La "cryopolymérisation" permet d'obtenir des gels de polymère macroporeux ou "cryogels". Cette méthode a été utilisée pour la synthèse d'hydrogels thermosensibles à base de pNIPA. La température critique TC correspondant à la transition de volume a été déterminée par des mesures de taux de gonflement et par DSC. La macroporosité (distribution de la taille des pores et épaisseur des parois) et son évolution en fonction de T ont été étudiées par la microscopie biphotonique donnant des informations à l'échelle du µm à plusieurs dizaines de µm. La diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) a été utilisée pour caractériser la structure multi-échelle (de quelques dixièmes à quelques dizaines de nm) du gel constituant les parois des macropores. Les courbes de diffusion ont été décrites analytiquement. L'évolution des dix paramètres contenus dans l'équation a été étudiée en fonction de T et discutée. Enfin, des expériences utilisant les phonons hyperfréquences générés par la technique des réseaux transitoires avec détection hétérodyne (HD-TG) ont été réalisées. Ces mesures ont permis de déterminer la vitesse de propagation de l'onde ultra-sonore (à 340 MHz), son atténuation, et la constante de diffusion thermique à différentes températures. / "Cryopolymerisation" yields macroporous gels named "cryogels". The method was used to synthesise thermosensitive pNIPA based hydrogels. The critical temperature TC corresponding to the volume phase transition was determined by swelling ratio measurements and DSC. The macroporosity (pore size distribution and wall thickness) and its change with temperature, was investigated by two-photon microscopy yielding information at the micrometer scale (a few tenths to tens of micrometers). X-ray scattering (SAXS and WAXS) was used to characterise the multi-scale structure of the gel forming the pore walls. The scattering curves were described analytically. The variation with temperature of the 10 parameters contained in the equation was investigated and discussed. Finally, heterodyne detected transient grating experiments were performed on a bulk pNIPA gel. These measurements allowed the determination of the speed of the ultrasonic wave (at 340 MHz), its attenuation and the thermal diffusion constant in the gel at different temperatures.

Le cerveau est composé de neurones et de cellules gliales qui jouent un rôle de soutien et de protection du réseau cellulaire. L’espace extra-cellulaire (ECS) correspond à l’espace qui existe entre ces cellules. Les modifications de sa structure peuvent dépendre de plusieurs paramètres comme l’âge, l’apprentissage ou les maladies neuro-dégénératives. Le volume de l’ECS correspond à environ 20$%$ du volume total du cerveau et les neurotransmetteurs et autres molécules circulent dans cet espace pour assurer une communication neuronale optimale. Cependant, les dimensions et la viscosité locale de cet espace restent encore mal-connues. L’ECS est composé entre autres de protéoglycans, de glycoaminoglycans (acide hyaluronique…) et de fluide cérébrospinal. Nous avons proposé dans cette thèse une stratégie pour mesurer les dimensions et les propriétés rhéologiques de l’espace extra-cellulaire de tranches de cerveaux de rats maintenue en vie à l’aide du suivi de nanotubes de carbone individuels luminescents. Pour ces applications, nous avons étudier la biocompatibilité et le rapport signal sur bruit de nos échantillons de nanotubes afin de les détecter en profondeur dans les tranches de cerveaux et de pouvoir mesurer leurs propriétés de diffusion. / The brain is mainly composed of neurons which ensure neuronal communication and glialcells which play a role in supporting and protecting the neural network. The extracellular space corresponds to the space that exists between all these cells and represents around 20 %of the whole brain volume. In this space, neurotransmitters and other molecules circulate into ensure optimal neuronal functioning and communication. Its complex organization whichis important to ensure proper functioning of the brain changes during aging, learning or neurodegenerative diseases. However, its local dimensions and viscosity are still poorly known.To understand these key parameters, in this thesis, we developed a strategy based on the tracking of single luminescent carbon nanotubes. We applied this strategy to measure the structural and viscous properties of the extracellular space of living rodent brains slices at the nanoscale. The organization of the manuscript is as follows. After an introduction of the photoluminescence properties of carbon nanotubes, we present the study that allowed us to select the optimal nanotube encapsulation protocol to achieve our biological applications. We also present a quantitative study describing the temperature increase of the sample when laser irradiations at different wavelengths are used to detect single nanotubes in a brain slice.Thanks to a fine analysis of the singular diffusion properties of carbon nanotubes in complex environments, we then present the strategy set up to reconstruct super-resolved maps (i.e. with resolution below the diffraction limit) of the brain extracellular space morphology.We also show that two local properties of this space can be extracted : a structural complexity parameter (tortuosity) and the fluid’s in situ viscosity seen by the nanotubes. This led us to propose a methodology allowing to model the viscosity in situ that would be seen, not by the nanotubes,but by any molecule of arbitrary sizes to simulate those intrinsically present or administered in the brain for pharmacological treatments. Finally, we present a strategy to make luminescent ultra-short carbon nanotubes that are not intrinsically luminescent and whose use could be a complementary approach to measure the local viscosity of the extracellular space of the brain.

