Ce travail de thèse porte sur l'indexation, normalisée par MPEG7, de séquences vidéos. A partir d'un flux MPEG1-2, ou de tout autre codec basé sur la prédiction de mouvement et la DCT, sans totalement le décompresser, nous exploitons l'analyse effectuée lors du codage. Ainsi de façon non-supervisée et en quasi temps réel, nous proposons une méthode d'estimation du mouvement de la caméra ainsi que d'extraction des objets en déplacement. Pour l'estimation du mouvement de la caméra, nous utilisons les vecteurs de prédiction temporelle présents dans le flux. L'étude des images d'erreur nous permet d'en évaluer la pertinence. Pour la détection des objets en mouvement, nous segmentons tout d'abord la séquence en zones de couleur uniforme directement sur les coefficients DCT. Nous établissons une distance colorimétrique, non seulement entre deux pixels voisins d'une image, mais aussi entre deux images successives, ce qui définit une zone en trois dimensions. Afin de segmenter plus précisément et de régulariser les contours sur chaque image, nous utilisons les B-Splines. Chaque objet candidat est déformé par la présence de tous ses voisins à partir d'un potentiel de couleur, ce qui, itérativement, permet d'éliminer les zones trop réduites. En combinant le mouvement de la caméra, les vecteurs de prédiction et les zones de couleur 2D+t, nous réalisons une fusion adaptative de façon à obtenir une bonne représentation des objets.

Le travail présenté dans ce mémoire a pour cadre le dispositif de réalité mixte ray-on, conçu par la société on-situ. Ce dispositif, dédié à la mise en valeur du patrimoine architectural et en particulier d'édifices historiques, est installé sur le lieu de l'édifice et propose à l'utilisateur une vision uchronique de celui-ci. Le parti pris étant celui du photo-réalisme, deux pistes ont été suivies : l'amélioration du mélange réel virtuel par la reproduction de l'éclairage réel sur les objets virtuels, et la mise en place d'une méthode de segmentation d'image résiliente aux changements lumineux.Pour la reproduction de l'éclairage, une méthode de rendu basé-image est utilisée et associée à une capture haute dynamique de l'environnement lumineux. Une attention particulière est portée pour que ces deux phases soient justes photométriquement et colorimétriquement. Pour évaluer la qualité de la chaîne de reproduction de l'éclairage, une scène test constituée d'une mire de couleur calibrée est mise en place, et capturée sous de multiples éclairages par un couple de caméra, l'une capturant une image de la mire, l'autre une image de l'environnement lumineux. L'image réelle est alors comparée au rendu virtuel de la même scène, éclairée par cette seconde image.La segmentation résiliente aux changements lumineux a été développée à partir d'une classe d'algorithmes de segmentation globale de l'image, considérant celle-ci comme un graphe où trouver la coupe minimale séparant l'arrière plan et l'avant plan. L'intervention manuelle nécessaire à ces algorithmes a été remplacée par une pré-segmentation de moindre qualité à partir d'une carte de profondeur, cette pré-segmentation étant alors utilisée comme une graîne pour la segmentation finale. / The work described in this report has as a target the mixed reality device ray-on, developed by the on-situ company. This device, dedicated to cultural heritage and specifically architectural heritage, is meant to be installed on-site and shows the user an uchronic view of its surroundings. As the chosen stance is to display photo-realistic images, two trails were followed: the improvement of the real-virtual merging by reproducing accurately the real lighting on the virtual objects, and the development of a real-time segmentation method which is resilient to lighting changes.Regarding lighting reproduction, an image-based rendering method is used in addition to a high dynamic range capture of the lighting environment. The emphasis is put on the photometric and colorimetric correctness of these two steps. To measure the quality of the lighting reproduction chain, a test scene is set up with a calibrated color checker, captured by a camera while another camera is grabbing the lighting environment. The image of the real scene is then compared to the simulation of the same scene, enlightened by the light probe.Segmentation resilient to lighting changes is developed from a set of global image segmentation methods, which consider an image as a graph where a cut of minimal energy has to be found between the foreground and the background. These methods being semi-automatic, the manual part is replaced by a low resolution pre-segmentation based on the depthmap of the scene which is used as a seed for the final segmentation.

