Th.--Sci. phys.--Lille 1, 1978. N°: 410.

L’utilisation de nanoparticules a permis de révolutionner divers secteurs industriels, notamment la cosmétique, l’alimentaire ou encore la pharmaceutique. Leur omniprésence dans les produits de consommation génère une forte inquiétude vis-à-vis de la santé des utilisateurs. Le dioxyde de titane est largement utilisé en tant qu’additif alimentaire, agent blanchissant ou filtre UV. Son utilisation importante expose l’être humain à un potentiel risque de toxicité. De nombreuses études épidémiologiques menées sur des animaux ont mis en lumière les effets néfastes d’expositions chroniques. Les méthodes existantes pour caractériser et quantifier les nanoparticules dans les fluides biologiques ne sont pas adaptées. Le sang et l’urine étant des matrices complexes, les outils d’analyse couramment utilisés manquent de sensibilité, de spécificité et de sélectivité. Afin de pallier ces limitations, il est indispensable de développer des méthodes rapides, simples, précises et robustes, basées sur des approches novatrices, afin de pouvoir détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans ces matrices biologiques. Ce projet s’inscrit dans une démarche globale de statuer quant à l’exposition humaine aux nanoparticules de dioxyde de titane. Ainsi, l’objectif et l’innovation de cette thèse résident dans le développement de méthodes rapides, simples, précises et robustes, pouvant être utilisées sur une base routinière afin de détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans divers fluides biologiques tels que l’urine et le sang. Un premier effort fut réalisé au niveau de la préparation d’échantillon, la majorité des techniques d’analyse nécessitant un échantillon en suspension. Le dioxyde de titane présente une forte tendance à l’agglomération et à l’agrégation, il doit au préalable être mis en suspension et stabilisé afin de garantir une mesure fiable de la taille, de la distribution des tailles et de la concentration. Le développement des méthodes analytiques repose sur l’utilisation de la Simple Particule ICP-MS, connue pour sa préparation d’échantillon minimale, sa rapidité et son applicabilité en routine. L’urine et le sang sont enrichis en nanoparticules de dioxyde de titane afin d’optimiser les différents paramètres d’analyse. Afin de garantir la fiabilité des méthodes et de pouvoir les utiliser en routine, une validation selon la norme ISO/CEI 17025:2017 est indispensable. Ainsi, cette thèse propose une méthodologie complète pour l’analyse des nanoparticules de dioxyde de titane dans l’urine et le sang. Pour accompagner le lecteur, une partie théorique sera consacrée aux propriétés physiques et chimiques de l’élément d’intérêt. De même, l’ensemble des stratégies permettant leur quantification sera détaillé afin de comprendre tous les tenants et aboutissants de cette thèse. / The use of nanoparticles has revolutionized many industrial sectors, including cosmetics, food and even pharmaceuticals. Their omnipresence in consumer products is raising major concerns about users’ health. Titanium dioxide is widely used as a food additive, whitening agent or UV filter. Its extensive use exposes humans to potential risk of toxicity. Many epidemiological studies on animals have highlighted the harmful effects of chronic exposure on various organs, sometimes leading to numerous diseases. In the case of the analysis of biological fluids, the existing methods of quantification are not suitable. Blood and urine being complex matrices, commonly used analytical tools suffer from a lack of sensitivity, specificity and selectivity. In order to overcome these limitations, it is essential to develop faster, simpler, more precise and robust methods based on innovative approaches to be able to detect and quantify titanium dioxide nanoparticles in these biological matrices. This project is part of a global vision to understand and assess human exposure to titanium dioxide nanoparticles. The aim of this thesis is to develop unique innovative methods that can be employed on a routine basis to detect and quantify those nanoparticles in various biological fluids such as urine and blood. Particular attention should be paid to the sample preparation, as most analytical techniques require particle suspension. Titanium dioxide having a strong tendency to agglomerate or aggregate, an approach to stabilize suspensions had to be optimized to ensure reliable size and concentration determination. Analytical methods were developed using an innovative technique, Simple Particle-ICP-MS, dedicated to monitoring individual nanoparticles. This specialized technique is a fast, robust, sensitive metrological tool requiring limited sample preparation. Urine and blood samples are spiked with titanium dioxide nanoparticles to optimize the detection parameters. To ensure the reliability of those methods and use them in a routine mode, validation according the ISO/CEI 17025:2017 guidelines is essential. Thus, this thesis presents a complete methodology for the analysis of titanium dioxide nanoparticles in urine and blood samples. To guide the reader, a theoretical part dealing with the physico-chemical properties of the element of interest will be provided. In addition, overall strategies on their quantification will also be detailed in order to demonstrate the novelty of this work.