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés. / In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled π-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.

De nombreuses propriétés étonnantes ont été récemment découvertes à l’interface de deux perovskites isolantes l’une polaire l’autre non polaire. La discontinuité de charge à l’interface LaAlO3/SrTiO3 engendre un gas d’électron quasi-bidimensionnel qui confère un caractère métallique à cette interface. Les mécanismes locaux et la quantification des propriétés ne font pas consensus car l’interdépendance de facteurs structuraux, chimiques et électroniques complexifie la résolution du problème posé. Une catastrophe polaire, des distorsions structurales, des lacunes d’oxygène, une interdiffusion cationique et une non stœchiométrie du film ont été séparément avancées pour expliquer cette conduction. Dans le cadre d’un programme international, nous avons reçu des héterointerfaces conductrices et isolantes élaborées par ablation laser pulsé (PLD). L’origine des porteurs de charge a été recherchée par une approche globale liant procédé, structure et propriétés électriques (mesurées dans le consortium). Nous avons systématiquement analysé les interfaces en combinant imagerie à haute résolution (STEM-HAADF) et spectroscopies électroniques (EELS) et ioniques (MEIS). Une non planéité des couches atomiques, une interdiffusion cationique et un transfert d’électrons permettent de réduire la divergence de potentiel, la catastrophe polaire n’a donc pas lieu. La formation de défauts donneurs à la surface du film devient favorable au-delà d’une épaisseur critique. Les électrons sont transférés à l’interface dans la bande de conduction du STO. Nous avons mis en évidence un mécanisme de compensation concurrentiel de la charge interfaciale par des lacunes de strontium chargées négativement, qui mettent le substrat en compression plane et s’opposent au confinement 2D électrons. La variation des paramètres procédés, tels que la durée du dépôt, la pression partielle en oxygène, la température et la stœchiométrie de la plume déplace l’équilibre des différents mécanismes mis en évidence. Ce travail démontre la relation complexe liant procédé, propriétés électriques et distribution des défauts autour de ces interfaces singulières. / Novel behavior at the interface between two insulating polar/non polar perovskites has been recently discovered. The polarization discontinuity at LaAlO3/SrTiO3 drives the formation of quasi two dimensional electron gas. Both the local mechanism and quantification of such behavior remain unclear due to interplay of structural, chemical and electronic factors. Several mechanisms have been proposed, such as the polar catastrophe, structural distortions, oxygen vacancies, cationic intermixing at the interface and film non-stoichiometry. In the frame of an international project conductive and insulating heterostrucutres have been synthetized by Pulsed-Laser Deposition. In this thesis, we have developed a comprehensive approach to investigate the origin of the charge carriers. The interfaces have been systematically analyzed by combining high resolution imaging (STEM-HAADF) to atomic resolved electron (EELS) and ion (MEIS) spectroscopies. The observed and quantified parameters have been related to the electrical properties of the interfaces measured in the consortium. Buckling of the atomic layers, intermixing and electron transfer reduce the polar divergence. This rules out the polar catastrophe scenario. The formation of donor defects at the film surface is favored above a critical film thickness. Electrons are transferred to interface in the STO conduction band. A competing compensation mechanism of the positive interfacial charge by negatively charged strontium vacancies has been demonstrated that generates an in plane compression of the STO, unfavorable for a strict 2D confinement of the charges. Varying the process parameters such as growth duration, oxygen partial pressure, temperature, and plume stoichiometry shift the equilibrium of the different mechanisms highlighted. This thesis emphasizes the complex relations between the process and the properties through the defects distribution around these singular interfaces.