L’objectif de cette thèse, dans le cadre de l'ANR TRICETOX (CESA, 2013-2017), était de développer des méthodes alternatives aux méthodes d’analyse chimiques classiques pour la détection spécifique des herbicides de la famille des β-tricétones. Ces nouveaux outils analytiques doiventt être faciles à utiliser, rapides, peu coûteux et devant répondre aux exigences imposées pour la détection de ces herbicides (valeur critique de 0,1 µg.L-1). Les β-tricétones ont pour cible spécifique l'enzyme p-HydroxyPhénylPyruvate Dioxygénase (HPPD), impliquée dans la biosynthèse des caroténoïdes, son inhibition entraîne un blanchiment des feuilles des plantes traitées. Deux stratégies ont été envisagées, basées sur l’inhibition de l’HPPD : un bio-essai colorimétrique à cellules entières utilisant un clone recombinant d'Escherichia coli exprimant l’HPPD d’Arabidopsis thaliana, et un biocapteur enzymatique à transduction électrochimique. Le principe du bio-essai repose sur la capacité du clone recombinant à produire un pigment brun à partir de la voie de catabolisme de la tyrosine. L’addition de β-tricétones entraîne une diminution de la pigmentation dans le milieu. Après optimisation des conditions opératoires, les LODs obtenues pour la mésotrione, la tembotrione, la sulcotrione et la leptospermone sont de 0,069, 0,051, 0,038 et 20 μM, respectivement. En format biocapteur, l'enzyme HPPD purifiée a été immobilisé sur la surface d’une électrode de graphite sérigraphiée. Le biocapteur à enzyme libre a permis l’obtention de limites de détection de 1,36-10 M, 1,25.10-11 M et 1,08.10-11 M pour la sulcotrione, la tembotrione et la mésotrione, respectivement. A ce jour, des échantillons réels ont été analysés sur le bio-essai et les résultats ont été validés par HPLC. / The goal of this thesis, in the frame of the ANR TRICETOX (CESA, 2013-2017), was to develop some alternative methods to conventional chromatographic methods for the monitoring of the β-triketone herbicides. These new analytical tools have to be easy to handle, fast, low-cost, and to respond to the requirements for the detection of these herbicides (critical value of 0.1 μg.L-1). The β-triketones specifically target the 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) enzyme, involved in the carotenoids biosynthesis in plants ; its inhibition results in foliage bleaching of the treated plant. Two strategies have been considered, both based on the HPPD inhibition : a whole-cell colorimetric bioassay involving a recombinant E. coli expressing the HPPD from A. thaliana, and an electrochemical enzymatic biosensor. The principle of the bioassay is based on the ability of the recombinant E. coli clone to produce a soluble brown pigment from tyrosine catabolism. The addition of β-triketone induces the decrease of the pigment production in the medium. After optimization of the operational conditions, the LODs obtained for mesotrione, tembotrione, sulcotrione, and leptospermone were 0.069, 0.051, 0.038, and 20 μM, respectively. In the biosensor format, the purified HPPD enzyme was immobilized on the surface of a screen-printed graphite electrode. Using the free enzyme biosensor, LODs as low as 1.36-10 M, 1.25.10-11 M and 1.08.10-11 M were obtained for sulcotrione, mesotrione and tembotrione, respectively. Up to date, real samples have been analyzed using the bioassay and the results were validated by HPLC.

