Les biofilms sont des communautés de microorganismes adhérant à une surface et encastrées dans une substance polymérique produite par les cellules du système, dite matrice extracellulaire. Du fait de leur nature ubiquitaire, les biofilms colonisent de nombreux environnements et causent souvent de sérieux problèmes dans les secteurs de la santé et de l’industrie. La dispersion par ajout d’agent chimique est l’une des stratégies de lutte contre les biofilms. Un acide gras, l’acide cis-2-décénoique (CDA), semble être prometteur pour ce faire, grâce à l’étendue de son action dispersante sur les espèces et règnes du vivant. L’objectif de ce travail de thèse est d’investiguer les mécanismes de dispersion des biofilms de l’espèce bactérienne Escherichia coli (E. coli) par la molécule modèle CDA. Le CDA modifie-t-il les structures du biofilm ou induit-il une réponse génétique des bactéries lors de la dispersion ? Pour répondre à ces questions, la dispersion des biofilms d’E. coli a été étudiée in situ dans des chambres microfluidiques par microscopie confocale à balayage laser (CLSM). Des souches bactériennes spécifiques ont été construites par clonage de promoteurs d’intérêt en fusion transcriptionnelle avec un gène codant pour une protéine fluorescente verte. Les résultats confirment l’activité dispersante du CDA avec une réduction significative de la biomasse, de l’épaisseur moyenne et de l’aire de recouvrement par couche du biofilm. Un outil innovant d’analyse d’images CLSM a été développé en collaboration dans le but de déterminer les propriétés structurales du biofilm et l’intensité de fluorescence in situ du rapporteur étudié. Les résultats indiquent une augmentation de l’intensité moyenne de fluorescence des biofilms après dispersion avec le CDA, au niveau global en considérant tout le biofilm et au niveau local en considérant une segmentation du biofilm en microcolonies, ainsi qu’en profondeur. Ces résultats évoquent un changement d’expression génique des bactéries en présence de CDA. Par ailleurs, les résultats montrent que le CDA ne semble pas avoir d’effet en culture planctonique, ni sur la croissance bactérienne ni sur l’activité des promoteurs sélectionnés. Ceci suggère que les effets du CDA sont biofilm-dépendants. / Biofilms are microbial communities adhering to a surface and embedded in a self-produced polymeric substance, called extracellular matrix. By being ubiquitous in nature, biofilms colonize numerous environments, and they often cause serious problems for both health and industry sectors. Dispersion is one of the strategies for fighting biofilms. A fatty acid, cis-2-decenoic acid (CDA), seems to be promising for dispersing biofilms by the extent of its action on different species of microbes. The aim of this thesis work is to investigate the mechanisms of biofilm dispersion of the bacterial species Escherichia coli (E. coli) by the model molecule CDA. Does CDA modify the biofilm structures or does it induce a genetic response from bacteria during dispersion? To answer these questions, E. coli biofilm dispersal has been studied in situ in microfluidic chambers by confocal laser scanning microscopy (CLSM). Specific bacterial strains have been developed by cloning promoters of interest in transcriptional fusion with a gene encoding for a green fluorescent protein. The results confirm the dispersing activity of CDA with a significant decrease of biomass, biofilm average thickness and area over biofilm depth. A novel tool for analyzing CLSM images has been developed in collaboration in order to measure the biofilm structural properties as a function of in situ fluorescence intensity of the studied reporter. The results indicate an increase in the mean fluorescence intensity of the biofilms after dispersion with CDA, at a global level for the whole biofilm and at a local scale by considering a biofilm segmentation into microcolonies. These results evoke a change in gene expression by bacteria in the presence of CDA. Furthermore, the results show that CDA does not seem to have an effect on planktonic bacteria, neither on the bacterial growth nor on the activity of the selected promoters. This suggests that the CDA effects are biofilm-dependent.