Les plasmons de surface (SP) sont des excitations mêlant électrons et photons localisées aux surfaceset interfaces métalliques. On peut les voir classiquement comme les modes électromagnétiquespropres d’un ensemble constitué d’un métal et d’un diélectrique. Cette thèse se base sur la capacitéofferte par les techniques de spectroscopie utilisant des électrons rapides disponibles dans un microscopeélectronique à balayage en transmission (STEM), de cartographier, dans une large gammespectrale et avec une résolution spatiale nanométrique, les modes propres SP. Une telle capacitéa été démontrée séparément, durant ces dernières années, par des expériences de spectroscopie depertes d’énergie d’électrons (EELS), qui mesurent l’énergie perdue par des électrons rapides intéragissantavec un échantillon, et de cathodoluminescence (CL), qui mesurent l’énergie réémisepar l’échantillon par l’intermédiaire de photons, toutes deux résolues spatialement. Dans le cas del’EELS, ces résultats expérimentaux sont aujourd’hui interprétables à l’aide d’analyses théoriquesconvaincantes tendant à prouver que la quantité mesurée dans une telle expérience peut être interprétéede façon sûre en terme de modes propres de surface de l’échantillon. Afin d’élargir une telleinterprétation aux techniques de spectroscopies utilisant des électrons rapides en général, j’ai effectuédes expériences combinées d’EELS et de CL résolues spatialement sur une nanoparticle uniquesimple (un nanoprisme d’or). J’ai montré que les résultats offerts par ces deux techniques présententde fortes similitudes mais également de légères différences, ce qui est confirmé par des simulationsnumériques. J’ai étendu l’analyse théorique du signal EELS au signal CL, et ai montré que la CLcartographie, tout comme l’EELS, les modes de surface radiatifs du sytème, mais avec des propriétésspectrales légèrement différentes. Ce travail constitue une preuve de principe clarifiant les quantitésmesurées en EELS et CL sur des systèmes métal-dielectriques. Ces dernières sont démontrées êtrerespectivement des équivalents nanométriques des spectroscopies d’extinction et de diffusion de lalumière. Basé sur cette interprétation, j’ai utilisé l’EELS pour dévoiler les modes propres SP demilieux métalliques aléatoires (dans notre cas, des films semicontinus métalliques avant le seuil depercolation). Ces modes propres constituent une problématique de longue date dans le domainede la nanooptique. J’ai directement identifié ces modes par des mesures et le traitement de leursrésultats. J’ai complètement caractérisé ces modes propres via les variations spatiales de l’intensitéliée à leur champ électrique, une énergie propre et un taux de relaxation. Ce faisant, j’ai montré quela géométrie fractale du milieu, dont la prédominance croit au fur et à mesure que l’on s’approchede la percolation, est responsable de l’existence de modes propres de type aléatoire à basse énergie. / Surface Plasmons (SP) are elementary excitations mixing electrons and photons at metal surfaces,which can be seen in a classical electrodynamics framework as electromagnetic surface eigenmodesof a metal-dielectric system. The present work bases on the ability of mapping SP eigenmodes withnanometric spatial resolution over a broad spectral range using spatially resolved fast electron basedspectroscopies in a Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Such an ability has beenseparately demonstrated during the last few years by many spatially resolved experiments of ElectronEnergy Loss Spectroscopy (EELS), which measures the energy lost by fast electrons interactingwith the sample, and CathodoLuminescence (CL), which measures the energy released by subsequentlyemitted photons. In the case of EELS, the experimental results are today well accountedfor by strong theory elements which tend to show that the quantity measured in an experiment canbe safely interpreted in terms of the surface eigenmodes of the sample. In order to broaden thisinterpretation to fast electron based spectroscopies in general, I have performed combined spatiallyresolved EELS and CL experiments on a simple single nanoparticle (a gold nanoprism). I have shownthat EELS and CL results bear strong similarities but also slight differences, which is confirmed bynumerical simulations. I have extended the theoretical analysis of EELS to CL to show that CLmaps equally well than EELS the radiative surface eigenmodes, yet with slightly different spectralfeatures. This work is a proof of principle clarifiying the quantities measured in EELS and CL,which are shown to be respectively some nanometric equivalent of extinction and scattering spectroscopieswhen applied to metal-dielectric systems. Based on this interpretation, I have applied EELSto reveal the SP eigenmodes of random metallic media (in our case, semicontinuous metal films beforethe percolation threshold). These SP eigenmodes constitute a long standing issue in nanooptics.I have directly identified the eigenmodes from measurements and data processing. I havefully characterized these eigenmodes experimentally through an electric field intensity pattern, aneigenenergy and a relaxation rate. Doing so, I have shown that the fractal geometry of the medium,which grows towards the percolation, induces random-like eigenmodes in the system at low energies.Keywords: Surface plasmons, fast electron based spectroscopies, scanning transmission electronmicroscopy, disordered media

