Measurement science has seen fast growth of data in both volume and complexity in recent years, new algorithms and methodologies have been developed to aid the decision<br>making in measurement sciences, and this process is automated for the liberation of labor. In light of the adversarial approaches shown in digital image processing, Chapter 2 demonstrate how the same attack is possible with spectroscopic data. Chapter 3 takes the question presented in Chapter 2 and optimized the classifier through an iterative approach. The optimized LDA was cross-validated and compared with other standard chemometrics methods, the application was extended to bi-distribution mineral Raman data. Chapter 4 focused on a novel Artificial Neural Network structure design with diffusion measurements; the architecture was tested both with simulated dataset and experimental dataset. Chapter 5 presents the construction of a novel infrared hyperspectral microscope for complex chemical compound classification, with detailed discussion in the segmentation of the images and choice of a classifier to choose.<br>

<p>The thesis consists of two main parts of nonlinear optical instrumentation development. </p> <p>Fluorescence-detected mid-infrared photothermal (F-PTIR) microscopy is demonstrated for sub-diffraction limited mid-infrared microspectroscopy of model systems and applied to probe phase transformations in amorphous solid dispersions. To overcome the diffraction limit in infrared imaging, a highly localized temperature-dependent photothermal effect is an attractive alternative indicator to infrared absorption. Photothermal atomic force microscopy infrared spectroscopy (AFM-IR) achieves nanometer resolution by monitoring heat caused expansion but only restricted on the surface. For 3D imaging, optically detected photothermal infrared (O-PTIR) combines an infrared laser with a visible probe source with to transduce photothermal refractive index changes (e.g., from changes in beam divergence or scattering). The sensitivity of O-PTIR is ultimately limited by the relatively weak dependence of refractive index with temperature, exhibiting changes of ~0.01% per oC. Fluorescence-detected photothermal mid-infrared (F-PTIR) spectroscopy (Fig. 1) is demonstrated herein to support 3D imaging with improved photothermal sensitivity. In F-FTIR, the sensitivity of fluorescence quantum efficiency to temperature change (~1-2% per oC) is used to transduce transient heat flux from localized IR absorption. The infrared spatial resolution of F-FTIR is defined by fluorescence microscopy and the thermal diffusivity of the sample instead of infrared wavelength. Initial F-PTIR proof of concept studies are described for microparticle assemblies of silica gel and polyethylene glycol, followed by applications of F-PTIR for analysis of localized composition within phase-separated domains induced by water vapor exposure of an amorphous solid dispersion (ritonavir in copovidone).</p> <p>Fluorescence recovery while photobleaching (FRWP) is demonstrated as a method for quantitative measurements of rapid diffusion mapping over the microsecond to millisecond time scale. Diffusion measurements are critical for molecular mobility assessment in cell biology, materials science and pharmacology. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) is a well-known noninvasive optical microscopy method for measuring diffusion coefficients of macromolecules, such as proteins in cells and viscous solutions. However, conventional point-bleach FRAP is challenging to implement with multi-photon excitation and typically only supports diffusion analysis over millisecond time scales due to camera frame rate limitations. FRWP with patterned illumination addresses these limitations of FRAP by probing the fluorescence intensity changes while bleaching a comb pattern within a field of view (FoV). Fast-scanning of an ultrafast excitation beam distributes heat rapidly over multiple adjacent pixels, minimizing local heating effects that could complicate analogous diffusion measurements by point-bleach FRAP with multiphoton excitation. In FRWP, time-scales of the probed diffusion events are defined by a single line-pass time of a resonant scanning-mirror with a period of 125  s. In FRWP, the bleach pattern spans locations across the whole FoV, enabling diffusion mapping through image segmentation. More than a hundred bleaching and recovery events can be recorded during a single 10s measurement. Normal and anomalous diffusion of rhodamine-labeled bovine serum albumin (BSA) molecules was studied as a model system, with applications targeting rapid assessment of therapeutic macromolecule mobility within heterogeneous biological environments.</p>

<p>The overall time and cost for a drug to go from the drug discovery to the consumer market is  significant,  showing  a  need  for  improved  drug  testing  and  discovery  methods.    Work  on nonlinear  optical  methods  for  both  small  active  pharmaceutical  ingredient  drug  formulation analysis and large biological therapeutic stability testing has been shown to improve testing times for formulation, stability and dissolution testing.  Herein, we review the existing and conventional approaches to address stability testing that the pharmaceutical industry uses, and how leveraging nonlinear optical (NLO) methods can improve the current challenges.  The specificity, sensitivity and low limit of detection of second harmonic generation is discussed in application to crystal formation in small-molecule active pharmaceutical ingredients.  The nonlinear optical methods second harmonic generation and two-photon excited ultraviolet fluorescence are directly compared to  ‘gold  standard’  powder  X-ray  diffraction,  which  is  commonly  used  for  measuring  crystal formation and growth of active pharmaceutical ingredients in amorphous solid dispersions.  In addition, the existing FRAP method (with multiple limitations) is improved upon with the ability to  perform  recovered  diffusion  coefficient  data  analysis  in  the  spatial  Fourier  domain.    The collective results discussed in this thesis are just a small subset of the total breadth of investigations marrying the new challenges in the pharmaceutical industry with the new NLO tools tailored to meet them</p>