Les satellites d'observation de la Terre fournissent des données multi-spectrales et panchromatiques ayant différentes résolutions spatiales, spectrales, temporelles, et radiométriques. La fusion d'une image panchromatique ayant une haute résolution spatiale, mais une basse résolution spectrale avec une image multi-spectrale ayant une basse résolution spatiale mais une haute résolution spectrale est très utile dans de nombreuses applications de télédétection nécessitant à la fois de hautes résolutions spatiales et spectrales. Dans l'image fusionnée les structures et les objets sont bien rehaussés et la classification de ces objets devient plus précise. Ces techniques de traitement d'image sont connues sous le nom de pansharpening ou techniques de fusion de résolutions. Dans cette thèse, trois algorithmes sont proposés pour la fusion dont deux dans la catégorie de substitution de composantes où nos principales contributions consistent à utiliser la transformée IHS et à rehausser la bande verte dans les zones de végétation. Dans le premier algorithme, la végétation est détectée en utilisant l'indice NDVI et le rehaussement de la végétation est effectué avant le processus de fusion. En revanche, pour le second algorithme le rehaussement de la végétation se fait après le processus de fusion et la végétation est délimitée à l'aide d'un nouvel indice (HRNDVI) proposé pour des images de hautes résolutions. HRNDVI est utilisé dans l'extraction de la végétation, même dans le cas complexe des zones urbaines où la végétation est dispersée. Ainsi, en utilisant HRNDVI, une nouvelle méthode a été proposée et testée pour extraire la végétation. Le troisième algorithme de pansharpening est inclus dans la catégorie multi-résolution basée sur la transformée NSCT. L'amélioration des résultats est assurée par l'utilisation d'un nombre de niveaux de décomposition réduit pour les images multi-spectrales et un nombre plus élevé de niveaux de décomposition pour l'image panchromatique. Cette stratégie permet d'aboutir à des résultats visuels et quantitatifs satisfaisants. En outre, la contribution de la thèse se trouve aussi dans l'évaluation de la qualité des images fusionnées. C'est ainsi qu'un nouveau protocole pour l'évaluation de la qualité est proposé. En fonction de l'application visée, il peut être réglé pour favoriser la qualité spectrale ou spatiale.

Cette thèse porte sur l'établissement de similarités de données textuelles dans le domaine de la gestion de la relation client. Elle se décline en deux parties : - l'analyse automatique de messages courts en réponse à des questionnaires de satisfaction ; - la recherche de produits à partir de l'énonciation de critères au sein d'une conversation écrite mettant en jeu un humain et un programme agent. La première partie a pour objectif la production d'informations statistiques structurées extraites des réponses aux questions. Les idées exprimées dans les réponses sont identifiées, organisées selon une taxonomie et quantifiées. La seconde partie vise à transcrire les critères de recherche de produits en requêtes compréhensibles par un système de gestion de bases de données. Les critères étudiés vont de critères relativement simples comme la matière du produit jusqu'à des critères plus complexes comme le prix ou la couleur. Les deux parties se rejoignent sur la problématique d'établissement de similarités entre données textuelles par des techniques de TAL. Les principales difficultés à surmonter sont liées aux caractéristiques des textes, rédigés en langage naturel, courts, et comportant fréquemment des fautes d'orthographe ou des négations. L'établissement de similarités sémantiques entre mots (synonymie, antonymie, etc) et l'établissement de relations syntaxiques entre syntagmes (conjonction, opposition, etc) sont également des problématiques abordées. Nous étudions également dans cette thèse des méthodes de regroupements et de classification automatique de textes afin d'analyser les réponses aux questionnaires de satisfaction. / This Ph.D. thesis is about the establishment of textual data similarities in the client relation domain. Two subjects are mainly considered : - the automatic analysis of short messages in response of satisfaction surveys ; - the search of products given same criteria expressed in natural language by a human through a conversation with a program. The first subject concerns the statistical informations from the surveys answers. The ideas recognized in the answers are identified, organized according to a taxonomy and quantified. The second subject concerns the transcription of some criteria over products into queries to be interpreted by a database management system. The number of criteria under consideration is wide, from simplest criteria like material or brand, until most complex criteria like color or price. The two subjects meet on the problem of establishing textual data similarities thanks to NLP techniques. The main difficulties come from the fact that the texts to be processed, written in natural language, are short ones and with lots of spell checking errors and negations. Establishment of semantic similarities between words (synonymy, antonymy, ...) and syntactic relations between syntagms (conjunction, opposition, ...) are other issues considered in our work. We also study in this Ph. D. thesis automatic clustering and classification methods in order to analyse answers to satisfaction surveys.