L’observation d’échantillons biologiques à une échelle nanométrique est actuellement un thème majeur pour la biologie. En particulier, la microscopie à rayons X dans la fenêtre de l’eau (entre les seuils d’absorption K-alpha de l’oxygène et du carbone, soit entre 2,4 et 4,4 nm de longueur d’onde) présente un intérêt remarquable car elle permet à la fois l’observation d’échantillons biologiques avec un fort contraste d’absorption naturel, mais également une haute résolution grâce à la courte longueur d’onde d’utilisation. Plusieurs microscopes basés sur des composants diffractifs ont d’ores et déjà été développés et ont montré une résolution allant jusqu’à 12 nm. Dans ce contexte, nous développons au Laboratoire Charles Fabry un microscope X plein champ à miroirs en incidence proche de la normale. Le schéma optique du microscope a dans un premier temps été étudié et optimisé. Il est basé sur un objectif de Schwarzschild, et dispose donc d’une longue distance de travail ce qui permettra de faciliter l’installation de l’échantillon à observer. Les miroirs doivent être traités avec un revêtement multicouche à très faible période à base de chrome et de scandium. Plusieurs systèmes multicouches à couches sub nanométrique ont été étudiés pour maximiser la réflectivité des revêtements à une longueur d’onde proche de 3,14 nm, parmi lesquels : Cr/Sc, Cr/B4C/Sc, CrN/Sc et CrN/B4C/Sc. Une réflectivité pic de plus de 23% a été mesurée pour un revêtement multicouche CrN/B4C/Sc à un angle d’incidence inférieur à 5°. / The observation of biological samples at a nanometer scale is currently a major topic for biology. In particular, X-ray microscopy in the water-window (between Oxygen and Carbon K-alpha edges, corresponding to a wavelength between 2.4 and 4.4 nm) is off remarkable interest since it enables the visualization of biological samples with a natural high absorption contrast and a high resolution thanks to the short working wavelength. Several such x-ray microscopes have already been developed and showed resolutions down to 12 nm. In this context, we develop at Laboratoire Charles Fabry a full field, near normal incidence mirror based X-ray microscope. The optical design of the microscope was studied and optimized in a first place. It is based on a Schwarzschild objective, with a rather long working distance so that the installation of the sample will be facilitated. The mirrors are to be coated with very short period multilayer coatings containing chromium and scandium. Several multilayer systems with sub-nanometer thick layers ere studied in order to obtain the highest reflectance possible near normal incidence at a wavelength near 3.14 nm. Those systems were Cr/Sc, Cr/B4C/Sc, CrN/Sc and CrN/B4C/Sc. A peak reflectance of 23% has been measured for CrN/B4C/Sc at an incidence angle lower than 5°.

Les sources de paires de photons corrélés sont des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. La fibre étirée possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur une longueur de quelques centimètres. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication.Dans cette thèse, nous présentons donc une conception d’une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée à base de fibres standard de télécommunications (SMF28) étirées. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre en silice.Nous avons développé une technique de mesure par microscopie optique, qui permet de mesurer tout le profil de la fibre étirée avec une résolution nanométrique bien au-delà de la limite de diffraction.En parallèle, nous avons modélisé la susceptibilité non linéaire de surface de second ordre en prenant en compte l’aspect vectoriel de la propagation du champ optique dans une microfibre à deux ou trois couches. Dans un second temps, nous définissons les accords de phase modaux qui sont nécessaires pour l’obtention d’une forte fluorescence paramétrique. Nous dimensionnons cette nanofibre pour une bonne optimisation de l’efficacité de génération des paires. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé. / Sources of correlated photon pairs are key components required for quantum telecommunications networks. Implementing these sources directly with optical fibers minimizes the insertion losses. We propose to design such a source from a tapered optical fiber.The tapered fiber has a diameter lower than 500 nm over a length of a few centimeters. The small diameter of the tapered section favors the non-linear effects, while the unstretched sections make it possible to connect this tapered fiber with the fibers of the telecommunication networks with very low losses.In this thesis, we present a design of a new source, fully fibered of correlated photons based on standard telecommunications tapered fibers (SMF28). To produce these pairs of photons we will use the parametric fluorescence due to symmetry breaking at the surface of a silica nanofiber.We have developed an optical microscopy measurement technique to measure all the profile of tapered fibers with nanometer resolution far beyond the diffraction limit.In parallel, we modeled the second-order nonlinear surface susceptibility by taking into account the vector aspect of the propagation of the optical field in a two or three-layered microfiber. In a second step, we define modal phase matchings that are necessary to obtain a strong parametric fluorescence. We size this nanofiber for a good optimization of pairs generation efficiency. The entire process of photon creation will be modeled.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.