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La radiothérapie est une approche thérapeutique permettant de délivrer une dose de radiation à une région tumorale. Cependant, cette méthode de traitement peut également affecter les tissus sains environnants, provoquant des effets secondaires indésirables chez les patients. Pour minimiser ces effets secondaires, il est nécessaire de valider les doses de radiation des tissus sains tout en assurant une couverture optimale de la dose à la tumeur. Les dosimètres utilisés pour effectuer ces validations ont en majorité des propriétés qui ne sont pas similaires à celles du milieu de référence en radiothérapie, l'eau. Ainsi, la dose mesurée par le scintillateur doit être ajustée à celle qui serait mesurée dans l'eau sans la présence du dosimètre, ce qui implique que des facteurs de correction doivent être calculés et utilisés pour la validation de la dose. Quoique minimes, les erreurs engendrées par ces cœfficients ne sont pas nulles et pourraient avoir un impact sur les incertitudes reliées à la mesure de dose. Dans ce contexte, le besoin d'un dosimètre équivalent à l'eau en milieu clinique est grandissant. En revanche, la plupart des scintillateurs liquides et plastiques équivalents à l'eau contiennent des solvants qui peuvent être néfastes pour la santé des personnes qui doivent les utiliser. Dès lors, en milieu clinique, des mesures de sécurité additionnelles doivent être prises afin de maintenir un environnement sans danger pour le personnel et les patients. Un scintillateur composé en majorité d'eau aurait alors l'avantage d'une meilleure équivalence à l'eau tout en minimisant les effets néfastes sur la santé des utilisateurs et leur environnement. C'est dans ce contexte que le mémoire présenté vise à caractériser de nouveaux types de scintillateurs à base d'eau afin d'explorer leur potentiel et leurs performances pour la mesure de la dose en radiothérapie. La caractérisation de scintillateurs liquides à base d'eau s'avère être l'objectif général présenté dans ce mémoire. Quatre scintillateurs ayant respectivement des concentrations en eau de 0%, 40%, 60% et 80% ont été étudiés. La caractérisation des propriétés physiques de ces scintillateurs a permis d'explorer trois aspects : la dépendance de l'efficacité de scintillation selon la concentration d'eau, la comparaison de l'efficacité de scintillation avec un scintillateur de référence ainsi que l'analyse spectrale des scintillateurs. La caractérisation des propriétés dosimétriques des scintillateurs a permis d'analyser la linéarité de la réponse selon la dose, la dépendance du signal au débit de dose ainsi que la variation de la réponse selon le type et la qualité de faisceau. En troisième lieu, l'aspect volumétrique du scintillateur liquide à base d'eau a été étudié par l'évaluation des distributions de dose à haute énergie. L'évaluation de l'efficacité de scintillation a permis de quantifier la diminution du signal émis avec l'augmentation de la concentration d'eau pour une même dose déposée au scintillateur. Une efficacité de scintillation relative moyenne de 25% a été obtenue pour le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% comparativement au scintillateur n'ayant pas d'eau dans son mélange. En second lieu, il a été possible d'observer que les scintillateurs liquides ayant majoritairement de l'eau comme solvant ont une réponse linéairement proportionnelle à la dose délivrée. Leur réponse ne varie pas selon le débit de dose. Le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% possède la plus faible dépendance selon l'énergie et le type de faisceau, avec une dépendance d'au maximum 4% pour toute la gamme d'énergies en photons, du kilo- au méga-voltage, et d'au maximum 5% pour la gamme d'énergie en électrons explorée. Finalement, il a été possible de valider que les scintillateurs liquides à base d'eau offrent des résultats similaires aux scintillateurs standards lors de mesures de distributions de dose en deux dimensions. Des différences négligeables sont observées entre le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% et le scintillateur de référence, le Ultima Gold. / Radiotherapy is a therapeutic approach that involves delivering a dose of radiation to a tumor region. However, this treatment method can also affect surrounding healthy tissues, causing undesirable side effects in patients. To minimize these side effects, it is necessary to validate the radiation doses in healthy tissues while ensuring optimal dose coverage for the tumor. The dosimeters used to perform these validations mostly have properties that are not similar to those of the reference medium in radiotherapy, water. Thus, the dose measured by the scintillator must be adjusted to the one deposited in water without the presence of the dosimeter. This requires correction factors to be calculated and used for dose validation. Although these errors are minimal, they are not negligeable and could have an impact on the uncertainties related to dose measurement. In this context, there is a growing need for a water-equivalent dosimeter in a clinical environment. However, most of the water-equivalent liquid and plastic scintillators contain