Le formaldéhyde (HCHO) est un polluant majeur de l’air intérieur. L’objectif de cette thèse est de réaliser les avancées scientifiques et technologiques nécessaires à l’obtention d’une méthode analytique basée sur un dispositif microfluidique de mesure du formaldéhyde dans l’air associant précision, sélectivité, rapidité d’analyse avec pour objectif majeur une autonomie suffisante sur de longues durées, typiquement un mois. Le principe de la méthode reposait initialement sur trois étapes clés, à savoir le piégeage du formaldéhyde gazeux en solution, la réaction du formaldéhyde avec un agent dérivatif, puis la détection du produit de dérivation par colorimétrie ou fluorimétrie. La méthode a finalement évolué vers seulement deux étapes distinctes grâce à l’utilisation d’un dispositif microfluidique innovant dans lequel le piégeage et la réaction ont lieu simultanément. L’étude des performances analytiques du dispositif a permis de valider la méthode développée pendant cette thèse. / Formaldehyde (HCHO) is a major pollutant in indoor air. The objective of this work is to realize the scientific and technological advances required to obtain an analytical method based on a microfluidic device to measure air formaldehyde combining precision, selectivity, analysis speed with for major objective a sufficient autonomy on a long time, typically one month. The principle of the method was initially based on three key steps, the gaseous formaldehyde uptake in solution, the formaldehyde derivatization reaction, then the detection of reaction product by colorimetry or fluorimetry. The method has finally advanced toward only two definite steps thanks to the use of an innovative microfluidic device in which uptake and reaction take place simultaneously. The study of analytical performances of the device allows to validate the method developedduring this work.

La compréhension de la couleur de polymères chargés, utilisés en revêtement de sol pour un environnement lumineux, peut être abordée soit par une approche perceptive, soit par une approche optique et spectrale de la couleur. Sur la base d'un travail principalement expérimental, les travaux de thèse explorent cette seconde voie. A partir de films composites calandrés, nous avons d'abord montré comment les types de polymères et de pigments, leur concentration, et la mise en forme de la surface, influencent l'aspect. D'une part, une formulation PVC existante ne peut être contretypée par une nouvelle matrice PE, en raison d'un fort couplage entre luminance et chrominance. Ce sont les écarts d'indices de réfraction aux interfaces entre particules et matrice, couplés aux pertes intrinsèques des pigments, qui interviennent au premier ordre pour expliquer la couleur. D'autre part, trois types de rugosité contrôlée induits par grainage ont permis de montrer que toutes les échelles, caractérisées par rugosimétrie confocale et AFM, influencent la luminance L* des matériaux, mesurée par gonio-spectro-colorimétrie. Le modèle géométrique proposé a permis de quantifier les variations de L* en fonction de la topographie des matériaux et de leur orientation. Le rôle de l'éclairage sur la couleur a été étudié avec une source halogène et une LED. L'analyse de matériaux PVC colorés a montré que l'approche spectrale permet de déterminer l'origine du métamérisme et de rechercher ses effets maximaux, par l'association de méthodes perceptive et quantitative dans l'espace CIE-L*a*b*. Le couplage des spectres d'émission des illuminants, de réflectance des matériaux, et de réponse de l'observateur est le principal résultat utilisé pour la conception d'un matériau à changement chromatique. Ces changements sont caractérisés et validés dans un espace réel, où intervient la réflexion-diffusion liée à l'environnement. La recherche par le design a finalement permis de faire émerger de nouvelles typologies de sol, à partir d'un revêtement d'aspect changeant en fonction de l'ambiance lumineuse. Si l'innovation s'accomplit au-delà de la seule réalisation des prototypes, ceux-ci révèlent néanmoins des variations d'aspects marquées pouvant induire de nouveaux usages du sol dans l'habitat. / The colour of filled polymers, used in flooring applications for a given lighting environment, can be dealt either with a perceptual approach or with an optical and spectral method. This thesis experimentally investigates the second option. The characterizations of calendered composite films lead to a better understanding about how the types of polymers and pigments, their volumetric concentration, and surface embossing, influence the visual aspect. On the one hand, no formulation made from PVC can be matched in colour with a new one made from PE, owing to a strong relationship between luminance and chrominance. In addition to the internal losses within fillers, the refractive index mismatch between matrix and fillers do account for chromatic variations amongst the materials. On the other hand, embossing materials with controlled surface roughness, which is measured by a confocal scanning system and AFM, proves that the luminance L*, measured by gonio-spectro-colorimetry, depends on all the roughness scales. Modelling the reflected L* based on geometric laws quantifies the variations in L* depending on the topography and the scan direction of the material. The influence of lighting on colour has been studied with a halogen and a LED light sources. The colorimetry of PVC colored materials reveals the need for a spectral approach in order to determine the origin of metamerism and to enhance its effects, by combining perceptual and quantitative methods within CIE-L*a*b* space. Matching the emission spectra of the illuminants, the reflectance spectra of the materials and those of the observer sensitivity, is the main result leading to the design of a new color-changing material. The color change has been characterized and qualitatively approved in a human-scaled box, where light reflection and scattering occurs from the walls. New flooring typologies have eventually stemmed from the research by design, putting forward a material that can tune its pattern with the lighting atmosphere. Making prototypes does not necessary lead to innovation. However, new ways, new thoughts about flooring in inner spaces may be brought forth by the strong visual change that has been obtained.

