on a single olive. The ripeness criteria selected are water and oil content. The main objective of this work is to optimize the measurement of these criteria, recorded by a portable spectrometer, by taking into account the constraints linked to the studied object and by overcoming the obstacles imposed by the technology used. In relation to the industrial objectives, three scientific questions were raised :SQ1 : How to get the reference values of the ripeness criteria from a single olive ?SQ2 : How to measure the spectrum of one olive ? Which optical configuration isbest suited for an olive ? Which volume of the olive is actually analyzed during thespectral measurement ? Does the spectrum contain information about the kernel ?SQ3 : How to calibrate the spectral measurement ? Are the prediction models robustregarding a variety not used for the calibration step ? How to include the kernel mass in the predicted values ?In order to answer those questions, experimental and comparative studies have been led. As the determination of water content is easily transposable to a single olive, only the measurement of oil content is studied (SQ1). Two existing methods nuclear magnetic resonance and hexane extraction have been characterized end evaluated when they are applied to the pulp of a single olive.The comparative study conducted on different optical configurations(SQ2) has high-lighted the impact of each configuration (transmission, diffuse reflectance with guidedpropagation of light through a sphere, diffuse reflectance with free propagation of light and interactance) on the spectral measurement. This study has also determined if all of these configurations are suitable for the whole olive measurements. Furthermore, the real volume analyzed during the spectral measurement has been investigated by studying the loss of transmitted light through the skin and the pulp.In order to answer SQ3, the present work provides optimized models for prediction ofwater content on the one hand and oil content on the other hand. The robustness study leads us to consider different methods (Model Update, Biais and Slope, DOP, wavelength selection) depending on the correction set used and therefore the finality of the future device. Concerning the introduction of kernel mass in predicted values, it has be done using various methods which are more or less destructive. The choice of one of these methods has been be determined by the technical possibilities of the device and the minimum expected accuracy of water and oil content predictions.Therefore, the results of this thesis provide some elements to guide the development of a portable spectrometer for measurements on individual olive fruits.

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est la 3ème cause de mortalité par cancer dans le monde. L'identification de nouveaux marqueurs sériques est cruciale pour améliorer le pronostic. Dans ce travail, nous avons évalué l'intérêt de la spectroscopie vibrationnelle, infrarouge et Raman, appliquée au sérum pour le diagnostic du CHC. Dans un premier temps, nous avons réalisé 2 études pilotes pour évaluer le potentiel de ces deux approches. L'intérêt de la spectroscopie Raman appliquée au sérum a été évalué chez 37 patients cirrhotiques avec CHC et 34 patients cirrhotiques sans CHC. L'analyse des données spectrales a permis de classer les patients avec un taux d'exactitude diagnostique de 85 à 91%. Nous avons également démontré l'intérêt diagnostique de la spectroscopie IRTF dans une population de 40 patients avec CHC et 39 patients sans CHC. Dans cette étude, le taux d'exactitude diagnostique était de 82 à 86%. Dans un deuxième temps, nous avons mené une étude sur un plus grand nombre de patients afin de valider les résultats obtenus dans l'étude pilote IRTF. Les caractéristiques spectrales IRTF du sérum de 308 patients cirrhotiques avec CHC ont été comparées à celles du serum de 509 patients cirrhotiques sans CHC. L'analyse des données spectrales par deux méthodes de classification supervisée, SVM et PLS-DA, n'a pas permis de confirmer les résultats obtenus dans cette étude pilote. Avec un taux d'exactitude diagnostique entre 50 et 60 %, l'analyse spectrale IRTF du sérum entier n'apparait pas discriminante pour distinguer les patients cirrhotiques avec et sans CHC. Ce résultat souligne la nécessité de confirmer sur un grand nombre de patients les résultats obtenus dans des études pilotes. L'analyse spectrale ciblée sur des fractions du sérum pourrait permettre d'identifier plus efficacement des marqueurs diagnostiques en évitant la superposition des informations spectrales liées aux multiples molécules présentes dans le sérum entier. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is the third cause of cancer death in the world. The identification of novel serum markers is crucial to improve the prognosis. In this work, we evaluated the potentiels of vibrational spectroscopy, infrared and Raman spectroscopy, applied to serum to diagnose HCC. On a first step, two pilot studies were conducted to evaluate these two approaches. Raman spectroscopy applied to the serum was tested in 37 cirrhotic patients with HCC and 34 cirrhotic patients without HCC. Analysis of spectral data showed that it was possible to classify patients with a diagnostic accuracy rate of 85 to 91%. We also demonstrated the diagnostic performance of FTIR spectroscopy in a population of 40 patients with HCC and 39 patients without HCC. In this study, the diagnostic accuracy rate was 82 to 86%. In a second step, an FTIR study on a larger number of patients was performed to validate the results obtained in the pilot studiey. FTIR spectral characteristics of 308 serum from cirrhotic patients with HCC were compared with those of 509 cirrhotic patients without HCC. The supervised classification methods, SVM and PLS -DA were applied but did not confirm the results obtained in the pilot study. The diagnostic accuracy was between 50 and 60%, FTIR spectral analysis of whole serum does not appear discriminant enough to differentiate cirrhotic patients with and without HCC. This result highlights the need to confirm on a large number of patients results in pilot studies. Spectral analysis of serum fractions could be an alternative to more effectively identify diagnostic markers avoiding overlapping spectral information related to the complex composition of whole serum.