Dans les dernières années nombre de matériaux lamellaires à dimensions réduites ont démontré des propriétés optiques remarquables. Cependant, la plupart des études ont porté sur le système parfait et le rôle des défauts en tant que centres optiques actifs restent encore largement inexploré. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est l'un des candidats les plus prometteurs pour les dispositifs émetteurs de lumière dans la région de l’UV lointain, présentant une forte émission excitonique à 5,8 eV. Cependant, émission n’apparaît uniquement que dans des monocristaux très purs qui peuvent difficilement être obtenus que par des procédés de synthèse complexes. Les échantillons ordinaires de h-BN présentent des spectres d'émission plus complexes qui ont été généralement été attribuée à la présence de défauts structuraux. Malgré un grand nombre d'études expérimentales jusqu'à présent il n'a pas été possible d'attribuer cette émission additionnelle à des défauts structuraux bien définis. Nous abordons ici cette question fondamentale en adoptant une approche théorique et expérimentale combinant une technique de cathodoluminescence nanométriquement résolu avec une caractérisation structural résolu atomiquement par microscopie électronique a transmission et de l'état de l'art de simulations excitoniques. Très récemment, l'équipe d'Orsay a mis au point un système de détection de cathodoluminescence intégré au sein d'un microscope électronique à transmission à balayage. Cette expérience unique est maintenant en mesure de fournir des spectres d'émission complet avec une résolution aussi faible que quelques dizaines de MeV associés à une taille de sonde électronique du nanomètre. Une image hyper-spectrale cathodoluminescence peut donc être enregistrée en parallèle avec une image HAADF. La cathodoluminescence résolu au nanomètre sur quelques-couche chimiquement exfoliée de h-BN a montré que les spectres d'émission sont fortement inhomogènes dans les feuillets individuels. Les pics d'émission à proximité de l'exciton libre apparaissent dans des régions étendues. Les examens complémentaires par microscopie électronique à transmission à haute résolution permettent d'associer ces raies d'émission avec des défauts étendue dans le cristal tels que les défauts d'empilement et les plis des facetter. Au moyen de calculs ab-initio dans le cadre de la « Many Body perturbation theory » (GW) et l'équation de Bethe-Salpeter nous fournissons une description détaillée de la structure électronique et la réponse spectroscopique du nitrure de bore hexagonal en présence de défaut d’empilements. En particulier, nous montrons un bon accord avec les résultats expérimentaux, les excitons supplémentaires sont associées à des changements de symétrie locaux qui se produisent par des fautes d'empilement dans le cristal. Ce résultat sera ensuite étendu à des nanotubes de BN à parois multiples. Des émissions supplémentaires qui apparaissent à l'intérieur du gap présentent une localisation spatiale élevée, typiquement inférieure à 100 nm, et par conséquent ils peuvent être liés à des défauts ponctuels individuels. Lorsqu’ils sont adressés individuellement à travers une sonde électronique très ciblé, ils pourraient avoir un caractère d’émetteur de photon unique. Cette hypothèse a été récemment confirmée par des expériences combinant notre système de cathodoluminescence avec un interféromètre Handburry-Brown et Twiss (HBT). / Within the latest years number of layered materials at reduced dimensions have demonstrated remarkable optical properties. However most studies focused on perfect system and the role of defects as optical active centers remain still largely unexplored. Hexagonal boron nitride (h-BN) is one of the most promising candidates for light emitting devices in the far UV region, presenting a single strong excitonic emission at 5.8 eV. However, a single line appears only in extremely pure mono-crystals that can hardly be obtained only though complex synthesis processes. Common h-BN samples present more complex emission spectra that have been generally attributed to the presence of structural defects. Despite a large number of experimental studies up to now it was not possible to attribute specific emission features to well identify defective structures. Here we address this fundamental question by adopting a theoretical and experimental approach combining few nanometer resolved cathodoluminescence techniques with high resolution transmission electron microscopy images and state of the art quantum mechanical simulations. Very recently, the Orsay team has developed a cathodoluminescence detection system integrated within a scanning transmission electron microscope. This unique experimental set up is now able to provide full emission spectra with a resolution as low as few tens of meV associated with an electron probe size of one nanometer. A cathodoluminescence hyper-spectral image can thus be recorded in parallel with an HAADF image. Nanometric resolved cathodoluminescence on few-layer chemically exfoliated h-BN crystals have shown that emission spectra are strongly inhomogeneous within individual flakes. Emission peaks close to the free exciton appear in extended regions. Complementary investigations through high resolution transmission electron microscopy allow to associate these emission lines with extended crystal deformation such as stacking faults and folds of the planes. By means of ab-initio calculations in the framework of Many Body Perturbation Theory (GW) approximation and Bethe-Salpeter equation) we provide an in-depth description of the electronic structure and spectroscopic response of bulk hexagonal boron nitride in the presence of extended morphological modifications. In particular we show that, in a good agreement with the experimental results, additional excitons are associated to local symmetry changes occurring at crystal stacking faults. These result will then be extended to faceted multiwalled BN nanotubes, they display additional emission at the same energy as characterized within the flakes.