Nous avons développé des codes de calcul basés sur la théorie de Mie, pour prédire la réponse angulaire et spectrale de microsphères revêtues d'empilements multicouches concentriques, diélectriques ou métalliques. L'influence des paramètres est tout d'abord analysée avec précision : effet de taille, effet du revêtement, tolérance sur le rayon... L'analogie avec les fonctions optiques classiques (antireflet, miroir, filtres, séparateurs...) a retenu notre attention, et l'on montre qu'elle existe jusqu'à des rayons de l'ordre de 3 Μm, valeur critique en dessous de laquelle les résonances prédominent. Une étude colorimétrique a également permis de quantifier nombre d'effets colorés spécifiques à ces sphères multicouches.<br />La deuxième partie de notre travail a consisté en la réalisation des micro-composants. Pour cela nous avons entièrement mis au point une technologie de pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), pour fabriquer des couches minces optiques métalliques ou diélectriques. Pour revêtir les microsphères, nous les animons d'un mouvement aléatoire conféré par une membrane vibrante. Les résultats montrent que notre procédé fonctionne très correctement pour une fabrication en série, ouvrant ainsi la porte à des poudres optiques interférentielles. Ensuite le problème de la caractérisation est traité à l'aide d'un diffusomètre laser et d'un spectro-diffusomètre, pour tenter de mesurer une sphère isolée ou des collections de microsphères.<br />De façon générale, ce travail trouve des applications dans la couleur et cosmétique, la visualisation, la furtivité et les télécom, le biomédical...

The main objective of this thesis is to offer a practical solution to the problems encountered in color-critical industrial applications, caused by individual variability among observers with normal color vision, commonly referred to as observer metamerism. This work starts by conducting a comprehensive theoretical analysis on various aspects of the physiologically-based observer model proposed in 2006. In the context of color perception on modern narrow-band displays, the performance of this model in predicting average observer data was evaluated, and based on a nonlinear optimization, an improvement of the model was proposed. Next, several color-matching experiments were performed on two displays, confirming the effect of observer metamerism in display color matches. Then, based on a statistical analysis of a comprehensive visual dataset, eight colorimetric observer categories were identified. An experimental observer classification method was developed, and was implemented by means of a compact prototype, the Observer Calibrator. Visual experiments performed on the prototype proved that a small number of categories can be assigned to color-normal observers based on their color vision. Finally, an implementation of colorimetric observer categories in relevant industrial applications has been proposed, and nonlinear transformations that result in accurate color transformations between categories have been derived. It is hoped that the observer classification method, together with the compact and economical prototype, will be valuable contributions not only for industrial applications, but also for scientific research in the domains of color science and vision.

Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'immobilisation de biomolécules pour le développement d'outils d'analyse multiparamétrique pour la caractérisation d'échantillons biologiques et le diagnostic, sur un support de type biopuce couplé à une détection colorimétrique.Un premier axe de recherche concerne le développement de tests d'hybridation d'acides nucléiques et d'immunotests à haut-débit automatisés sur plaque de filtration. Cette méthode a permis la mise au point d'un test de génotypage automatisé pour le dépistage transfusionnel haut-débit (génotypage érythrocytaire étendu) en collaboration avec l'Établissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). Il permet d'analyser 96 échantillons en quatre heures, et de caractériser six génotypes par échantillon. Cet outil a fait l'objet d'une validation sur un panel de 293 donneurs.La seconde partie des travaux présentés s'intéresse au développement d'un procédé d'immobilisation d'oligonucléotides sur un polymère particulier (PolyshrinkTM) pour l'élaboration d'un système d'analyse miniaturisé. Plusieurs stratégies d'activation ont été envisagées et ont abouti à la mise au point d'une technique d'immobilisation d'oligonucleotides in situ dans des plots d'hydrogel. La méthode de fabrication permet d'obtenir une matrice de plots d'hydrogel de 60 µm de diamètre et d'une hauteur de 6 µm en moyenne. En outre, il a été démontré que les oligonucléotides immobilisés dans les plots pouvaient détecter de façon quantitative et sélective les cibles complémentaires présentes dans l'échantillon analysé en utilisant une détection par colorimétrie ou par chimiluminescence.

Les travaux présentés dans cette thèse s’intéressent à l’immobilisation de biomolécules pour le développement d’outils d’analyse multiparamétrique pour la caractérisation d’échantillons biologiques et le diagnostic, sur un support de type biopuce couplé à une détection colorimétrique.Un premier axe de recherche concerne le développement de tests d’hybridation d’acides nucléiques et d’immunotests à haut-débit automatisés sur plaque de filtration. Cette méthode a permis la mise au point d’un test de génotypage automatisé pour le dépistage transfusionnel haut-débit (génotypage érythrocytaire étendu) en collaboration avec l’Établissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). Il permet d’analyser 96 échantillons en quatre heures, et de caractériser six génotypes par échantillon. Cet outil a fait l’objet d’une validation sur un panel de 293 donneurs.La seconde partie des travaux présentés s’intéresse au développement d’un procédé d’immobilisation d’oligonucléotides sur un polymère particulier (PolyshrinkTM) pour l’élaboration d’un système d’analyse miniaturisé. Plusieurs stratégies d’activation ont été envisagées et ont abouti à la mise au point d’une technique d’immobilisation d’oligonucleotides in situ dans des plots d’hydrogel. La méthode de fabrication permet d’obtenir une matrice de plots d’hydrogel de 60 µm de diamètre et d’une hauteur de 6 µm en moyenne. En outre, il a été démontré que les oligonucléotides immobilisés dans les plots pouvaient détecter de façon quantitative et sélective les cibles complémentaires présentes dans l’échantillon analysé en utilisant une détection par colorimétrie ou par chimiluminescence. / The work reported in this thesis focuses on biomolecules immobilization for the development of multiparametric analysis tools on a biochip coupled with a colorimetric detection, applied to the characterization of biological samples and to diagnosis.The first concern was the development of high-throughput automated hybridization tests and immunotests on a filtration plate. This method led to the elaboration of an automated platform for extended blood group genotyping in collaboration with the Etablissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). It enables to analyze 96 samples in four hours and to characterize six genotypes per sample. Its analytical performances were validated on a panel of 293 blood donors.The second part of this work aimed to elaborate a new strategy for oligonucleotide immobilization on an innovative polymer (PolyshrinkTM) for the development of miniaturized analysis systems. Several approaches were evaluated and led to an in-situ immobilization of oligonucleotides in hydrogel dots technique. This method leads to 6 µm hydrogel dots with a diameter of 60 µm. Moreover it was demonstrated that such immobilized oligonucleotides were able to detect targets specifically and quantitatively using either a chemiluminescent or a colorimetric detection.