L'utilisation des sol-gels comme matrices solides pour l'analyse de trace par ablation laser comme méthode d'échantillonnage pour des échantillons poudreux a été démontrée. L'homogénéité intrinsèque du procédé sol-gel permet d'augmenter la précision des mesures en maximisant la répétabilité du signal analytique d'une impulsion à l'autre pour des cibles solides faites à partir de poudres. Par contre, dans le but d'obtenir des résultats dotés d'une justesse et d'une précision acceptables pour l'analyse d'échantillons réels utilisant des étalons de mesure en spectrométrie de plasma optique induit par laser, il est important que la sensibilité de détection ne varie pas significativement entre les échantillons et les étalons. Cette similarité est souvent difficile à obtenir puisque les échantillons et les étalons de mesure sont habituellement préparés à partir de matériaux de différentes origines, ce qui induit souvent des différences au niveau du taux d'ablation. L'utilisation des sol-gels comme matrices solides pour la préparation d'étalons de mesure permet de remédier à ce problème. En effet, ils offrent la possibilité de choisir le précurseur le plus approprié afin de faire coïncider au maximum la matrice des étalons avec celles des échantillons. Dans ce projet, le procédé sol-gel a été utilisé pour réaliser la détermination d'élément présent à l'état de trace dans des échantillons d'alumine en poudre. Pour ce faire, nous avons combiné le procédé sol-gel à la méthode des ajouts dosés dans le but de compenser pour les effets de matrice provenant des différences entre les propriétés physiques et/ou le taux d'ablation entre les étalons de mesure et les échantillons. Nous avons également étudié les propriétés des différents types de pastilles sol-gels synthétisées au cours de ce projet et nous avons évalué leur potentiel analytique en termes de répétabilité et de sensibilité de détection. Finalement, nous avons comparé l'homogénéité de chacune d'entre elles par microscopie à balayage électronique en mode électrons rétro-diffusés. / The use of sol-gels as solid matrices for trace analysis of pelletized powders by laser ablation sampling has been demonstrated recently. The intrinsically high homogeneity of the sol-gel process leads to more precise measurements by maximizing the shot-to-shot signal repeatability from pelletized sample targets. However, in order to obtain results of acceptable accuracy and precision in the analysis of real samples by laser induced breakdown spectrometry using external calibration standards, it is desirable that analytical detection sensitivity does not vary significantly between the calibration standards and the samples. This is often hard to achieve because samples and standards are usually prepared using materials of different origins, and hence display different ablation rates. The use of sol-gels as solid matrices for the preparation of calibration standards allows one to fulfill this requirement by offering the possibility to choose the proper reaction precursor in order to tune the matrix composition and hence approximate the ablation behavior of the samples. In this project, the sol-gel process has been used to approximate the sample matrix of powdered alumina samples and, together with the standard addition method, to compensate for physical matrix effects originating from differences in physical properties and/or ablation rate between calibration standards and samples. The properties of an alumina-like sol-gel-based matrix were studied in terms of signal repeatability and detection sensitivity, and the behaviour of such sol-gel-based solid pellets regarding ablation and vaporization was studied by Scanning Electron Microscopy (SEM).