solvants that can be harmful to the health of people who use them. Therefore, additional safety measures must be taken in a clinical setting to maintain a safe environment for staff and patients. A scintillator composed mostly of water would have the advantage of better water equivalence while minimizing harmful effects on the health of users and their environment. It is in this context that this presented work aims to characterize these new types of water-based scintillators to explore their potential and performance for dose measurement in radiotherapy. The general objective presented in this thesis is the characterization of water-based liquid scintillators. Four scintillators with water concentrations of 0%, 40%, 60%, and 80% were studied. The characterization of the physical properties of these scintillators allowed exploration of three aspects : the dependence of scintillation efficiency on water concentration, comparison of scintillation efficiency with a reference scintillator, and spectral analysis of the scintillators. The characterization of the dosimetric properties of the scintillators allowed analysis of the linearity of the response to dose, the dependence of the signal on dose rate, and the variation in response according to beam type and quality. Finally, the volumetric aspect of the waterbased liquid scintillator was studied by evaluating high-energy dose distributions. The evaluation of the scintillation efficiency allowed to quantify the decrease in emitted signal with increasing water concentration for the same deposited dose in the scintillator. An average relative scintillation efficiency of 25% was obtained for the scintillator with an 80% water concentration compared to the scintillator without water in its mixture. Secondly, it was possible to observe that liquid scintillators predominantly composed of water as a solvent exhibit a linearly proportional response to the delivered dose. Their response does not vary with dose rate. The scintillator with an 80% water concentration has the lowest energy and beam type dependence, with a maximum dependence of 4% across the entire range of photon energies from kilo- to mega-volts, and a maximum dependence of 5% within the explored electron energy range. Finally, it was possible to validate that water-based liquid scintillators offer similar results to standard scintillators in two-dimensional dose distribution measurements. Negligible differences are observed between the scintillator with an 80% water concentration and the reference scintillator, Ultima Gold.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France. / Les objectifs de ce doctorat sont de développer des dispositifs optiques originaux intégrant verres fonctionnalisés et cristaux liquides (CL). Ces travaux comportent deux parties distinctes : un système 1D basé sur la conception de fibres optiques multi-matériaux et un système 2D planaire utilisant des surfaces vitreuses polarisées électriquement. Préalablement, une méthode de caractérisation avancée basée sur la spectroscopie micro-Raman polarisée a été développée dans le but de caractériser l'orientation au sein de ces différents systèmes. Cette approche permet des mesures dans le volume à l'échelle micrométrique. Cette méthode d'imagerie donne également accès aux calculs du paramètre d'ordre et de la fonction de distribution d'orientation pour une évaluation quantitative du degré d'alignement des CL. Le premier système est un atténuateur optique variable (AOV) fibré composite intégrant verre, métal et CL, dont le but est d'utiliser la réponse électro-optique de la mésophase pour moduler la lumière transmise par le cœur de la fibre. Les études par imagerie Raman 3D de l'orientation des CL au sein de capillaires simples ont permis de mettre en évidence une organisation radiale des molécules. Elles sont perpendiculaires aux parois à l'ancrage et se réorientent dans l'axe du capillaire au centre de la cavité. De plus, il a été mis en avant que le degré d'orientation et l'amplitude de réorientation sous champ électrique, paramètres fondamentaux pour un bon fonctionnement de l'AOV, sont très dépendant de la taille du capillaire. Cette étude a donc permis de tirer des conclusions concernant les paramètres géométriques à envisager pour la conception du dispositif final. Le système 2D combine des surfaces de verres microstructurées par poling thermique et des cristaux liquides afin d'induire une organisation périodique de la mésophase, et donc des caractéristiques optiques du système. Un traitement de micro-poling assisté par plasma a été mis au point par l'utilisation d'une grille micrométrique de nickel comme anode. On observe alors une corrélation géométrique entre (i) les modifications de la structure et de la composition du verre sondées par Raman et spectroscopie à rayon X (EDX), (ii) l'emplacement et les composantes des champs statiques figés dans le verre mesurés par génération de seconde harmonique (SHG) et (iii) les domaines d'alignements homéotropes ou planaires des CL. Ces travaux constituent une preuve de concept démontrant qu'un contrôle précis de l'organisation des CL peut être obtenu par la maitrise des propriétés électriques de surface d'un substrat de verre. Ils soulignent également l'importance des décharges plasma