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans de nombreux cas, le développement de surfaces aux propriétés adhésives spécifiques fait appel à l’utilisation « d’interfaces décorées ». Ces interfaces sont composées d’un substrat solide sur lequel des chaînes de polymère sont plus ou moins bien ancrées. Ces chaînes se couplent mécaniquement au matériau environnant et contrôlent la transmission des contraintes de friction et d'adhésion aux interfaces. Ce couplage dépend en particulier de la pénétration des chaînes de surface dans la matrice et de leur dynamique. Dans cette thèse, les systèmes que nous avons étudiés sont constitués d’une couche de chaînes de polymère dont une extrémité est liée de manière covalente à un substrat solide. Ces brosses de polymère, constituent un système modèle pour des interfaces décorées. Notre objectif a été d’étudier la conformation et la dynamique de ces chaînes greffées lorsque ces dernières sont soumises à différents types de sollicitations afin de comprendre les mécanismes moléculaires régissant les propriétés d’adhésion et de friction de ce type d’interface. Dans un premier volet, nous avons étudié par réflectivité de neutrons la cinétique de cicatrisation d'une interface composée initialement de chaînes greffées recroquevillées sur un substrat et en contact avec un fondu. Lorsque le système est amené à une température supérieure à la température de transition vitreuse, les chaînes de polymère retrouvent une mobilité non nulle permettant ainsi la pénétration des chaînes greffées dans le fondu de polymère. La réflectivité de neutrons nous a permis d'une part de sonder à l'échelle moléculaire la cinétique de cicatrisation de ce type d’interface et d'autre part de la quantifier. L'influence des paramètres moléculaires sur cette cinétique de cicatrisation a pu être observée, ce qui nous a permis de proposer un modèle en loi d'échelle permettant d'apporter une interprétation physique au phénomène étudié. La deuxième partie de ce travail de thèse a consisté en l'élaboration d'un dispositif expérimental permettant de cisailler un système brosse/fondu au-dessus de la température de la température transition vitreuse et de geler la conformation des chaînes greffées dans leur configuration cisaillée. L'inversion des spectres de réflectivité neutrons associés a permis de mettre en évidence l'influence du cisaillement sur le degré d'interpénétration entre la brosse et le fondu qui régit la transmission des contraintes de friction sur ce type d'interface. De plus, nous avons pu mesurer la cinétique de relaxation de chaînes greffées, cisaillées au préalable, et la comparer aux expériences d’interdigitation simple. Cette comparaison a permis de divulguer l’importance du type de sollicitation sur la cinétique de relaxation d’une interface brosse / fondu.Nous avons également observé que la cinétique de relaxation et la conformation de chaînes greffées peuvent être altérées lorsque ces dernières sont confinées dans un film d'épaisseur comparable au rayon de giration des chaînes. Une étude systématique par réflectivité de neutrons a permis de mettre en évidence une accélération de la cinétique de relaxation du système en dessous d'une épaisseur critique qui pourrait être interprétée en termes de déplacement de la température de transition vitreuse. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le glissement de solutions de polymères sur une surface greffée. La fraction volumique en chaînes libres dans la solution est un paramètre supplémentaire aux trois cas précédents qui contrôle ici le degré d'interpénétration entre chaînes libres et chaînes greffées. Une première approche théorique a permis de dissocier différents régimes de glissements à la paroi en fonction de fraction volumique. Nous avons entrepris une première série d'expériences de vélocimétrie laser après photolyse afin de mesurer le glissement à la paroi de solutions de polymère et de confronter les résultats expérimentaux avec notre approche théorique. / In many cases, the development of surfaces with specific adhesive properties involves the use of "decorated interfaces." These interfaces consist of a solid substrate on which polymer chains are more or less well anchored. These chains are mechanically coupled to the surrounding material and control the transmission of friction and adhesion stresses at the interfaces. This coupling depends particularly on the penetration of the surface chains within the matrix and on their own dynamics. In this thesis, the systems we investigated are composed of a layer of polymer chains whose end is covalently linked to a solid substrate. These, so called, polymer brushes, provide a model system for decorated interfaces. Our objective was to study the conformation and dynamics of these grafted chains when they are subjected to different types of stress in order to understand the molecular mechanisms governing the adhesion and friction properties of this type of interface.In the first part, we investigated the healing kinetics of an interface composed initially of grafted chains collapsed on a substrate and in contact with a molten by using neutron reflectivity. When the system is brought above the glass transition temperature, the polymer chains mobility is high enough to allow the penetration of the grafted chains within the polymer melt. Neutrons reflectivity allowed us to probe at the molecular scale and to quantify the healing kinetics of this type of interface. The influence of molecular parameters on this healing kinetics was observed, which allowed us to propose a scaling law model to give a physical interpretation to the phenomenon studied.The second part of this thesis consisted in the development of an experimental setup which is able to shear