Les plasmas induits par laser (PIL) ont depuis leurs apparitions dans les années soixante suscité un très grand intérêt notamment comme source de données spectroscopiques. Ils ont également acquis des nombreuses applications, comme sources des rayons X pour la lithographie, l’allumage plasma, la déposition par laser pulsé, ou sont devenues la base d’une technique d’analyse très populaire – la LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). Cette dernière peut s’appliquer in situe à tout type d’échantillon et sans préparation. Toutefois, les mesures faites par cette méthode sont latéralement intégrées nécessitant des techniques d’inversion, mais dépendent également des conditions d’équilibre thermodynamiques local (ETL) dans le plasma. Afin de valider les mesures effectuées par LIBS, la diffusion Thomson qui est une méthode spatialement résolue et indépendante des hypothèses d’équilibre thermodynamique a été appliquée pour caractériser les PIL. Des plasmas d’ablation et de claquage ont donc été caractérisés à la fois par spectroscopie d’émission et par diffusion Thomson. La comparaison des paramètres température et densité électronique obtenues par les deux méthodes d’une part, et le critère de McWhirter ainsi que les temps de relaxation et les longueurs de diffusions des espèces contenues dans le plasma d’autre part, ont permis de statuer sur l’ETL. / Laser induced plasma (LIP) which was first reported in the beginning of sixties, has achieved a great interest as a source of spectroscopic data. It has also many applications like X-ray sources for lithography, plasma igniters, pulsed laser deposition or it has become a basis of a very popular analytical technique – LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). The latter is mainly due to its applicability to different kinds of samples, no sample preparation or in-situ and remote sensing capability. However, LIBS measurements are laterally integrated and Abel inversion must be performed. Also the method assumes the plasma to be in local thermodynamic equilibrium (LTE). In order to validate LIBS measurements, Thomson scattering (TS) method which is spatially resolved and free from equilibrium assumption was applied. Thus, ablation and breakdown plasmas were characterized by both two methods. Comparison between plasma parameters (temperature and electron density) obtained by the two methods and McWhirter criterion as well as relaxation times and diffusion lengths of species in the plasma allowed to estimate LTE.

Les sources de radiocésium-137 (137Cs) sont utilisées commercialement dans les domaines médicaux et industriels. Il existe plusieurs méthodes, telle la spectroscopie-γ, permettant de détecter de faibles concentrations de 137Cs. Cependant, l’analyse du ratio 135Cs/137Cs, qui permet de caractériser la source, ne peut être obtenue que par spectrométrie de masse, et seulement si l’élément a été préalablement séparé chimiquement, et ce, pour éviter les interférences isobariques. Ce mémoire porte sur la séparation du Cs+ par l’utilisation d’adsorbants à base de molybdophosphate d’ammonium (AMP), sel connu pour être sélectif au Cs+, supportés sur silice mésoporeuse (SBA-15). Les silices mésoporeuses permettent d’augmenter la surface de contact avec l’échantillon et de stabiliser l’échangeur de cations pour des perspectives de régénération. Des analyses ont été faites quant aux caractéristiques chimiques des matériaux par plasma à couplage inductif-spectrométrie de masse, diffraction des rayons X, thermogravimétrie et spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X. Les caractéristiques physiques des matériaux ont quant à elles été déterminées par microscopie électronique et par physisorption d’azote à -196 °C. Finalement, les capacités des matériaux ont été évaluées par analyse élémentaire par plasma à couplage inductif-spectrométrie de masse. / Radiocesium (137Cs) sources are commercially used in medical and industrial domains. Several methods, including γ-spectroscopy, can detect low concentrations of 137Cs. However, only mass spectroscopy can achieve the determination of the 135Cs/137Cs, which is important to characterize the radiosource. Radiocesium having several isobaric interferences, it is hence necessary to chemically separate the cesium from its matrix. Cesium separation has been studied by using ammonium molybdophosphate (AMP) based adsorbents, this salt being known to be selective to Cs+. These sorbents are supported on mesoporous silicas (SBA-15), which allows to enhance the specific surface of the material and thus stabilizes the cationic exchanger, allowing regeneration. Materials have been analysed by inorganic mass spectrometry, X-ray diffration, thermogravimetric analysis and by X-ray photoelectron spectroscopy to determine their chemicals characteristics. Physical characteristics have been determined by electronic microscopy and by nitrogen physisorption at -196 °C. Extraction capacities have also been studied by inorganic mass spectrometry.