contrôlées spatialement le long du motif d'électrode afin de promouvoir les effets de polarisation électrique dans le plan, qui sont essentiels pour appliquer aux CL des alignements planaires. / The objectives of this PhD are to develop original optical devices integrating functionalised glasses and liquid crystals (LC). This work includes two distinct parts: a 1D system based on multi-material optical fibre design and a 2D planar system using electrically polarised glass surfaces. Previously, an advanced characterisation method based on polarised micro-Raman spectroscopy has been developed in order to characterise the orientation within these different systems. This approach allows measurements in the volume at the micrometre scale. This imaging method also provides access to order parameter and orientation distribution function calculations for a quantitative assessment of the degree of LC alignment. The first system is a composite fibre variable optical attenuator (VOA) integrating glass, metal, and LC, whose purpose is to use the electro-optical response of the mesophase to modulate the light transmitted through the fibre core. 3D Raman imaging studies of the LC orientation within single capillaries have revealed a radial organisation of the molecules. They are perpendicular to the walls at the anchorage and reorient themselves in the axis of the capillary at the centre of the cavity. Moreover, it was shown that the orientation degree and the reorientation amplitude under electric field, fundamental parameters for a good performance of the VOA, are very dependent on the capillary size. This study has therefore allowed us to draw conclusions concerning the geometrical parameters to be considered for the design of the final device. The 2D system combines microstructured glass surfaces by thermal poling and liquid crystals in order to induce a periodic mesophase organisation, and thus the optical characteristics of the system. A plasma-assisted micro-poling treatment has been developed by using a micrometric nickel grid as anode. A geometric correlation is then observed between (i) changes in glass structure and composition probed by Raman and X-ray spectroscopy (EDX), (ii) the location and components of static fields frozen in the glass measured by second harmonic generation (SHG), and (iii) the homeotropic or planar alignment domains of LC. This work constitutes a proof of concept demonstrating that a precise control of the LC organisation can be achieved by controlling the surface electrical properties of a glass substrate. They also highlight the importance of spatially controlled plasma discharges along the electrode pattern to promote in-plane electrical polarisation effects, which are essential to induce planar LC alignments.

Le contrôle de l'alignement des molécules de cristal liquide a une grande importance technique dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides. Ce contrôle passe par une programmation des interactions de surface entre les cristaux liquides et le substrat. Nous proposons une étude du contrôle optique de l'alignement des cristaux liquides grâce à un substrat de mésogène réactif dopé par un colorant azobenzène et traité par un laser argon de polarisation circulaire. Nous nous intéressons également au cours de cette étude à la mouillabilité des cristaux liquides sur le substrat ayant subi le traitement optique. Nous montrons que ce mouillage peut être contrôlé par une exposition laser adéquate. Notre étude met en lumière les interactions à une interface liquide anisotrope-solide anisotrope qui sont d'un grand intérêt aussi bien théorique que pratique.

Les interactions non-Covalentes entre des protéines et des polysaccharides anioniques tels que les glycosaminoglycanes (GAGs) interviennent dans de nombreux processus physio-Pathologiques tels que la signalisation, la reconnaissance cellulaire, les infections bactériennes et virales ou lors de la progression des cancers. Une des difficultés pour comprendre les mécanismes moléculaires mis en jeu lors de ces interactions réside dans le déchiffrage des informations structurales contenues dans les GAGs. Cette tâche est délicate, surtout en raison du degré variable d'acétylations et de sulfatations de ces GAG's, constituant des limitations importantes pour l'avancée des recherches en glycobiologie. Pour contourner ces restrictions, des méthodes analytiques fines et innovantes, telles que la spectrométrie de masse (MS) offrent de nombreux avantages. Durant cette thèse, trois approches originales basées sur la MS ont été developpées. La première a consisté à synthétiser de nouvelles matrices ioniques liquides limitant la désulfatation et favorisant l'obtention de dépôt homogène pour l'analyse par UV-MALDI-TOF. La seconde a montré le potentiel d'une méthode d'ionisation douce récemment introduite, la désorption ionisation assistée par électronébulisation (DESI) permettant l'analyse directe et en conditions ambiantes d'oligosaccharides anioniques seuls ou sous forme de complexes avec une protéine. Enfin, la troisième a nécessité la fabrication de puces à protéines ou à saccharides pour lanalyse de complexes protéines/GAG en utilisant le couplage de la résonance plasmonique de surface avec la MS (SPR-MS). Ce couplage permet d'effectuer