Ce manuscrit est consacré à l’élaboration et à la photofonctionnalisation des monolithes de silice pour les techniques séparatives miniaturisées. La partie bibliographique situe d’abord l’intérêt des monolithes dans les techniques séparatives miniaturisées. L’état d’art sur l’utilisation des monolithes de silice dans ces techniques séparatives est ensuite établi en portant une attention particulière sur leur utilisation dans l’analyse d’échantillons biologiques et/ou environnementaux (préparation d’échantillons couplée aux méthodes séparatives ou utilisation de colonne de grande longueur). Un descriptif de la synthèse des monolithes de silice par le procédé sol gel est ensuite détaillé. Enfin, une étude des différentes méthodes de fonctionnalisation des monolithes de silice est présentée. L’optimisation des paramètres expérimentaux de la synthèse sol-gel a conduit à un procédé de synthèse robuste et répétable de capillaires monolithiques de silice de grandes longueurs et d’efficacités élevées (efficacités de l’ordre de 160 000-200 000 plateaux/m). Le travail expérimental s’est ensuite orienté sur l’optimisation de procédés de fonctionnalisation par voie thermique et sur le développement de nouveaux procédés de photopolymérisation ou de photografting par « photo click chemistry ». Les résultats obtenus dans des modes chromatographiques variés après photofonctionnalisation avec différents monomères montrent que ces procédés sont polyvalents et qu’un contrôle des paramètres permet de conserver les performances chromatographiques du matériau de départ. Outre sa simplicité et sa rapidité, cette approche permet de définir et de localiser différentes chimies de surface au sein d’une même colonne. Cette spécificité a été mise à profit pour le couplage en ligne dans une colonne de nanochromatographie, d’une étape de préconcentration avec une étape de séparation de neuropeptides modèles / This manuscript is dedicated to the development and functionalization of monolithic silica stationary phases for miniaturized separation techniques. The bibliographic section first summarizes the interest of monolithic phases for the development of miniaturized separation techniques and their advantages over their particulate counterparts (small particles or core shell ones). The state of the art on the use of silica monolithic columns in separation techniques is then established, with a focus on their use in the analysis of biological and/or environmental samples (coupling sample preparation with an analysis method or using long columns). Then a detailed description of the sol gel synthesis of monolithic silica is presented. Finally, a study of different established methods of functionalization of silica monoliths is presented and the potential of photofunctionalization is highlighted for the rapid and homogeneous in-situ functionalization of monolithic capillaries. The experimental part focuses first on the development and optimization of a robust process of synthesis of monolithic silica capillary columns (efficiencies around 160 000-200 000 plates/m). The work is then focused on the improvement of classical functionnalization processes and on the development of new photofunctionalization ways (photopolymerization and photo click chemistry) of silica monolithic columns. The results obtained after photofonctionnalisation in various chromatographic modes (from ion exchange to reversed phase and HILIC) mode with different monomers show that these methods are versatile and that the control of the parameters allows keeping the chromatographic performances of the starting material. Besides its simplicity and speed, this approach allows to define and to locate different surface chemistries in the same column. This specificity has been exploited to the in-line coupling a preconcentration step with a separation step in a single column, for the separation of model neuropeptides

L’analyse de traces dans des matrices complexes (environnementales, alimentaires ou biologiques) requiert très souvent une étape de purification et de préconcentration avant une analyse via des méthodes chromatographiques. Dans cette optique, des supports d’extraction basés sur des mécanismes de reconnaissance moléculaire ont été développés et appliqués à l’extraction de composés cibles rendant ainsi l’analyse plus sensible et plus fiable. Ces supports sélectifs peuvent entre autres résulter de l’immobilisation de biomolécules tels que les anticorps ou les aptamères (i.e. des oligonucléotides présentant une séquence capable de se lier spécifiquement à une molécule). Cette étape de traitement de l’échantillon est particulièrement nécessaire lorsqu’il s’agit de développer des systèmes séparatifs miniaturisés, tels que les microsystèmes séparatifs sur puce, du fait de la diminution de la résolution qui résulte de l’utilisation d’un canal de séparation de faible longueur. Dans ce contexte, ce projet de recherche a consisté à développer des systèmes bioanalytiques miniaturisés pour l’analyse de petites molécules ou protéines dans des échantillons complexes. Pour développer ces systèmes, la synthèse d’un monolithe hybride organique-inorganique in situ dans des capillaires de 100 µm d.i. a, dans un premier temps, été optimisée via une approche sol-gel puis caractérisée en termes de répétabilité. Dans une deuxième partie, deux toxines modèles de faible poids moléculaire ont été choisies : la microcystine-LR (MC-LR) et l’ochratoxine A (OTA). Des anticorps monoclonaux et des aptamères, spécifiques de l’une et l’autre des toxines ont ensuite été greffés sur des monolithes en capillaire. Les immuno- et oligoadsorbants miniaturisés obtenus (respectivement mIS