Les variations ioniques entrent en jeu dans presque tous les processus métaboliques cellulaires et bactériens. Par le fait même, leur dysfonctionnement induit une modification des concentrations attendues et provoque des maladies graves à même la solution physiologique ou le tissu biologique affecté. Parmi ces différents facteurs, le pH est un paramètre-clé régissant plusieurs activités comme la capacité enzymatique, la conformation tridimensionnelle des protéines et l’activation de certains transporteurs membranaires. Lors de ces travaux de doctorat, des nanoparticules fluorescentes sensibles au pH ont été développées et appliquées sous la forme d’un substrat lamellaire implantable directement dans l’environnement de culture de cellules. Ce nouvel outil analytique adapté pour la recherche biomédicale in vitro offre donc la possibilité de visualiser le pH en microscopie de façon quantitative avec une résolution spatiale (~1 μm) et temporelle (<300 ms). Pour ce faire, les nano-capteurs ont été optimisés dans le cadre d’une étude paramétrique structurale. Ces nanoparticules comportent un coeur métallique offrant une activité plasmonique qui permet d’exalter la fluorescence de chromophores incorporés dans une coquille de silice. La taille, la distance d’espacement, et le degré de recouvrement entre la bande plasmonique et le spectre d’excitation/émission de différents fluorophores ont donc été ajustés afin de rentabiliser la portée de l’effet amplificateur de ces architectures concentriques. Comme la chimie d’encapsulation des molécules sensibles est généralisable pour un grand nombre de précurseurs silanes, une démonstration a été faite pour un concept de nanoparticules multicouches permettant simultanément la détection multiélémentaire de la concentration en protons et en ions halogénure (Cl-, Br-, I-), et aussi la correction de ces signaux par rapport à une référence interne. La normalisation ratiométrique permet de compenser pour les fluctuations et erreurs expérimentales issues notamment de la concentration des capteurs, du photoblanchiment et de l’intensité de la source en fonction du temps. Finalement, cette stratégie a été appliquée dans une étude spectroscopique utilisant la fluorescéine dans des nanoparticules coeur-coquille en tant que rapporteur ratiométrique pour la mesure quantitative du pH dans des cultures cellulaires. Pour ce faire, les nano-architectures ont été fonctionnalisées, puis confinées en surface d’un substrat de silice par voie de couplage clic complémentaire. Ces lamelles de microscopie à valeur ajoutée offrent donc une surface adaptée pour la culture de cellules excitables comme les fibroblastes cardiaques et les neurones, mais aussi pour la croissance bactérienne de biofilms et l’analyse multiphase en microfluidique. / Ionic gradient changes are essential in almost every cellular and bacterial metabolic processes. Therefore, any malfunction that perturbs these ion concentrations can induce major illnesses in the affected physiological solution or biological tissue. Amongst all the chemical species influenced by cell metabolism, protons are key to many events; enzyme activity, protein structural changes, and activation of membrane transporters. In this doctoral thesis, pH-sensitive fluorescent nanoparticles were developed and grafted on planar substrates in order to probe the culture medium of different cells in vitro. These innovative analytical tools for biomedical research offer the possibility to image quantitative pH values in microscopy with both spatial (~1 μm) and temporal resolutions (<300 ms). As such, the sensors were optimized in a structural parametric study with regards to the nanoarchitecture design. These particles comprise a metallic core with plasmonic properties to enhance the fluorescence of molecules incorporated into a porous silica shell. The core size, the spacing layer thickness, the spectral overlap between the plasmon and the fluorescence excitation/emission bands, and the sensitive moieties were carefully chosen to take advantage of the plasmonic range of enhancement in concentric architectures. Since the covalent encapsulation of molecules is highly adaptable for many silanized fluorophores, core-multishell architectures were synthesized as a proof of concept which allows simultaneous measurements of pH and halides (Cl-, Br-, I-), and signal normalization with an internal reference onto the same nanoparticle. The ratiometric correction compensates for fluctuations in light intensity and experimental errors with sensor concentration, photobleaching and environmental effects as a function of time. Finally, this analytical strategy was applied in a spectroscopic study of fluorescein-doped nanoparticles as quantitative pH-sensitive markers implemented in biological cell cultures. Particularly, the core-shell nanoarchitectures were functionalized with a silane component and immobilized at the surface of a silica substrate by way of complementary click coupling. These improved microscope coverslips were evaluated as a fluorescent sensing surface for the culture of adhesive excitable cells – e.g. cardiac fibroblasts and neurons, but also for the growth of bacterial biofilms and the study of multiphase interfaces in microfluidic devices.