Les réacteurs-échangeurs à plaques (HEX) sont une technologie clé en intensification des procédés. Cependant, la plupart des recherches existantes portant sur ce type d'équipement ont été réalisées dans le cas d’écoulements monophasiques. Pour les réactions gaz-liquide, peu d'études ont été conduites. Cette thèse a pour objectif d’étudier localement le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés par une méthode dite colorimétrique. Ceci constitue une étape préliminaire indispensable avant la mise en œuvre de systèmes réactifs diphasiques. Il a d’abord déterminé si une possible accélération du transfert de matière gaz-liquide pouvait avoir lieu en présence de la réaction chimique utilisée. La deuxième phase de ce travail s’est focalisée sur l'étape de formation des bulles de Taylor dans un microréacteur. Ensuite, l'hydrodynamique gaz-liquide a été caractérisée et les effets des coudes sur le mécanisme de transfert de masse ont été étudiés localement dans un canal carré millimétrique ondulé. Enfin, une comparaison rigoureuse a pu être effectuée entre les différentes géométries de canaux (ondulé et droit). Elle a permis de montrer comment et pourquoi une géométrie ondulé permet d’intensifier le transfert de masse gaz-liquide (notamment en terme d’efficacité de transfert). L’ensemble de ces résultats ont conduit à la formulation une loi d'échelle, exprimée en termes de nombres de Sherwood, de Graetz et de Péclet, capable de décrire l'évolution du transfert de matière gaz-liquide en fonction de la position axiale dans le canal et des conditions opératoires mises en œuvre. / Compact Heat-EXchanger reactors (HEX) are an important part of process intensification technology. However, most of the existed research dealing with such type of equipment has been focused on the application of one-phase reactive flows. For gas-liquid reactions, few investigations have been out carried. This thesis aims at locally studying gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method; this is a preliminary step essential before implementing two-phase reactive systems. Firstly, the occurrence of a possible enhancement of the gas-liquid mass transfer by the chemical reaction involved was investigated. Secondly, the gas-liquid mass transfer occurring in Taylor flows right after the bubble formation stage in a microreactor was studied. Thirdly, the gas-liquid hydrodynamics were characterized and the effects of bends on the mass transfer mechanism were locally investigated in a millimetric meandering channel. At last, a rigorous comparison could be made between the meandering and straight channels. It showed how and why the meandering geometry leads to intensify gas-liquid mass transfer. All these findings enabled to formulate a scaling law, expressed in terms of Sherwood, Graetz and Péclet numbers, able to describe the evolution of gas-liquid mass transfer as a function of axial position and operating conditions.

L'évolution de la technologie CMOS autorise la réduction des dimensions transverses du pixel d'imageur qui atteignent aujourd'hui 1.75μm. Son épaisseur, en revanche, ne peut être réduite sans modifier le principe de filtrage existant, assuré par des résines colorées absorbantes dont l'épaisseur fixe le profil spectral en transmission. Ces résines ont, de plus, une faible tenue en température et doivent être positionnées au sommet de l'empilement métallo-diélectrique que constitue le pixel. Ces deux facteurs contribuent à la dégradation de la résolution optique du capteur. Dans ce mémoire, nous discutons des possibilités de les remplacer par des structures diffractives métalliques bi-périodiques, moins épaisses et plus résistantes aux traitements thermiques. Pour cela, une nouvelle formulation de la Méthode des Eléments Finis a été introduite. Cette technique, très générale, de résolution d'équations aux dérivées partielles est adaptée, de par sa flexibilité, à la richesse géométrique du pixel CMOS et à la complexité des structures diffractives pressenties. Dans un premier temps, cette méthode a été validée numériquement dans le cas scalaire, puis expérimentalement grâce à des photodiodes de test munies de réseaux mono-dimensionnels. Dans un second temps, la formulation a été généralisée au cas vectoriel de la diffraction d'une onde plane d'incidence et de polarisation arbitraires par un réseau bi-dimensionnel quelconque. Enfin, ce modèle est exploité pour dégager un jeu de paramètres opto-géométriques de réseaux croisés permettant de filtrer la lumière dans ses composantes Rouge, Verte et Bleue.