L'électrofilature est un procédé de fabrication utilisant l'énergie électrique pour transformer une solution à base de polymère en fibres d'un diamètre nanométrique. La variation des paramètres expérimentaux est utilisée pour optimiser le diamètre des fibres de polymère et l'ajout de précurseurs métalliques dans la solution permet d'obtenir des fibres de céramique après calcination. Durant ce projet, les montages expérimentaux pour l'électrofilature de fibres de polymère, de céramique et de céramique magnétique ont été fabriqués. Des fibres de polyoxyde d'éthylène (POE) ont été produites et leur diamètre optimisé en modifiant les paramètres expérimentaux. Des fibres d'alumine (AI₂O₃) ont été produites en calcinant des fibres de poly vinyl pyrrolidone (PVP) et d'aluminium 2,4 pentanedionate (C₁₅H₂₁AIO₆). Enfin, des fibres de ferrure de nickel (NiFe₂O₄) et de cobalt (CoFe₂O₄) démontrant des caractéristiques superparamagnétiques ont été produites avec la même méthode de calcination. Les différents échantillons ont été analysés par microscopie électronique par balayage et spectroscopic dispersive en énergie.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 juillet 2020) / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021 / En biologie cellulaire, la microscopie optique est couramment utilisée pour visualiser et caractériser la présence et la morphologie des structures biologiques. Suite à l’acquisition, un expert devra effectuer l’annotation des structures pour quantification. Cette tâche est ardue, requiert de nombreuses heures de travail, parfois répétitif, qui peut résulter en erreurs d’annotations causées par la fatigue d’étiquetage. L’apprentissage machine promet l’automatisation de tâches complexes à partir d’un grand lot de données exemples annotés. Mon projet de maîtrise propose d’utiliser des techniques faiblement supervisées, où les annotations requises pour l’entraînement sont réduites et/ou moins précises, pour la segmentation de structures neuronales. J’ai d’abord testé l’utilisation de polygones délimitant la structure d’intérêt pour la tâche complexe de segmentation de la protéine neuronale F-actine dans des images de microscopie à super-résolution. La complexité de la tâche est supportée par la morphologie hétérogène des neurones, le nombre élevé d’instances à segmenter dans une image et la présence de nombreux distracteurs. Malgré ces difficultés, l’utilisation d’annotations faibles a permis de quantifier un changement novateur de la conformation de la protéine F-actine en fonction de l’activité neuronale. J’ai simplifié davantage la tâche d’annotation en requérant seulement des étiquettes binaires renseignant sur la présence des structures dans l’image réduisant d’un facteur 30 le temps d’annotation. De cette façon, l’algorithme est entraîné à prédire le contenu d’une image et extrait ensuite les caractéristiques sémantiques importantes pour la reconnaissance de la structure d’intérêt à l’aide de mécanismes d’attention. La précision de segmentation obtenue sur les images de F-actine est supérieure à celle des annotations polygonales et équivalente à celle des annotations précises d’un expert. Cette nouvelle approche devrait faciliter la quantification des changements dynamiques qui se produisent sous le microscope dans des cellules vivantes et réduire les erreurs causées par l’inattention ou le biais de sélection des régions d’intérêt dans les images de microscopie. / In cell biology, optical microscopy is commonly used to visualize and characterize the presenceand morphology of biological structures. Following the acquisition, an expert will have toannotate the structures for quantification. This is a difficult task, requiring many hours ofwork, sometimes repetitive, which can result in annotation errors caused by labelling fatigue.Machine learning promises to automate complex tasks from a large set of annotated sampledata. My master’s project consists of using weakly supervised techniques, where the anno-tations required for training are reduced and/or less precise, for the segmentation of neuralstructures.I first tested the use of polygons delimiting the structure of interest for the complex taskof segmentation of the neuronal protein F-actin in super-resolution microscopy images. Thecomplexity of the task is supported by the heterogeneous morphology of neurons, the highnumber of instances to segment in an image and the presence of many distractors. Despitethese difficulties, the use of weak annotations has made it possible to quantify an innovativechange in the conformation of the F-actin protein as a function of neuronal activity. I furthersimplified the annotation task by requiring only binary labels that indicate the presence ofstructures in the image, reducing annotation time by a factor of 30. In this way, the algorithmis trained to predict the content of an image and then extract the semantic characteristicsimportant for recognizing the structure of interest using attention mechanisms. The segmen-tation accuracy obtained on F-actin images is higher than that of polygonal annotations andequivalent to that of an expert’s precise annotations. This new approach should facilitate thequantification of dynamic changes that occur under the microscope in living cells and reduceerrors caused by inattention or bias in the selection of regions of interest in microscopy images.