L’augmentation considérable de l’eutrophisation des eaux de surface dans les dernières décennies a mené à la création de stations de récupération des ressources de l’eau (StaRRE) de plus en plus instrumentées pouvant procéder à l’élimination des nutriments. Pour assurer l’efficacité des procédés de récupération, plusieurs paramètres de qualité des eaux doivent être surveillés. Des méthodes en ligne et hors-ligne existent pour réaliser cette surveillance. Cependant, certains paramètres sont difficilement mesurés en ligne, alors des analyses en laboratoire sont toujours de mise. La titrimétrie est une méthode hors-ligne permettant la surveillance de la qualité des eaux en laboratoire. Un appareil Titrino a été installé afin de procéder à l’analyse titrimétrique des eaux usées de l’usine pilEAUte, une StaRRE de traitement expérimentale de 12 m3 située sur le campus de l’Université Laval. L’eau usée de cette station provient d’une résidence étudiante du campus et de ses environs. L’eau pompée vers la station est stockée dans un bassin de 5 m3 avant d’être acheminée à un décanteur primaire. L’effluent du décanteur est alors envoyé vers deux chaînes de traitement biologique composées de cinq bioréacteurs chacune. Enfin, l’eau est acheminée vers deux décanteurs secondaires. Dans le cadre de ce projet, des campagnes de mesure ont été réalisées afin de comparer les données provenant de capteurs en ligne avec l’information extraite d’expériences de titrimétrie pour la mesure de la qualité des eaux usées de la station. Ces campagnes de mesure ont été réalisées en lien avec de projets menés avec des partenaires industriels. L’objectif de cette étude est d’évaluer l’efficacité des analyses de titrimétrie pour la mesure de la qualité de l’eau à l’affluent et à l’effluent d’une StaRRE. Les données extraites de la titrimétrie sont analysées de deux façons différentes: la modélisation de la capacité tampon de l’eau et la modélisation de l’équilibre chimique via le logiciel PHREEQC. Ces méthodes ont été mises en place, puis comparées sur la base de leur efficacité pour mesurer la concentration de certaines substances tampon présentes dans les eaux usées. Pour améliorer les estimations des modèles, des améliorations au protocole d’utilisation du Titrino ont été développées. Il a été déterminé que l’utilisation d’une couverture d’azote gazeux et le stripage du CO2 dissout dans les échantillons sont nécessaires à la réalisation de titrations fiables, et sont donc aussi nécessaires à la mesure de substances tampon autre que l’alcalinité, soit l’ammoniaque et les acides gras volatils (AGV). Afin de valider les résultats obtenus à l’aide du modèle de capacité tampon et afin d’obtenir une description complète de l’équilibre chimique des solutions analysées, un modèle de simulation de la procédure de titration a été développé avec le logiciel PHREEQC et l’interface PHREEQXCEL. Cet environnement de simulation a été supplémenté du solveur OpenSolver, un complément Excel à licence libre capable de réaliser les estimations de paramètres requises pour estimer la concentration de chaque espèce chimique présente dans les échantillons. De plus, la base de données de réactions chimiques de PHREEQC a été modifiée afin d’inclure toute l’information chimique nécessaire à la modélisation des spéciations se produisant dans les eaux usées. Après avoir proposé ces améliorations et avoir comparé les résultats des analyses de titration à des analyses chimiques conventionnelles, il a été déterminé que la titrimétrie est une alternative fiable pour la surveillance de la performance des procédés de récupération des nutriments des eaux usées. / The considerable rise of eutrophication in water bodies has led to highly instrumented water resource recovery facilities (WRRFs) that can perform nutrient removal processes. To ensure the efficiency of these processes, several parameters that influence the performance of WRRFs need to be well thought out. The latter requires monitoring strategies composed of on-line and off-line methods. Lately, on-line measurements have contributed significantly to monitor and characterize the quality of water and wastewater. However, on-line measurements are not applicable or not implemented yet for some specific areas. For this, off-line laboratory methods are welcome alternatives. Titrimetry is one of the examples of a low-cost off-line method that allows characterizing aquatic streams. Concerning titrimetric monitoring of wastewater, a Titrino device was installed in the laboratory of the 12 m3 pilEAUte WRRF located at Université Laval. The wastewater feeding the plant is coming from a student residence building on campus. The water pumped to the station is feeding a storage tank with a volume of 5 m3 , from which it is then pumped to a primary clarifier. The influent stream is then split into two similar treatment lines, composed of several bioreactors. These two lanes are followed by two secondary settling tanks. In this work, sampling campaigns were performed to compare the sensor data and the off-line titrimetric measurements in a framework of research projects in which industrial partners are involved. The goal of this study was to investigate the efficiency of using titrimetry to analyze and characterize influent and effluent samples of a WRRF. Two data interpretation methods, buffer capacity and PHREEQC, were tested and their performances in estimating the concentration of the concerned buffers were evaluated. For better model estimation, first, some of the lab procedures were improved. It was found out that nitrogen blanketing and CO2 stripping are necessary to perform reliable titration, and thus, to measure other concerned buffers besides alkalinity, such as ammonia and volatile fatty acids (VFA). Moreover, to validate the results of the buffer capacity model and to have a complete description of the equilibrium reactions of the chemical system under study, a titration simulation model was successfully built in PHREEQC with the PHREEQXCEL interface. This titration lab simulation was extended with the OpenSolver, an open-source Excel add-in, which allows to reliably perform the parameter estimation needed to find the concentration of the different species in the sample. In addition, PHREEQC’s database was modified to include all the model components and their essential chemical information for the speciation calculations.After introducing the mentioned lab and modelling improvements, the reliability of the titrimetric measurements for monitoring the performance of nutrient removal was enhanced.