le suivi en temps réel de la formation de complexes entre des protéines et des GAGs, d'en déterminer les constantes de la dissociation, puis de détecter directement par UV-MALDI-TOF les ligands, qu'ils soient de nature protéique ou saccharidique. / The non-Covalent interactions between proteins and anionic polysaccharides such as glycosaminoglycans (GAGs) are involved in several physio-Pathological processes such as cell signalling and recognition, bacterial and viral infections or during cancer progression. One of the obstacles to get the molecular mechanisms involved during these interactions hold in the structural information deciphering within GAG's sequences. This task is delicate especially because of variable level of acetylations and sulfations, constituting important bottleneck in the research advances of the glycobiology field. To bypass these restrictions, accurate and innovative analytical methods such as mass spectrometry (MS) provide numerous advantages. During this Ph.D training, three original MS based approaches have been developed. The first dealt with the synthesis of new ionic liquid matrices, which both restrict desulfation process and favour the homogeneous deposits for UV-MALDI-TOF analysis. The second way used a soft recently introduced ionization method, desorption electrospray ionization (DESI) allowing direct analysis in ambient conditions of anionic oligosaccharides or under complexes with protein. Finally, the third involved the making of protein or saccharide chips for the analysis of protein / GAG complexes using the hyphenation of surpface plasmon resonance with MS (SPR-MS). Thos coupling allows real time monitoring protein / GAG complexes formation, their dissociation constant determination and the direct detection of protéic as wall as saccharidic ligands by UV-MALDI-TOF.

Aujourd’hui, le besoin grandissant d’une électronique autonome et discrète accentue l’intérêt et le développement des technologies passives d’identification automatique sans contact.Dans ce contexte, les technologies de type RFID UHF se heurtent à la nécessité d’adapter cette technologie à des environnements complexes et hétérogènes. Dans le cadre de cette thèse, des solutions RFID innovantes ont été investiguées pour le développement de dispositifs RFID UHF insensibles à la variation de l’environnement. La démarche scientifique suivie aborde plusieurs aspects tels que la caractérisation des matériaux, à l’aide d’une technique flexible de mesure permettant des mesures in-situ des caractéristiques radioélectriques. Suite à cette phase, nous présentons la conception d’antennes compactes large bande fonctionnelles en environnement hétérogène et peu sensibles à la variation de l’environnement. Une phase de tests vient ensuite valider expérimentalement notre approche. Cette démarche a été appliquée à une problématique industrielle à laquelle sont confrontés les acteurs du domaine verrier. Des antennes adaptées sur verre sont modélisées et validées expérimentalement. Les solutions RFID ainsi développées présentent un fonctionnement indépendant de la constitution du support de verre et tolérant la présence de liquide, permettant de lever la contrainte de dysfonctionnement des dispositifs RFID à proximité des liquides. Nous présentons également des travaux menés dans le cadre d’intégration d’antennes biocompatibles et biodégradables à base de polymères conducteurs, contribuant ainsi à la généralisation des solutions proposées pour la traçabilité à base d’électronique ubiquitaire. / Nowadays, the growing need of an autonomous and discrete electronic for traceability requirement, accentuate the interest for the development of contactless and automatic passives items identification (AUTO ID). In this context of growing interest for the development of these technologies, the expansion of the RFID UHF technologies encounters limitations to have a standard solution adapted to heterogeneous environments. Within the framework of this PHD, we propose an innovative RFID UHF solutions with broadband operation, compactness and capable to operate in heterogeneous surrounding. We also investigate the integration of these solutions with nonconventional materials supporting manufacturing constraints. The scientific approach takes into account different aspects such as the characterization and implementation of specific materials; we first developed a new radio electric characterization process with a flexible capability which permits in-situ measurements of geometrically complex substrates. Therefore, we present a new analysis approach for the optimization of broadband and compact RFID UHF tags that can operate insensibly in heterogeneous environment. In perspective, we propose a new antenna based on biocompatible and biodegradable polymers contributing to the development of the proposed solutions to the ubiquitous and green electronics.

Ce travail propose une description du comportement mécanique sous écoulement de matériaux tels que les mousses liquides et les émulsions.

Thèse de doctorat : Physique et physico-chimie de la matière et des matériaux : Metz : 2001. / Thèse : 2001METZ036S. Bibliogr. p. 165-170.

Thèse de doctorat : Chimie et sciences des matériaux : Paris Est : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.