La plupart des microscopies impliquées dans l'étude d'échantillons ou de processus biologiques utilise des marqueurs ou des sondes, qui peuvent modifier artificiellement, plus ou moins fortement, les échantillons observés.Afin de proposer une alternative à ces techniques, un microscope haute résolution à plasmons de surface (le SSPM) a été développé. Les plasmons sont des oscillations collectives des électrons libres d'un métal, dont les conditions de résonance sont très sensibles à la variation d'indice diélectrique à la surface de ce métal. L'utilisation d'un objectif à forte ouverture numérique permet la focalisation de la lumière incidente dans une petite zone de l'interface métal/milieu d'observation, et entraîne ainsi la localisation et la structuration de ces ondes. Enfin, un balayage de la surface est réalisé, permettant de détecter les variations locales d'indice diélectrique de l'échantillon. Tout d'abord, nous présentons le principe expérimental du SSPM, mais aussi la modélisation de sa réponse par l'intermédiaire d'une résolution 3D des équations de Maxwell. Dans un deuxième temps, nous étudions la structure des couches minces d'or déposées par évaporation thermique sur des substrats de verre, et utilisées lors des expériences de microscopie SSPM. Puis nous visualisons dans l'air et dans l'eau, des nanoparticules métalliques et diélectriques, de 10 à 200 nm de diamètre, et montrons qu'il est possible de les différencier suivant leur taille ou leur indice diélectrique. Enfin, nous imageons des nucléosomes (complexes nucléoprotéiques d'environ 10 nm de diamètre) non marqués, ainsi que des fibroblastes dont nous résolvons certaines des sous structures.

Afin d’améliorer l’efficacité des traitements des pathologies articulaires, en tenant compte de leur complexité et de leur ampleur, des études récentes ont mis en évidence le rôle des assemblages lipidiques associés à la structure discontinue du fluide synovial dans le contrôle du fonctionnement tribologique articulaire. Ceci à conduit à la mise au point d’un modèle tribologique ex vivo (thèse AM Sfarghiu, 2006), proposant un « motif élémentaire » de la biolubrification articulaire, constitué de l’empilement d’interfaces phospholipidiques et de couches aqueuses. En utilisant ce modèle, l’objectif de ce travail a été d’étudier l’évolution des interfaces phospholipidiques du fluide synovial en présence de pathologies. Pour ce faire, une méthodologie nano-bio-tribologique alliant des analyses biochimiques, physicochimiques, nano-mécaniques et tribologiques a été utilisée. Les résultats de ces analyses montrent : l’influence de la faible rugosité des surfaces frottantes caractérisant les stades précoces des pathologies et celle des propriétés des interfaces phospholipidiques (liées à la variation de leur composition) sur la résistance mécanique, l’évolution au cours du frottement et la dégradation in situ des assemblages lipidiques des fluides synoviaux pathologiques. Le comportement des assemblages lipidiques est accentué par l’action des enzymes associées aux pathologies. Par conséquent, le fonctionnement articulaire dépend de la résistance mécanique des interfaces phospholipidiques et pour obtenir des coefficients de frottement très bas, l’accommodation de vitesse doit s’effectuer au niveau des couches d’hydratation qui entourent les ions présents dans la couche aqueuse. Ces résultats permettront de comprendre à court terme l’évolution des interfaces phospholipidiques dans les pathologies articulaires et, à plus long terme le bon enchaînement cause/conséquence responsable d’une pathologie articulaire afin de développer des traitements plus efficaces, ciblés et non prothétiques. / In order to improve the effectiveness of joint diseases’ treatments, given their complexity and magnitude, recent studies have highlighted the role of lipid assemblies associated with the discontinuous structure of the synovial fluid (SF) in the tribological performance of joint operation. Thus, an ex vivo tribological model (AM Sfarghiu, PhD thesis, 2006) providing a "basic pattern" for joint biolubrification was developed. It consists of the stack of phospholipidic interfaces and aqueous layers. Using this model, the objective of this work was to study the evolution of phospholipidic interfaces of SF within pathological state. Therefore, a nano-bio-tribological methodology combining biochemical, physicochemical, nano-mechanical and tribological analysis was used. The results of these analyses show: the influence of even small rubbing surfaces’ roughness characteristics of early stage illness and that of phospholipidic interfaces’ properties (related to their composition change) on the mechanical strength, changes in friction and in situ degradation of lipidic assemblies of pathological SF. The tribological operation is highlighted by enzymes’ associated with diseases. Thus, joint operation depends on the mechanical strength of phospholipidic interfaces and to obtain very low friction coefficients, velocity accommodation must be done at the level of hydration layers surrounding ions in the aqueous solution. These results would therefore allow better understanding of the evolution of phospholipidic interfaces in joint diseases and of the proper cause/consequence sequence responsible for a joint disease in order to develop more effective, targeted and non prosthetic treatments.