De nombreux composés bioactifs hydrophobes sont actuellement mis en avant en raison de leurs propriétés nutritionnelles et fonctionnelles. Une attention particulière est, en conséquence, portée à leur incorporation en tant qu'ingrédients dans des aliments fonctionnels. Cependant, la majorité de ces composés bioactifs sont caractérisés par une faible solubilité en milieu aqueux, une dégradation au cours des procédés de transformation ainsi qu'une absorption limitée au niveau du tractus gastro-intestinal. La micelle de caséines, grâce à ses propriétés fonctionnelles uniques, peut être considérée comme un support d’encapsulation naturel pour ces molécules bioactives hydrophobes. En effet, une des originalités de cette suprastructure est sa dynamique dans le lait se caractérisant par des échanges réversibles de protéines et de minéraux entre le sérum et la structure micellaire interne en fonction des conditions physicochimiques, et notamment avec la température. En particulier, un stockage du lait à 4°C permet la dissociation sélective de la caséine β de la phase micellaire vers la phase soluble et un retour à température ambiante permet sa réintégration. L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle stratégie d’encapsulation de molécules bioactives hydrophobes dans les micelles de caséines via cette dynamique de la caséine β. Dans un premier temps, l’optimisation de la dissociation de la caséine β de la micelle de caséines a été réalisée en modifiant la température et le pH, tout en portant une attention particulière au maintien de l’intégrité des micelles déplétées en caséines β. Un procédé de séparation physique de la caséine β solubilisée a été optimisé par microfiltration à l’échelle pilote. Une étude de la concentration micellaire critique de la caséine β a permis de vérifier son état monomérique à l’issue de cette séparation. Une étude de la cinétique d’interaction entre la caséine β monomérique et deux composés bioactifs hydrophobes, la curcumine et la vitamine D3, a ensuite été réalisée par résonance plasmonique de surface et par spectroscopie de fluorescence. La curcumine a été choisie pour la suite de l’étude au vu de sa bonne affinité pour la caséine β. Le complexe caséine β monomérique-curcumine a ensuite été encapsulé dans des micelles de caséines préalablement déplétées en caséines β. Les résultats de ces travaux montrent l’efficacité de cette stratégie d’encapsulation qui peut présenter un intérêt particulier pour la vectorisation de molécules bioactives hydrophobes afin d’assurer leur protection dans des produits laitiers pauvres en matière grasse.De plus, au cours de ce projet, une méthode de caractérisation des propriétés morphologiques et nano-mécaniques des micelles de caséines par microscopie à force atomique en milieu liquide a été développée. Cette méthode représente un outil intéressant de compréhension de la structure micellaire dans son environnement natif et offre la possibilité d’évaluer l’impact de certaines modifications sur les propriétés de la micelle de caséines, comme sa déplétion en caséine β ou sa réticulation. / In the last years, the number of studies highlighting the nutritional and functional properties of several hydrophobic bioactives has markedly increased. Special attention is consequently paid to their addition as ingredients to food. However, most of these hydrophobic compounds display a low aqueous solubility, poor stability during processing and low absorption in the gastrointestinal tract. Casein micelles exhibiting unique set of properties can be considered as a natural nanocarrier for these molecules. Actually, changes in environmental factors namely pH and temperature induce the dissociation of caseins and minerals from the colloidal phase to the soluble phase. Particularly, a selective dissociation of β-casein occurs at low temperatures. This effect is reversed with an increase in temperature, with a transfer of β-casein from the serum to the micelles when equilibrated at room temperature. The aim of this study is to develop a novel encapsulation strategy to incorporate hydrophobic bioactive compounds into casein micelles using the β-casein reversible dissociation. First, the β-casein dissociation from casein micelles was optimized by temperature and pH modifications while preserving the integrity of the β-casein depleted casein micelles. The separation of dissociated β-caseins from casein micelles was carried out by microfiltration at a pilot scale. The β-casein critical micelle concentration was concurrently evaluated to ensure the monomeric state of -casein after separation. Secondly, the binding kinetic between monomeric β-casein and two hydrophobic compounds, curcumin and vitamin D3, was investigated by surface plasmon resonance and fluorescence spectroscopy. Curcumin was then selected thanks to its high affinity to -casein β. The complex monomeric β-casein – curcumin was encapsulated in β-casein depleted casein micelles. The results of this study show the efficiency of this encapsulation strategy of hydrophobic bioactive compounds, which could be used to protect such molecules in low fat dairy products.Besides, during this project, a novel strategy was developed in order to evaluate the casein micelle topography and nanomechanical properties by atomic force microscopy in liquid environment. This method opens a new line of investigation to better understand the casein micelle structure in its native environment but also investigate the impact induced by the modification of physico-chemical conditions on its topography and elastic properties.