Le développement des LED de forte puissance, au début des années 2000, a engendré un besoin de caractérisation des propriétés radiométrique, photométrique et colorimétrique de ces sources, essentiellement pour des applications d'éclairage général. L'équipe « Rayonnements optiques » de l'Institut national de métrologie a étudié ces trois aspects en travaillant sur la thématique de la qualité de la lumière par le biais du rendu des couleurs lié à la perception visuelle. Des études ont été effectuées à partir de mesures physiques et visuelles sur des échantillons colorés éclairés par des LED montées dans une cabine à lumière. Les mesures physiques ont porté sur les répartitions spectrales des éclairages à LED à partir desquelles des paramètres colorimétriques (coordonnées chromatiques, température de couleur proximale, indices de rendu des couleurs) ont pu être évalués. L'analyse métrologique de ces données expérimentales a été réalisée à l'aide d'une méthode numérique de type Monte Carlo. Les mesures visuelles ont été obtenues à partir d'une expérience psychophysique reposant sur une méthode de comparaison par paires permettant de quantifier la qualité des éclairages à LED sur plusieurs échantillons colorés. Pour chaque échantillon, un classement des éclairages à LED, du meilleur au moins bon, a pu être proposé. La confrontation des résultats issus des mesures physiques et des mesures visuelles a conduit à présenter des pistes de quantification du rendu des couleurs des LED. Les résultats obtenus ont été transmis au comité technique TC 1-69 de la Commission internationale de l'éclairage (CIE), qui a pour rôle de définir une nouvelle recommandation pour l'évaluation des propriétés de rendu des couleurs des sources lumineuses d'ici à la fin 2010.

L’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) a fixé en 1998 la concentration maximale en arsenic dans l’eau de consommation à 10 ppb (μg/L). Dans le monde, plus de 100 millions de personnes sont exposées à des concentrations supérieures à 50 ppb. La toxicité, l’omniprésence et la mobilité de l’arsenic entraînent la nécessité de pouvoir le doser immédiatement sur le terrain. Il existe actuellement deux méthodes de dosage de terrain commercialisées. La première, onéreuse, est basée sur la voltammétrie (> 7000 €). La seconde à environ 2 €/analyse se présente sous le format de bandelette. Elle permet la mesure de teneurs en arsenic avoisinant les 10 ppb, mais nécessite la génération d’arsine (forme la plus toxique), l’utilisation de bromure de mercure et donne jusqu’à 33% de faux positifs. L’entreprise Novassay souhaite développer une nouvelle méthode de dosage de l’arsenic simple, rapide et efficace pouvant être utilisée directement sur le terrain. Ce travail présente dans un premier temps, un nouveau protocole issu d’une optimisation de la méthode dite au bleu de molybdène et de l’utilisation d’une membrane filtrante permettant une lecture colorimétrique sur support solide. Dans un deuxième temps, seront présentés les résultats obtenus sur le développement d’une méthode de dosage inédite de l’arsenic par l’intermédiaire de nanoparticules d’or. Dans cette partie, une molécule imaginée à partir de la structure d'un complexant naturel de l’arsenic sera synthétisée. Les tests de dosage de l’arsenic avec cette molécule seront réalisés sur deux types de nanoparticules d’or, les premières stabilisées au citrate, les secondes stabilisées au xylane. / In 1998, the World Health Organization (WHO) set the maximum concentration of arsenic in drinking water at 10 ppb (μg/L). In the world, more than 100 million people are exposed to concentrations upper than 50 ppb. The toxicity, ubiquity and mobility of arsenic imply the need to be able to dose it immediately on the field. There are currently two commercially available field dosing methods. The first, expensive, is based on voltammetry (> €7000). The second at about €2/analysis is available in the strip format. It allows the measurement of arsenic concentrations close to 10 ppb but requires the generation of arsine (the most toxic form of arsenic), the use of mercury bromide and gives up to 33% false positives. Novassay wants to develop a new simple, fast and efficient arsenic method that can be used directly in the field. Firstly, this work shows a new protocol resulting from an optimization of the molybdenum blue method and the use of a filtering membrane allowing a colorimetric reading on a solid support. In the second part of this work, the results obtained on the development of a novel method of dosing arsenic by the utilisation of gold nanoparticles will be presented. In this part, an imagined molecule from the structure of a natural complexant of arsenic will be synthesized. The arsenic assay with this molecule will be performed on two types of gold nanoparticles, the first stabilized with citrate, the second stabilized with xylan.