Que ce soit à des fins de contrôle qualité ou de veille concurentielle, la déformulation (action d'identifier et de quantifier les constituants d'un produit) représente aujourd'hui un véritable challenge analytique dans de nombreux domaines industriels tels que les cosmétiques, la santé, les matériaux... Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux mélanges complexes que sont les produits détergents tels que les lessives qui représentent un marché en constante croissance et en perpétuelle évolution. Dans ce secteur, en effet, les réglementations sont de plus en plus drastiques et les consommateurs plus exigeants ce qui entraine le développement de nouveaux produits plus respectueux de l'environnement et de la santé intégrant des tensioactifs bio-sourcés et des enzymes. Les lessives pouvant contenir jusqu'à 25 composés différents, nous nous sommes focalisés sur l'analyse de leurs composés majoritaires que sont les tensioactifs et les enzymes. Après avoir élaboré une échantillothèque exhaustive de ces produits, la RMN du proton et la spectrométrie Raman ont été utilisées pour identifier et quantifier les tensioactifs et la spectrométrie de masse des rapports isotopiques (IRMS) pour l'évaluation de leur origine bio-sourcée. Les résultats obtenus ont montré l'intérêt du couplage de la spectroscopie Raman avec des méthodes chimiométriques d'extraction du signal comme l'ICA et la MCR-ALS pour identifier et quantifier les tensioactifs. L'IRMS a permis d'identifier les tensioactifs d'origine bio-sourcée ainsi que le type de plantes (C3 ou C4) utilisé comme matière première pour leur synthèse. Les enzymes utilisées dans la formulation d'une lessive commerciale ont pu être identifiées et quantifiées grâce à l'association d'une méthode de précipitation des protéines avec une analyse par LC-MS/MS. Ces développements analytiques contribuent à la mise en place d'une méthodologie de la déformulation des produits détergents / Deformulation of complex mixtures requires analytical methods for compound identification and quantification. It still represents a real analytical challenge in various industrial fields, such as cosmetics, health, food, materials. In this context, we studied complex mixtures such as detergents and especially, laundry detergents, that represent a constantly growing market. Regulations becoming stricter and consumers requiring more eco-friendly products, manufacturers constantly innove detergent formulations by using bio-based surfactants or enzymes. Laundry detergents containing up to 25 compounds, we focused on the analysis of their major components, i.e. surfactants and enzymes. After developing a comprehensive sample library of such raw materials, 1H NMR and Raman spectrometry were used for surfactant identification and quantification while Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) was tested to evaluate their bio-sourced origin. Raman spectrometry combined with chemometric tools such as signal extraction methods was useful for surfactant identification and quantification. Enzymes were identified and quantified using protein precipitation before analyses by LCMS/ MS. All these analytical developments contribute to the establishment of a deformulation strategy for detergent products