Ce travail a pour but d’étudier la dynamique des éléments traces (ETs) dans la colonne d’eau d’une rivière anthropisée : l’Orge. La partie amont du bassin versant draine en majorité des terrains boisés et des terres agricoles, et vers l’aval, des zones urbanisées de plus en plus denses jusqu’à son exutoire dans la Seine, au sud de Paris. Quatre campagnes de prélèvements ont été effectuées le long de l’Orge suivant une année hydrologique (2010/2011). Le suivi spatio-temporel des concentrations dans la phase dissoute (< 0,45 µm) et dans les matières en suspension (MES) a été associé à des outils de traçage isotopique (δ34S [SO42-], 206Pb/207Pb) pour comprendre la dynamique de la partition des ETs ainsi que pour caractériser leurs sources en rivière sous pression urbaine. Une caractérisation fine de la spéciation solide du zinc, contaminant inorganique majeur en rivière dans ce bassin versant a été effectuée en couplant diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et à transmission associée à la microanalyse, et spectroscopie d’absorption des rayons X sous rayonnement synchrotron. Les résultats géochimiques caractérisent les rejets de ruissellement et les rejets liés à l’assainissement comme des sources majeures d’ETs en rivière. Les résultats des analyses isotopiques ont permis de créer un indicateur de la pression anthropique en rivière, traçant à la fois les compartiments dissous et particulaire, tout en tenant compte des paramètres physico-chimiques des eaux et de l’hydrodynamisme. L’analyse de la spéciation solide du zinc dans les MES a permis d’identifier les phases porteuses principales de cet élément comme étant les oxyhydroxydes de fer et manganèse à composante phosphatée, la calcite, les phases argileuses et la silice amorphe. La microscopie confirme l’existence de ces phases ainsi que l’existence de phases porteuses accessoires dans la colonne d’eau oxygénée, notamment des sulfures. Plus généralement, l’ensemble de ces investigations a permis de mieux comprendre le fonctionnement des cycles biogéochimiques des ETs en rivière urbanisée, et offre de nouvelles perspectives de recherche encore largement sous exploitées grâce à l’analyse conjointe de la spéciation et de l’isotopie des métaux. / The aim of this work is to study the dynamics of trace elements (TE) in the water column of the Orge River. In the upstream part of the watershed, land uses consist mainly in forests and agricultural soils, whereas downstream, the population density reaches up to 8,000 inh. km-2, in the suburbs of Paris Megacity. The sampling sites were chosen to describe a gradation in urbanization influence from up to downstream in this particularly contrasted catchment. Four sampling campaigns were performed at seven selected sites along the Orge River during an hydrological year (2010/2011). The spatio-temporal monitoring of the concentrations in the dissolved phase (< 0.45 µm) and in suspended particulate matter (SPM) was associated to isotopic tools (δ34S [SO42-], 206Pb/207Pb) to understand both the dynamics of TE partition and the sources of contamination. Speciation of zinc was investigated as it is the main inorganic contaminant in the Orge River catchment, using X-ray diffraction, scanning/transmission electron microscopy coupled to microanalysis, and synchrotron X-ray spectroscopy. Results of geochemical analyses showed that runoff and sewer releases are major sources of contamination in river. Results from isotopic measurements allow to build a hydro-geochemical indicator of anthropogenic pressure in river which considers both physico-chemistry and hydrodynamics, by tracing simultaneously dissolved and particulate compartments. The investigation of zinc speciation permits to identify iron and manganese oxyhydroxydes, calcite, clays and amorphous silica as main bearing phases for this element. Microscopy results confirmed the existence of such phases in river and allowed the identification of secondary zinc bearing phases as sulfides, “surprisingly” present in the oxic water column. At last, this work permitted a better understanding of biogeochemical cycling of TE in urbanized rivers, and to explore new research schemes by coupling speciation and isotopic measurements for specific elements.