Le chlore est largement utilisé pour ses propriétés bactéricides dans les piscines. Dans les eaux de piscine, le chlore réagit avec les matières azotées et carbonées générées par l’activité humaine (sueur, salive, urine, peau) pour former divers composés toxiques tels que la monochloramine (NH2Cl), la dichloramine (NHCl2), le trichlorure d'azote (NCl3), le chloroforme (CHCl3), etc… qui se retrouvent dans l’atmosphère. La détection et la quantification de ces composés volatils à des teneurs ppb (partie par milliard) est un réel besoin afin de contrôler la qualité de l’air des piscines. Cependant il n’existe pas à ce jour des appareils à la fois sensibles et peu coûteux.L’objectif de ce travail de thèse est d’élaborer des capteurs chimiques colorimétriques, sensibles, sélectifs et peu coûteux de la monochloramine, du trichlorure d’azote et du chloroforme. Dans ce but, nous avons mis au point des capteurs chimiques réalisés à partir de matrices nanoporeuses de silicate dopée des réactifs. Ainsi le capteur de NCl3 dopé de NaI et d’amylose permet de mesurer de faibles teneurs de NCl3 (5 ppb à 180 ppb) dans les atmosphères humides (50-80% HR) des piscines. Grâce au changement rapide de couleur, de transparent à rose-violet, visible à l’œil nu, le capteur de NCl3 permet de surveiller la qualité de l’air dans les piscines. Le capteur sélectif de NH2Cl est basé sur la réaction de Berthelot. La matrice de silicate nanoporeuse dopée de nitroprussiate de sodium et de phénol en milieu alcalin, initialement transparente, devient bleue lors d’une exposition à NH2Cl gazeux. Ce capteur permet de détecter NH2Cl dans la gamme de 60 à 250 ppb dans une atmosphère très humide (≈ 80%). Utilisé pour la sonder la qualité des eaux de piscine, il permet de mesurer NH2Cl dans l’eau avec une limite de détection de 0,1 µmol•L-1. Une étude préliminaire de la détection de CHCl3 a également été entreprise pour déterminer les molécules-sonde aptes à réagir avec le chloroforme en formant des produits colorés. Les réactifs de la réaction de Fujiwara ont été sélectionnés. L’étude de la réactivité de la 2,2’-bipyridine en solution en présence d’une base forte a permis de mettre en évidence la formation simultanée de deux composés colorés, dont la formation dépend de la nature de l’environnement réactionnel. / In swimming-pools, chlorine is used as a disinfectant to minimize the risk to users from microbial contaminants. In water, chlorine reacts with nitrogen compounds generated by human activity like saliva, sweat, urine and skin, leading to the formation of toxic compounds, such as monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2), nitrogen trichloride (NCl3), chloroform (CHCl3), etc… The detection and the quantification of these volatile compounds at ppb level (part per billion) is an important and significant challenge to be able to monitor the air quality in swimming pool. Or, there is currently no commercially available and low-cost system which can instantaneously measure at ppb concentrations.The aim of this research is to develop a cheap, sensitive and selective chemical and colorimetric sensors of monochloramine, nitrogen trichloride and chloroform. For this purpose, we developed chemical sensors based on the use of nanoporous silicate matrices doped with probe-molecules. The NCl3 sensor doped with NaI and amylose can detect NCl3 at ppb level (5 ppb – 180 ppb) in humid atmospheres (from 50% to 80% relative humidity) at ambient pool temperatures. Due to the fast change of color, visible with naked eyes, these sensors can be used to detect peaks of pollution and to monitor the air quality of indoor pools. The NH2Cl selective sensor is based on the Berthelot reaction. The nanoporous silicate matrices doped with sodium nitroprusside and phenol in an alkaline medium, turn from transparent to blue upon exposure to gaseous NH2Cl. This sensor can detect NH2Cl in the range from 60 to 250 ppb in a very humid atmosphere (≈ 80%). Used to probe the quality of pool water, this sensor can detect NH2Cl in water with a detection limit of 0,1 µmol•L-1. A preliminary study of the CHCl3 detection was also conducted to identify probe-molecules capable of reacting with chloroform to form colored products. The reagents of the Fujiwara reaction were selected. The study of the 2,2’-bipyridine reactivity in solution in the presence of a strong base allowed highlighting the simultaneous formation of two colored compounds, whose formation depends on the nature of the reaction environment.