a brush / melt interface above the glass transition temperature and to freeze the conformation of chains grafted in their sheared conformation. The inversion of the associated neutron reflectivity spectra made it possible to demonstrate the influence of shear on the degree of interpenetration between the brush and the melt which governs the transmission of stresses. In addition, we measured the kinetics of relaxation of grafted chains previously sheared and we compared it to the interdigitation experiments. This comparison highlighted the influence of the kind of solicitation on the relaxation kinetics of a brush/melt interface.We also observed that the relaxation kinetics and the conformation of the grafted chains may be altered when they are confined in a film which thickness is comparable to the radius of gyration of the chains. A systematic study using neutron reflectivity was conducted and highlighted an acceleration of the relaxation kinetics of the system below a critical thickness which could be interpreted in terms of a shift in the glass transition temperature.Secondly, we studied the slip of polymer solutions onto a grafted surface. The volume fraction of free chains in solution is an additional parameter which controls the degree of interpenetration between free chains and grafted chains. A first theoretical approach showed that different slip regimes can occur as a function of volume fraction. We have undertaken a first series of experiments using laser velocimetry after photobleaching to measure the surface velocity of flowing polymer solutions and to compare the experimental results to our theoretical approach.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.

Des solutions d'isolat de protéine de lactosérum (WPI) et d'isolat de protéine de soja (SPI) ont été chauffées à différentes concentrations en protéines conduisant à la formation d'agrégats fractals polydisperses de taille moyenne variable. Lastructure des solutions a été analysée par diffusion de la lumière en fonction de la concentration en protéine. La compressibilité osmotique et la longueur de corrélation dynamique diminuent quand la concentration augmente deviennent indépendantes de la taille initiale des agrégats pour les suspensions denses. Pour une taille d'agrégat donnée, la viscosité augmente initialement exponentiellement avec la concentration croissante puis diverge. Plus lesagrégats sont grands, plus l’augmentation de la viscosité apparaît à des concentrations faibles. La dépendance avec la concentration de la viscosité des solutions d'agrégats fractals est beaucoup plus forte que celle de microgels. Le comportement de mélanges de différents types d’agrégats (fractals/fractals ; fractals/microgels et WPI/SPI) a étéétudié principalement par rhéologie.Le recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) a été utilisé pour étudier la diffusion de chaînes de dextran marquées par des fluorophores dans des solutions d’agrégats et des gels de WPI. Une diffusion brownienne estobservée dans des suspensions d’agrégats et des gels faibles formés juste au-delà de Cg avec un coefficient de diffusion (D) qui diminue avec l'augmentation de la concentration mais, avec une dépendance plus faible que celle de la viscosité (). A des concentrations plus élevées, des gels densément réticulés sont formés, ce qui induit une forte diminution de la mobilité des chaînes de dextran. Pour ces systèmes, la recouvrance de la fluorescence est logarithmique avec le temps,suggérant une distribution exponentielle des coefficients de diffusion. La diffusion des chaînes de dextran a également été étudiée en fonction de la concentration en protéines pour les suspensions de trois types d'agrégats de WPI (petits et grands fractals et microgels). / Polydisperse fractal aggregates of varying average sizes were formed when solutions of whey protein isolate and soy protein isolate were heated at different protein concentrations and at neutral pH. The structure of these fractals aggregates solutions was analyzed by light scattering as a function of protein concentration. In dense suspension, the osmotic compressibility and the correlation length decreases with increasing concentration and become independent of the initial aggregate size. In this concentration regime, the aggregates are strongly interpenetrated and can be visualized as a set of "blobs". For a fixed aggregate size, the viscosity initially increases exponentially with increasing concentration and then diverges at the gel point. Larger fractal aggregates show a more important increase of the viscosity with increasing concentration than smaller aggregates, because they are less dense. The increase of the viscosity was much stronger for large fractal aggregates than for homogeneous microgels (microgels were formed by heating the WPI solution in present of CaCl2) of the same size.Dynamic light scattering, rheology and FRAP measurements were performed to investigate mixtures of different type of aggregates of WPI (fractals/fractals, fractals/microgels) and fractals of mixtures of WPI and SPI. Flow measurements were used to characterise the rheological properties of the aggregate suspension whereas Fluorescence recovery after Photobleaching (FRAP) was used to determine the self diffusion of fluorophore-labelled dextrans chains in mixtures over a wide range of concentrations. The results were compared to the concentration dependence of zero shear viscosity, gel stiffness, osmotic compressibility and correlation length. Brownian diffusion of the dextran chains was observed in aggregate suspensions and weak gels formed just above the gel point with a diffusion coefficient that decreased with increasing concentration, but the dependence was weaker than that of the viscosity. At higher concentrations, densely crosslinked gels were formed, which induced a sharp decrease in the mobility of the dextran chains. For these systems, the recovery of fluorescence was logarithmic over time, suggesting an exponential distribution of diffusion coefficients.