Connaître en temps réel la réponse et le comportement des cellules et organismes modèles suite à des changements de leur environnement, ou à des modulations de leurs fonctions biologiques est devenu essentiel dans les sciences du vivant. Ces réponses nous permettent ensuite de comprendre les mécanismes qui régissent le fonctionnement des cellules vivantes, avec des implications en recherche fondamentale, appliquée et biomédicale. Un des plus gros défis technologiques reste le contrôle des paramètres environnementaux en microscopie haute résolution. De nos jours, aucun système ne permet de réguler un ensemble complexe de paramètres de manière précise, dynamique et simultanée tout en observant les cellules dans leur environnement. L’objectif de ma thèse est de mettre au point un tel dispositif permettant a minima une régulation fine de la température, de la composition du milieu, et notamment de la concentration de divers drogues. Ce système doit être compatible avec les applications les plus poussées en microscopie photonique. Mon approche au cours de ma thèse pour élaborer un tel système est l’utilisation de la microfluidique. En effet, c’est la seule technologie qui puisse de réaliser un tel multiplexage. Elle permet de manipuler des petites quantités de fluide à travers un système contenant des canaux de dimensions allant du micromètre au centimètre. Cet ordre de grandeur des canaux constitue un atout majeur (réduction de la consommation des réactifs, réduction des couts, cinétiques des réactions chimiques et biologiques élevées, temps de diffusion court, etc.) et permet d’allier les expériences biologiques à la microscopie. Mon objectif est de concevoir une puce microfluidique qui représentera un pas technologique majeur et ouvrira de nouvelles possibilités de recherche. / Monitoring in real-time the response of cells and model organisms to the changes in their environment or to modulations of their biological functions has become essential in life sciences. One of the main technical challenges for biologists is the precise and dynamic control of various environmental parameters while doing high-resolution microscopy. My thesis consists of building a robust and versatile system, dedicated to live-cell imaging that will be compatible with adherent and non adherent models, that could provide a precise and simultaneous control of 1) the temperature, 2) the media exchanges and 3) the drug concentration while doing photonic microscopy. My approach is to use microfluidics, which is the best candidate in order to achieve this system and provides all the necessary controls of micro-scaled volumes for culturing, maintaining or analyzing cells. It produces miniaturized systems used as tools for biological experiments, in which channels of a micro-scaled dimension are used for the fluid circulation. The laminar flow in these chips allows fast molecule diffusion as well as fast temperature diffusion. Because of the high surface to volume ratio, the consumption of reagents is reduced, and media switches can be fast. This system will represent a major technical and beneficial step and will open new possibilities of research in biology.

La gestion et transmission d’information au sein d’organismes vivants implique la production et le trafic de molécules via des voies de signalisation sutructurées en réseaux de réactions chimiques. Ces derniers varient selon leur forme, taille ainsi que la nature des molécules mises en jeu. Parmi eux, les réseaux de régulation génétiques nous ont servi de modèle pour le développement et la mise en place d’un système de programmation moléculaire in vitro. En effet, l’expression d’un gène est majoritairement dominé par des facteurs de transcription, autres protéines ou acides nucléiques, eux-mêmes exprimés par d’autres gènes. L’ensemble forme l’interactome de la cellule, carte globale des interactions entre gènes et sous-produits, où la fonction du réseau est relié à sa topologie. L’observation des noeuds et sous-architectures dénote trois mécanismes récurrents : premièrement, la nature des interactions est de type activation ou inhibition, ce qui implique que tout comportement non trivial est obtenu par une combinaison de noeuds plutôt que le développement de nouvelles interactions. Ensuite, la longévité du réseau est assurée par la stabilité chimique de l’ADN couplée à la chimiosélectivié des réactions enzymatiques. Enfin, l’aspect dynamique est maintenu par le constant anabolisme/catabolisme des intermédiaires et donc l’utilisation de combustible/énergie. C’est suivant ces observations que nous avons développé un ensemble de trois réactions enzymatiques élémentaires : la «PEN-DNA toolbox». L’architecture du réseau, à savoir les connections entre les noeuds est médiée par la séquence de brins d’ADN synthétiques (appelés matrice), et trois enzymes (polymérase, nickase, et exonucléase) assurent la catalyse des réactions chimiques. La production et dégradation des intermédiaires consomme des désoxyribonucléotides triphosphates et rejette des désoxyribonucléotides monophosphate, dissipant ainsi le potentiel chimique. Les réactions sont suivies grâce au greffage d’un fluorophore sur le brin matriciel et au «nucleobase quenching» qui intervient lorsqu’une base d’un intermédiaire se rapproche du fluorophore après hybdridation sur le brin matriciel. L’activation correspond alors à la synthèse d’un brin output en réponse à un brin input, alors que l’inhibition survient