D’un point de vue général, les travaux de recherche de cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’une approche globale quiconsiste à extraire des informations relatives aux toitures de bâtiments à partir de photos aériennes (orthophotoplans). L’objectifétant de pouvoir reconnaître des toitures extraites d’images aériennes en utilisant une base de connaissances, puisaffiner/déformer des modèles 3D générés automatiquement à partir de données géographiques. Pour cela, une premièreétape consiste tout d’abord à partitionner l’image aérienne en différentes régions d’intérêt (pans de toiture, cheminées,chiens assis, fenêtres, etc.), c’est la contribution de cette thèse.La méthodologie permettant d’atteindre cet objectif est composée de trois étapes : (i) Une étape de simplification qui consisteà simplifier l’image initiale avec un couple invariant/gradient approprié et optimisé pour l’application. Pour cela, unesérie de tests permettant de choisir, d’une part, l’invariant colorimétrique le plus approprié parmi 24 invariants et, d’autrepart, le meilleur gradient parmi 14 gradients issus de la littérature est réalisée. (ii) La deuxième étape comporte deux stratégiesde segmentation par LPE. L’image simplifiée est segmentée d’une part par une LPE-régions couplée à une stratégiede fusion de régions, et d’autre part, par une LPE-contours. Le processus de fusion de régions intègre des critères defusion fondés sur des grandeurs radiométriques et géométriques adaptés aux particularités des orthophotoplans traités.Une technique de caractérisation 2D des arêtes de toitures par une analyse des segments est proposée afin de calculerl’un des critères de fusion. (iii) La troisième étape consiste à combiner les avantages de chaque méthode dans un mêmeschéma de segmentation coopératif afin d’aboutir à un résultat de segmentation fiable. Les tests ont été effectués sur unorthophotoplan contenant 100 toitures de complexité variée et évaluées avec le critère de VINET utilisant une segmentationde référence afin de prouver la robustesse et la fiabilité de l’approche proposée. Une étape de comparaison permettantde situer les résultats obtenus via notre approche proposée par rapport à ceux obtenus pas les principales méthodes desegmentation de la littérature est finalement effectuée. / The work presented in this thesis is developed in a global approach that consists in recognizing roofs extracted from aerialimages using a knowledge database, and bending out 3D models automatically generated from geographical data. Themain step presented in this thesis consists in segmenting roof images in different regions of interest in order to provideseveral measures of roofs (section of roofs, chimneys, roof light, etc).The method aimed at achieving this goal is composed of three principal steps: (i) A simplification step that consists insimplifying the image with an appropriate (optimized for the application) couple of invariant/gradient. For that, several testshave been performed to choose a suitable colorimetric invariant among a set of 24 invariants and define the best gradientamong 14 gradients (eight gray level gradients and six color gradients) of the literature. (ii) The second step is composedof two main treatments: On the one hand, the preliminary orthophotoplan segmentation is produced using the watershedregions applied on the simplified image. An efficient region merging strategy is then applied in order to deal with theover-segmentation problem. The regions merging procedure includes a merging criteria adapted to the orthophotoplanparticularities. In order to calculate one of the merging criteria, a 2D modeling of roof ridges strategy is proposed. Onthe other hand, the simplified image is segmented by the watershed lines. (iii) The third step consists in integrating bothsegmentation strategies by watershed algorithm into a single cooperative segmentation scheme to achieve satisfactorysegmentation results. Tests have been performed on an orthophotoplan containing 100 roofs with varying complexity andevaluated with VINET criteria using a ground truth image segmentation. Comparison results with five popular segmentationtechniques of the literature demonstrates the effectiveness and the reliability of the proposed approach.

D'un point de vue général, les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans le cadre d'une approche globale quiconsiste à extraire des informations relatives aux toitures de bâtiments à partir de photos aériennes (orthophotoplans). L'objectifétant de pouvoir reconnaître des toitures extraites d'images aériennes en utilisant une base de connaissances, puisaffiner/déformer des modèles 3D générés automatiquement à partir de données géographiques. Pour cela, une premièreétape consiste tout d'abord à partitionner l'image aérienne en différentes régions d'intérêt (pans de toiture, cheminées,chiens assis, fenêtres, etc.), c'est la contribution de cette thèse.La méthodologie permettant d'atteindre cet objectif est composée de trois étapes : (i) Une étape de simplification qui consisteà simplifier l'image initiale avec un couple invariant/gradient approprié et optimisé pour l'application. Pour cela, unesérie de tests permettant de choisir, d'une part, l'invariant colorimétrique le plus approprié parmi 24 invariants et, d'autrepart, le meilleur gradient parmi 14 gradients issus de la littérature est réalisée. (ii) La deuxième étape comporte deux stratégiesde segmentation par LPE. L'image simplifiée est segmentée d'une part par une LPE-régions couplée à une stratégiede fusion de régions, et d'autre part, par une LPE-contours. Le processus de fusion de régions intègre des critères defusion fondés sur des grandeurs radiométriques et géométriques adaptés aux particularités des orthophotoplans traités.Une technique de caractérisation 2D des arêtes de toitures par une analyse des segments est proposée afin de calculerl'un des critères de fusion. (iii) La troisième étape consiste à combiner les avantages de chaque méthode dans un mêmeschéma de segmentation coopératif afin d'aboutir à un résultat de segmentation fiable. Les tests ont été effectués sur unorthophotoplan contenant 100 toitures de complexité variée et évaluées avec le critère de VINET utilisant une segmentationde référence afin de prouver la robustesse et la fiabilité de l'approche proposée. Une étape de comparaison permettantde situer les résultats obtenus via notre approche proposée par rapport à ceux obtenus pas les principales méthodes desegmentation de la littérature est finalement effectuée.