Les pathologies inflammatoires vasculaires (PV) et articulaires (PA) représentent aujourd'hui la cause principale de la mortalité et d’invalidité dans les pays industrialisés. Comme les causes exactes favorisant leur apparition restent inconnues, le présent travail a proposé de nouvelles méthodes physiques susceptibles de détecter les premiers stades inflammatoires en utilisant des marqueurs spécifiques et d'étudier les changements mécaniques et structuraux subis par les tissus vasculaires et le liquide synovial (LS). Les PV peuvent être détectées en utilisant les examens IRM. Afin d’améliorer l’efficacité des agents de contraste IRM ceux-ci peuvent être greffés avec des anticorps. En utilisant la Spectroscopie de Force (SF), un mode de la Microscopie à Force Atomique, l’affinité établie entre un nouvel anticorps, le Fucoidan, et le marqueur spécifique P-Selectine a été analysé. L’étude sur PV a été finalisée en utilisant les mêmes techniques SF en mesure d’indentation afin de connaitre les changements de propriétés mécaniques entre les tissus vasculaires sains et pathologiques. Les modifications dans la dynamique du LS déclenchées par l'une des molécules incapables de réagir selon leur fonctionnalité peuvent conduire aux PA. Aussi la technique SF a été utilisée pour étudier le comportement de chaque composant moléculaire du LS. Il a été prouvé l’affinité de ces composants pour les bicouches lipidiques (BL), fréquemment rencontrées dans le corps humain. L’étude a été complétée par l’analyse des changements intervenant dans la dynamique des BL en présence/absence des composants principaux de LS. Les investigations ont été réalisées par un test de Récupération de Fluorescence Après Photoblanchiment. Enfin un test tribologique a été conduit pour étudier la variation du coefficient de frottement entre les BL et les composants du LS / As vascular (VP) and articular (AP) inflammatory pathologies represent nowadays the principal cause of mortality and disability in industrialized countries, the exact causes favoring their occurrence remain still unknown. The present work aimed at proposing new physical methods to detect the early inflammatory stages through recognition of specific markers and to study the structural and mechanical changes undergone by pathological vascular tissues and synovial fluid (SF). Vascular pathologies can be detected through contrasted MRI pictures. In order to improve the capacity of contrast agents to target specific markers they can be antibody-grafted. Atomic Force Microscopy’s mode Force Spectroscopy (AFM-FS) was used to evaluate the affinity between the Fucoidan as a new antibody, and the P-Selectin vascular inflammatory marker, for capacity to target that marker. Further study of VP used the FS techniques for nanoindentation to study changes in mechanical properties between healthy and pathological vascular tissues. Modifications in SF’s dynamics triggered by one of the molecular component not fulfilling its role may lead to AP. To investigate this issue, each of the main SF’s molecular components had their affinity tested versus the ever-present lipid bilayers using AFM-FS techniques. Furthermore changes in lipid bilayers’ dynamics in the presence/absence of the main SF components were analyzed by Fluorescence Recovery After Photobleaching technique. Finally a tribological test was performed to study the variation of the friction coefficient between the lipid bilayers and SF’s main components

In addition to classical adhesion structures like filopodia or focal adhesions, dendritic cells similar to macrophages and osteoclasts assemble highly dynamic F-actin structures called podosomes. They are involved in cellular processes such as extracellular matrix degradation, bone resorption by osteoclasts, and trans-cellular diapedesis of lymphocytes. Besides adhesion and migration, podosomes enable dendritic cells to degrade connective tissue by matrix metalloproteinases. SWAP-70 interacts with RhoGTPases and F-actin and regulates migration of dendritic cells. SWAP-70 deficient osteoclasts are impaired in F-actin-ring formation and bone resorption. In the present study, we demonstrate that SWAP-70 is not required for podosome formation and F-actin turnover in dendritic cells. Furthermore, we found that toll-like receptor 4 ligand induced podosome disassembly and podosome-mediated matrix degradation is not affected by SWAP-70 in dendritic cells. Thus, podosome formation and function in dendritic cells is independent of SWAP-70.