lorsqu’un brin output s’hybride sur un brin matriciel, empêchant ainsi à l’input correspondant de s’y fixer. Oscillations, bistabilité et mémoire sont des exemples de comportements implémentés en PEN-DNA toolbox, faisant appel à des architectures de plus en plus complexes. Pour cela, un réglage fin des concentrations en effecteurs (ADN et enzymes) est nécessaire, ce qui sous-tend l’existence de plusieurs comportements pour un même circuit, dépendant des conditions paramétriques. L’établissement d’une carte de chaque combinaison de paramètres avec le comportement global associé permettrait de comprendre le fonctionnement du réseau dans son ensemble, et donnerait accès à tous les comportements disponibles. Dans le cas d’un système dynamique non linéaire, une telle carte est un diagramme de bifurcation du système. Pour explorer de manière exhaustive les possibilités d’un réseau dans un cadre expérimental raisonable, nous avons développé une plateforme microfluidique capable de générer des goutelettes d’eau dans l’huile à partir de quatres canaux aqueux différents. Ce dispositif nous donne accès, grâce à un contrôle fin des contributions de chaque canal aqueux, à des goutelettes monodisperses (volume de l’ordre du picolitre) dont le contenu est différent pour chaque goutelette. Nous avons adapté notre dispositif aux contraintes matérielles (design microfluidique, génération de goutelettes à contenu différents et controllés, observation et stabilité à long terme) et techniques (tracabilité des goutelettes et stabilité/compatibilité chimique). (...) / Information processing within and in between living organisms involves the production and exchange of molecules through signaling pathways organized in chemical reactions networks. They are various by their shape, size, and by the nature of the molecules embroiled. Among them, gene regulatory networks were our inspiration to develop and implement a new framework for in-vitro molecular programming. Indeed, the expression of a gene is mostly controlled by transcription factors or regulatory proteins and/or nucleic acids that are themselves triggered by other genes. The whole assembly draws a web of cross-interacting genes and their subproducts, in which the well controlled topology relates to a precise function. With a closer look at the links between nodes in such architectures, we identify three key points in the inner operating system. First, the interactions either activate or inhibit the production of the later node, meaning that non trivial behaviors are obtained by a combination of nodes rather than a specific new interaction. Second, the chemical stability of DNA, together with the precise reactivity of enzymes ensures the longevity of the network. Finally, the dynamics are sustained by the constant anabolism/catabolism of the effectors, and the subsequent use of fuel/energy. All together, these observations led us to develop an original set of 3 elementary enzymatic reactions: the PEN-DNA toolbox. The architecture of the assembly, i.e. the connectivity between nodes relies on the sequence of synthetic DNA strands (called DNA templates), and 3 enzymes (a polymerase, a nickase and an exonuclease) are taking care of catalysis. The production and degradation of intermediates consume deoxyribonucleoside triphosphates (dNTP) and produce deoxynucleotide monophosphates leading to the dissipation of chemical potential. Reactions are monitored thanks to a backbone modification of a template with a fluorophore and the nucleobase quenching effect consecutive to an input strand binding the template. The activation mechanism is then the production of an output following the triggering of an input strand, and the inhibition comes from the production of an output strand that binds the activator-producing sequence. Various behaviors such as oscillation, bistability, or switchable memory have been implemented, requiring more and more complex topologies. For that, each circuit requires a fine tuning in the amount of chemical parameters, such as templates and enzymes. This underlies the fact that a given network may lead to different demeanors depending on the set of parameters. Mapping the output of each combination in the parameter space to find out the panel of behaviors leads to the bifurcation diagram of the system. In order to explore exhaustively the possibilities of one circuit with a reasonable experimental cost, we developped a microfluidic tool generating picoliter-sized water-in-oil droplets with different contents. We overcame the technical challenges in hardware (microfluidic design, droplet generation and long-term observation) and wetware (tracability of the droplet and emulsion compatibility/stability). So far, bifurcation diagrams were calculated from mathematical models based on the enzymes kinetics and the thermodynamic properties of each reaction. The model was then fitted with experimental data taken in distant points in the parameter space. Here, millions of droplets are created, and each one encloses a given amount of parameters, becoming one point in the diagram. The parameter coordinates are barcoded in the droplet, and the output fluorescence signal is recorded by time lapse microscopy. We first applied this technique to a well-known network, and obtained the first experimental two-dimensional bifurcation diagram of the bistable system. The diagram enlightens features that were not described by the previous mathematical model. (...)