et mOS) ont été couplés en ligne avec la nanoLC. La rétention spécifique des toxines cibles sur les mIS et mOS a été démontrée dans l’eau pure. La répétabilité de la synthèse et du greffage a été évaluée et la capacité de chacun des supports miniaturisés a été déterminée. Enfin, mIS et mOS ont été appliqués avec succès à l’extraction sélective de la MC-LR et de l’OTA à partir d’extraits de cultures de cyanobactéries, d’eaux environnementales ainsi que d’échantillons de bière dopés. Dans un troisième temps, de façon à transposer les outils sélectifs développés à l’analyse de protéines, des microréacteurs enzymatiques (IMER) ont été préparés par greffage de deux enzymes protéolytiques (pepsine et trypsine) sur des monolithes. Ces outils ont ensuite été couplés avec la nanoLC-MS² pour l’analyse d’une protéine modèle, le cytochrome C. Les rendements de digestion sur IMER se sont avérés présenter une bonne répétabilité. Toutefois, l’efficacité de la digestion sur les IMER à base de pepsine reste à ce jour insuffisante et nécessite de réadapter la procédure de greffage et/ou de digestion. / The analysis of ultra-traces from complex matrices (environmental, foodstuff or biological) often requires a step of purification and preconcentration before their analysis by chromatographic separation methods. Therefore, extraction sorbents based on a molecular recognition mechanism can be developed and used for the selective extraction of target molecules thus rendering their quantitative analysis in complex samples more reliable and sensitive. These extraction sorbents may result, among others, from the immobilization of biomolecules such as antibodies and aptamers (i.e. oligonucleotides whose sequence is specific for a target molecule). This selective sample pretreatment step is particularly necessary when developing miniaturized devices such as separative microsystems on chip because of the decrease of the resolution that results from the use of a shorter length separation channel. In this context, the aim of our study was to develop miniaturized bioanalytical devices for the analysis of small molecules or proteins in complex samples. For the development of these devices, in-situ synthesis of a porous hybrid organic-inorganic monolith in capillaries (100 µm i.d.) by sol-gel approach was firstly optimized and characterized in terms of repeatability. Secondly, two model toxins of low molecular weight were chosen: microcystin-LR (MC-LR) and ochratoxin A (OTA). Monoclonal antibodies and aptamers specific to one and the other target molecules were then grafted on the monolithic capillaries. The resulting miniaturized immunosorbent (mIS) and oligosorbent (mOS) were then coupled on-line to nanoLC. Specific retention of MC-LR and OTA on the mIS and the mOS, respectively, was demonstrated in pure water. Synthesis repeatability and capacity of the miniaturized sorbents were evaluated. Finally, these miniaturized tools were applied to the selective extraction of MC-LR or OTA from complex samples, i.e. blue-green algae extracts, environmental waters or beer. In a third part, immobilized enzyme reactors (IMERs) were prepared by grafting two proteolytic enzymes (pepsin and trypsin) on monoliths in order to transpose the developed selective tools to the analysis of proteins. These IMERs were then coupled on-line to nanoLC-MS² for the analysis of a model protein, cytochrome C. Digestion yields on IMERs presented a good repeatability. However, digestion efficiency on the pepsin-based IMERs remains so far insufficient and grafting or digestion procedure needs to be readjusted.

L'écosystème aquatique est le résultat d'un équilibre entre l'environnement naturel et les organismes qui s'y développent. Cet équilibre peut être modifié par l'introduction de substances chimiques dues aux activités humaines. Aujourd'hui, l'impact de cette micropollution est encore mal connu, particulièrement pour les organismes constituant les premiers maillons des chaînes trophiques qui requièrent des efforts analytiques importants en raison de leur faible taille. L'objectif de ces travaux est centré sur le développement, la validation et l'application d'outils analytiques permettant d'étudier la bioaccumulation et la biotransformation de polluants émergents chez des invertébrés benthiques. Cette étude s'est focalisée sur 3 organismes aquatiques d'eau douce : C. riparius, G. fossarum et P. antipodarum. Une méthode analytique pour la quantification de 35 polluants émergents chez les 3 espèces sélectionnées a ainsi été développée. Elle permet d'accéder aux premières données de bioaccumulation des substances d'intérêts à l'échelle d'un individu grâce à la mise en oeuvre d'une stratégie analytique entièrement miniaturisée, incluant une extraction MicroQuEChERS suivie d'une analyse par nanochromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem. Afin de mieux comprendre l'impact d'une telle pollution sur les espèces sélectionnées et d'obtenir une vue globale des capacités de biotransformation de celles-ci, une approche métabolomique a été mise en place. Enfin, un nouveau mode de quantification par MRM3 a été utilisé pour dépasser la complexité de telles matrices, et fournir une évaluation fiable des cinétiques de bioaccumulation de potentiels traceurs de pollution anthropique / The aquatic ecosystem is the result of a balance between the natural environment and the organisms that inhabit it. This balance can be modified by the input of excessive amount of substances generated from human activities. Nowadays, the impact of this pollution is still little known, especially regarding the risk of bioaccumulation in the first trophic levels. This