L’objectif de cette thèse était d’appliquer des méthodes d’analyse multivariées au traitement des données provenant de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) et de la spectroscopie térahertz (THz) dans le but d’accroître les performances analytiques de ces techniques.Les spectres LIBS provenaient de campagnes de mesures directes sur différents sites géologiques. Une approche univariée n’a pas été envisageable à cause d’importants effets de matrices et c’est pour cela qu’on a analysé les données provenant des spectres LIBS par réseaux de neurones artificiels (ANN). Cela a permis de quantifier plusieurs éléments mineurs et majeurs dans les échantillons de sol avec un écart relatif de prédiction inférieur à 20% par rapport aux valeurs de référence, jugé acceptable pour des analyses sur site. Dans certains cas, il a cependant été nécessaire de prendre en compte plusieurs modèles ANN, d’une part pour classer les échantillons de sol en fonction d’un seuil de concentration et de la nature de leur matrice, et d’autre part pour prédire la concentration d’un analyte. Cette approche globale a été démontrée avec succès dans le cas particulier de l’analyse du plomb pour un échantillon de sol inconnu. Enfin, le développement d’un outil de traitement par ANN a fait l’objet d’un transfert industriel.Dans un second temps, nous avons traité des spectres d’absorbance terahertz. Ce spectres provenaient de mesures d’absorbance sur des mélanges ternaires de Fructose-Lactose-acide citrique liés par du polyéthylène et préparés sous forme de pastilles. Une analyse semi-quantitative a été réalisée avec succès par analyse en composantes principales (ACP). Puis les méthodes quantitatives de régression par moindres carrés partiels (PLS) et de réseaux de neurons artificiels (ANN) ont permis de prédire les concentrations de chaque constituant de l’échantillon avec une valeur d’erreur quadratique moyenne inférieure à 0.95 %. Pour chaque méthode de traitement, le choix des données d’entrée et la validation de la méthode ont été discutés en détail. / The aim of this work was the application of multivariate methods to analyze spectral data from laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and terahertz (THz) spectroscopy to improve the analytical ability of these techniques.In this work, the LIBS data were derived from on-site measurements of soil samples. The common univariate approach was not efficient enough for accurate quantitative analysis and consequently artificial neural networks (ANN) were applied. This allowed quantifying several major and minor elements into soil samples with relative error of prediction lower than 20% compared to reference values. In specific cases, a single ANN model didn’t allow to successfully achieving the quantitative analysis and it was necessary to exploit a series of ANN models, either for classification purpose against a concentration threshold or a matrix type, or for quantification. This complete approach based on a series of ANN models was efficiently applied to the quantitative analysis of unknown soil samples. Based on this work, a module of data treatment by ANN was included into the software Analibs of the IVEA company. The second part of this work was focused on the data treatment of absorbance spectra in the terahertz range. The samples were pressed pellets of mixtures of three products, namely fructose, lactose and citric acid with polyethylene as binder. A very efficient semi-quantitative analysis was conducted by using principal component analysis (PCA). Then, quantitative analyses based on partial least squares regression (PLS) and ANN allowed quantifying the concentrations of each product with a root mean square error (RMSE) lower than 0.95 %. All along this work on data processing, both the selection of input data and the evaluation of each model have been studied in details.