L'analyse pertinente de l'information contenue dans les mesures instrumentales modernes nécessite le développement de méthodes algorithmiques performantes. La spectroscopie n'échappant pas à cette règle, nombre d'outils chimiométriques d'analyse multivariée ont été mis au point en conséquence. L'objectif de cette thèse est de participer à ces développements pour caractériser les spectres et les profils de concentration des composés intervenant lors de réactions photoinduites suivies en spectroscopique résolue en temps. Un premier travail concerne l'analyse du rang de données de différence. Une déficience de rang systématique de ces données a été mise en évidence. Une approche basée sur un algorithme de modélisation hybride est proposée en réponse à ce problème. En effet l'introduction d'un modèle cinétique compense cette déficience de rang des données. Le deuxième travail se rapporte à la caractérisation de l'influence du bruit (d'une part sur la mesure et d'autre part sur la résolution multivariée). Une analyse de la structure de corrélation du bruit permet d'expliquer les phénomènes de surajustement des méthodes de modélisation souple. Un second algorithme résout ce problème en pondérant les données en fonction d'une estimation de l'erreur de mesure. Ces points sont illustrés par deux applications ; premièrement une contribution à l'analyse du centre réactionnel de la bactérie <i>Rhodobacter sphaeroides</i> par spectroscopie IRTF et ensuite l'étude de la photorelaxation de la benzophénone par spectroscopie d'absorption transitoire.

Cette thèse s'intéresse à la photo-dynamique du photochromisme du salicylidène aniline (SA) en solution afin d'en proposer un mécanisme général. Le photochromisme du SA faisant intervenir un transfert de proton intramoléculaire ultra-rapide, l'étude expérimentale a été principalement conduite par spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde à différentes longueurs d'onde d'excitation. L'observation de processus photo-induits ultra-rapides par les techniques de spectroscopie de type pompe-sonde requiert la mesure et la prise en compte de la fonction de réponse instrumentale. En effet, des effets physiques peuvent affecter la structure des données spectrocinétiques, voire provoquer certaines distorsions, et la convolution limite la résolution temporelle des acquisitions. La première étape de ce travail a donc été d'adapter des méthodes chimiométriques de résolution des données multivariées à cette spécificité. L'approche proposée a consisté à implémenter une contrainte cinétique adaptée dans une résolution multivariée de courbes par moindres carrés alternés (MCR-ALS). Les développements méthodologiques ont été validés sur des données simulées avant d'être appliqués à l'étude spectroscopique du SA. Les principaux résultats obtenus concernent 1) le transfert de proton intramoléculaire, qui a été estimé à 60 fs, 2) la compétition avec un mécanisme de rotation qui a pu être caractérisé, 3) la dépendance des rendements quantiques avec la longueur d'onde d'excitation. Cette thèse propose ainsi une caractérisation complète des processus photo-induits pour le SA, c'est-à-dire les vitesses de réaction et les spectres de toutes les espèces transitoires.

Les spectroscopies vibrationnelles infrarouge et Raman sont de formidables techniques d'analyse pour la caractérisation d'échantillons complexes. Elles permettent effectivement d'accéder à une grande richesse d'information moléculaire. Au-delà des caractérisations macroscopiques de ces techniques, le couplage des spectromètres à des microscopes rend possible la génération de cartographies représentant les distributions spatiales des espèces chimiques de l'échantillon analysé. Malgré ce fort potentiel, ces spectroscopies sont mal adaptées à l'imagerie d'échantillons de taille micrométrique et submicrométrique. Leurs résolutions spatiales en partie fixées par la limite de diffraction sont effectivement restreintes. L'augmentation de la résolution spatiale est donc toujours un enjeu majeur pour permettre une meilleure caractérisation des échantillons analysés. Deux approches se sont dégagées pour améliorer cette limite. La première solution est centrée sur le développement instrumental comme par exemple la spectroscopie champ proche. La seconde approche algorithmique tente de repousser les limites de résolution de système optique par le traitement mathématique et statistique des images générées sur des spectromètres classiques en champ lointain. C'est dans ce cadre que s'inscrit notre recherche. Nous présenterons ainsi dans ce travail le développement et l'optimisation d'un nouveau concept dit de " super-résolution " adapté aux imageries des spectroscopies moyen infrarouge, proche infrarouge et Raman. Différents échantillons d'origines pharmaceutiques, biologiques ou environnementales seront alors exploités.