lack of data could be partially explained by the lack of suitable analytical method for small organisms. In this context, the aim of this study is to establish the development, the validation and the application of analytical tools for the assessment of bioaccumulation and biotransformation of emerging pollutants in freshwater invertebrates. Three benthic invertebrates are chosen for this project: C. riparius, G. fossarum and P. antipodarum. Analytical method has been developed for the quantification of 35 emerging pollutants in the selected species. This method provides the first bioaccumulation data of targeted substances in individual scale through the implementation of miniaturized analytical strategy, including an extraction step based on MicroQuEChERS followed by nanoliquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry analysis. To better understand the impact of such pollution and to obtain a global view of the biotransformation capacities of the selected organisms, metabolomics approach has been put in place. Finally, a new quantification mode based on MRM3 was used to overcome biotic matrix complexity and assess the bioaccumulation kinetics of potential tracers of anthropic pollution

Une des évolutions dans le domaine de l'analyse chimique concerne la miniaturisation des systèmes d'analyse. Cette tendance s'accompagne du développement de nouvelles approches expérimentales basées, par exemple, sur l'intégration de plusieurs étapes analytiques, couplées en ligne en système miniaturisé. Cette intégration, en ligne, d'étapes mettant en jeu des mécanismes de séparation différents et généralement orthogonaux, implique cependant d'être capable de définir des zones (segments de colonne vides et/ou remplis de phase stationnaire) présentant des chimies de surface adaptées. L'approche choisie pour la préparation de ces colonnes " multimodales ", repose sur (1) la synthèse d'un monolithe de silice poreux "générique " dans des tubes capillaires de quelques dizaines de microns de diamètre interne et (2) la modification de surface localisée dans le capillaire permettant d'apporter des propriétés de surface complémentaires. Dans le cadre de cette thèse, deux procédés de fonctionnalisation innovants, initiés par photochimie, ont été développés pour la préparation des colonnes multimodales miniaturisées : la photopolymérisation, basée sur des réactions de polymérisation radicalaire, et la " photoclick chemistry ", basée sur un greffage radicalaire contrôlé (et non plus une polymérisation). Un état de l'art de leur utilisation en sciences séparatives a été dressé pour chacun des procédés, afin de guider le choix des stratégies de greffage. Après une optimisation des conditions de greffage, les résultats présentés dans ce manuscrit montrent que ces procédés de fonctionnalisation sont rapides (fonctionnalisation en quelques minutes), efficaces, polyvalents (transposables à de multiples greffons) et localisables. Leurs potentiels respectifs dans la préparation des colonnes multimodales ont ensuite été démontrés pour la préconcentration/séparation en ligne de plusieurs composés. L'approche par " click chemistry " qui permet un meilleur contrôle du greffage, a été étendue au greffage de biomolécules pour la préparation de supports d'immunoaffinité. Ainsi, une colonne multimodale composée d'une première zone remplie de monolithe photogreffée avec des aptamères et une deuxième zone vide a été préparée pour la préconcentration/séparation électrocinétique en ligne de l'Ochratoxine A / Miniaturization of analytical processes is a general trend in analytical chemistry. Such trend is driven by the development of new experimental approaches based, for example, on hyphenated analytical steps or techniques. The in-line coupling of different and generally orthogonal/complementary separation mechanisms at the microscale, is dependent on the capability to define functional segments (open column segments and/or filled with stationary phase). Preparation of such "multimodal" capillary columns is based on (1) the in-capillary synthesis of a "generic" porous silica monolith and (2) on its localized chemical surface modification to define specific functional segments. Herein, two innovative photo-functionalization processes have been investigated for the preparation of multimodal miniaturized columns. The former, called photopolymerization is based on acrylate free radical polymerization reactions while the latter, called photografting, implements the thiol-ene "photoclick chemistry" reaction. These photo-initiated processes, after optimization, prove to be rapid (within few minutes), versatile (adapted to the grafting of various monomers) and localizable. Photopolymerization of acrylate monomers on activated silica monolith (using ?-methacryloxypropyltrimethoxysilane) gives rise to highly retentive columns due to the polymeric nature of the layer obtained. Photografting of octadecanethiol on vinylized silica columns leads to monolayer-like coating. The preparation of dedicated multimodal columns using such approaches was then successfully applied to the in-line preconcentration / separation of neuropeptides and preconcentration / fractionation of various neutral and charged compounds. The "click chemistry" approach which allows a better control of the reaction, has been extended to the grafting of biomolecules for the preparation of immunoaffinity supports. Thus, a multimodal column composed a 1-cm length aptamer-functionalized monolith at the entrance of a CZE open capillary has been prepared and successfully applied to the in-line preconcentration/electrokinetic separation of Ochratoxin A in white wine and beer