De nombreux métaux tels que, par exemple le Zn, le Fe, le Cu ou le Ni jouent un rôle essentiel dans la croissance et le développement normal des plantes car ils sont impliqués dans différents processus physiologiques pouvant être cependant perturbés par une carence ou un excès en métaux. Par conséquent, afin de réguler l'absorption des métaux, leur translocation et leur accumulation, les plantes ont développé des mécanismes divers, comme la production de métabolites de faible poids moléculaire pouvant se lier aux métaux. La connaissance de ces complexes métalliques et des processus qu'ils subissent dans les plantes peut être utilisée dans des études environnementales, nutritionnelles et toxicologiques. Cependant, cette connaissance était très limitée à cause de l'absence de méthodologie appliquée avec succès pour étudier la spéciation des traces de métaux dans les végétaux. Par conséquent, le but de cette étude fut le développement d'une méthodologie d'analyse des espèces métalliques dans des échantillons de plantes. La nouvelle approche est basée sur l'utilisation conjointe du (i) couplage HPLC – ICP MS permettant la détection de nombreuses espèces, souvent peu concentrées, contenant des métaux avec (ii) une identification en parallèle par couplage HPLC – electrospray Orbitrap MS/MS. Elle a permis l'identification (i) d’environ 60 espèces métalliques, la plupart jamais observées précédemment dans différents fluides (xylème, endosperme liquide) de Pisum sativum (petit pois) et (ii) de plusieurs complexes mixtes fer - aluminium - citrate chez Plantago almogravensis. La méthodologie développée a également été appliquée à (iii) la spéciation du sélénium dans Brassica nigra permettant l'identification de plus de 30 composés de faible poids moléculaire contenant du sélénium. / Numerous metals, such as, e.g. Zn, Fe, Cu or Ni play an essential role in normal plant growth and development as they are involved in different physiological processes that may be, however, disrupted by metal deficiency or excess. Therefore, to regulate metal uptake, translocation and accumulation plants have developed diverse mechanisms including the production of low molecular mass metal binding metabolites. The knowledge of these forms of metals and the processes they undergo in plants can be used in environmental, nutrition and toxicological studies. However, this knowledge was very limited as there was a lack of methodology that could be successfully applied to investigate trace metal speciation in plants. Therefore, the aim of this study was the development of the methodology for the analysis of metal species in complex plant samples. The novel approach is based on the use of combination of (i) HPLC – ICP MS coupling allowing the detection of numerous, often low concentrated, metal-containing species with (ii) a parallel identification using HPLC – electrospray Orbitrap MS/MS coupling. The developed approach allowed the identification of (i) ca. 60 different, mainly previously unreported metal species in saps of Pisum Sativum (green pea) and (ii) several mixed iron – aluminum – citrate complexes in Plantago almogravensis. This developed methodology was also applied to (iii) investigate selenium speciation in Brassica nigra allowing the identification of more than 30 selenium-containing low molecular mass compounds.

L'objectif de cette thèse était d'appliquer des méthodes d'analyse multivariées au traitement des données provenant de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) et de la spectroscopie térahertz (THz) dans le but d'accroître les performances analytiques de ces techniques.Les spectres LIBS provenaient de campagnes de mesures directes sur différents sites géologiques. Une approche univariée n'a pas été envisageable à cause d'importants effets de matrices et c'est pour cela qu'on a analysé les données provenant des spectres LIBS par réseaux de neurones artificiels (ANN). Cela a permis de quantifier plusieurs éléments mineurs et majeurs dans les échantillons de sol avec un écart relatif de prédiction inférieur à 20% par rapport aux valeurs de référence, jugé acceptable pour des analyses sur site. Dans certains cas, il a cependant été nécessaire de prendre en compte plusieurs modèles ANN, d'une part pour classer les échantillons de sol en fonction d'un seuil de concentration et de la nature de leur matrice, et d'autre part pour prédire la concentration d'un analyte. Cette approche globale a été démontrée avec succès dans le cas particulier de l'analyse du plomb pour un échantillon de sol inconnu. Enfin, le développement d'un outil de traitement par ANN a fait l'objet d'un transfert industriel.Dans un second temps, nous avons traité des spectres d'absorbance terahertz. Ce spectres provenaient de mesures d'absorbance sur des mélanges ternaires de Fructose-Lactose-acide citrique liés par du polyéthylène et préparés sous forme de pastilles. Une analyse semi-quantitative a été réalisée avec succès par analyse en composantes principales (ACP). Puis les méthodes quantitatives de régression par moindres carrés partiels (PLS) et de réseaux de neurons artificiels (ANN) ont permis de prédire les concentrations de chaque constituant de l'échantillon avec une valeur d'erreur quadratique moyenne inférieure à 0.95 %. Pour chaque méthode de traitement, le choix des données d'entrée et la validation de la méthode ont été discutés en détail.