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs. / Biosensing paper attracts increasing attention due to its benefits of being simple, visible, portable and useful for detecting various contaminants, pathogens and toxins. While there has been no bioactive paper commercialized since glucose paper strips developed in the fifties, many research groups are working to immobilize biomolecules on paper to achieve a bioactive paper that is affordable and has good shelf life. The goal of this research is to develop some highly useful bioactive paper that could, for example, measure blood glucose, or immediately detect and simultaneously deactivate pathogens such as neuraminidase and E.coli. Previously, bioactive paper was produced either through physically absorbing biorecognition elements or printing bio-ink onto paper substrate. Our methodology for fabrication of bioactive paper strips is compatible with existing paper making process and includes three procedures: the fabrication of microcapsules, enzyme or antibody microencapsulation, immobilization of enzymes or antibody-entrapped microcapsules into paper pulp. The first step, in fabricating of bioactive paper strips is to produce biocompatible and inexpensive microcapsules with suitable parameters. To do so, two types of microencapsulation methods were compared; the emulsion method and the vibration nozzle method accomplished with an encapsulator. The parameters for producing optimal microcapsules with both methods were studied. Factors that affect their diameter, wall thickness, shell pore size, encapsulation efficiency and membrane compositions were also discussed. By comparison, microcapsules prepared with poly(ethyleneimine) (PEI) by the emulsion method exhibit properties that were more suitable for enzyme encapsulation and paper making process, whereas the microcapsules prepared by the vibration nozzle method were too big to be immobilized within paper pulp, and had lower encapsulation efficiency, enzymatic activity and productivity. Thus the emulsion method was chosen for subsequent experiments such as enzyme and antibody microencapsulation and bacterial vaginosis (BV) paper preparation. Microcapsules made by the emulsion method were semi-permeable in that the diffusion of substrate and product molecules were allowed freely across the membranes but the encapsulated enzymes would be retained inside. Glucose oxidase from Aspergillus niger (GOx) and laccase from Trametes versicolor (TvL) microcapsules showed high encapsulation efficiency, but the encapsulation process caused a severe decrease in the specific activities of both enzymes. Results from circular dichroism (CD) studies, fluorescence properties, enzymatic activities of free enzymes and Michaelis-Menten behavior demonstrated that the Vmax decrease for GOx was due to the restriction of diffusion across microcapsule membranes with pore size less than 5 nm. The microencapsulation process improved the thermal stability of GOx but decreased that of laccase. Bioactive papers were fabricated either by incorporating microcapsules containing different enzymes or empty microcapsules soaked in substrate and enhancer solution into the paper pulp during the sheet making process. Both the GOx and the BV paper strips underwent a color change in the presence of glucose and potassium iodide, and sialidase from Clostridium perfringens respectively. Some preliminary studies on antibody sensitized microcapsules, in which antibody was either encapsulated within the PEI microcapsules or conjugated to its membranes, were also performed. Our objective was to establish an enzyme immobilization platform based on microencapsulation techniques for paper based biosensors. Even though our current studies only focused on the microencapsulation of two enzymes, TvL and GOx, as well as the bioactive paper preparation, a similar approach can be applied to other enzymes. We believe that this immobilization method can potentially be employed for bioactive paper preparation on an industrial scale.