La spectrométrie de masse tandem est une technique analytique versatile, notamment utilisée dans le champ de la protéomique pour dériver la séquence de peptides. Cette thèse vise à contribuer au développement de méthodes intégrées à la spectrométrie de masse afin d’apporter des informations structurales sur les ions moléculaires, intermédiaires réactionnels ou produits de réactions. La fragmentation des peptides protonés est induite par collisions avec une gaz rare (CID). Des multiples fragments sont observés et la séquence peptidique peut être dérivée de la mesure de la masse de séries d’ions analogues. Les mécanismes de fragmentation par CID des peptides protonés sont très complexes, constituant un champ de recherche important. Dans ce contexte, le couplage de deux techniques comme la spectrométrie de masse et la spectroscopie infrarouge a été utilisé pour caractériser des ions fragments (an et bn) de peptides. Divers signatures infrarouges identifiées dans les gammes spectrales 1000-2000 et 3000-3800 cm-1 et caractéristiques de différents motifs structuraux ont mis en évidence la permutation de la séquence de la chaîne peptidique pour les ions an. Dans le cas des ions bn, la formation d’une structure macrocyclique s’appuie sur la formation spécifique d’un complexe produit d’une réaction avec NH3, que nous avons caractérisé par spectroscopie infrarouge. L’objectif ultime de cette thèse était de mettre en place une approche multimodale sur un spectromètre de masse unique, intégrant la séparation par mobilité ionique et la spectroscopie infrarouge d’ions moléculaires en permettant la caractérisation structurale par spectroscopie infrarouge des ions simultanément sélectionnés en masse et par mobilité ionique. La technique de mobilité ionique mise en œuvre est de type « Differential Ion Mobility spectrometry » (DIMS). Nous aurions souhaité pouvoir exploiter l’IMS sur des ions fragments de peptides, mais la technique DIMS ne le permettait pas. Nous avons choisi d’explorer la séparation et la caractérisation des monosaccharides cationisés par Li+, Na+ et K+. Dans le cas des complexes de Li+, les résultats spectroscopiques et de mobilité ionique sont cohérents avec les structures les plus stables prédites par la théorie. Ces calculs de chimie quantique permettent aussi d’interpréter une signature spectrale spécifique de complexes de Li+ avec des anomères de glucose. / Tandem mass spectrometry is a versatile analytical technique, used in particular in the field of proteomics to derive peptide sequence. This thesis aims to contribute to the development of integrated approaches to mass spectrometry to provide structural information on molecular ions, which can either be reaction intermediates or reaction products. The fragmentation of protonated peptides is induced by multiple collisions with rare gas atoms (CID). Multiple fragments are observed and the peptide sequence is derived from the measurement of the mass difference between two consecutive analogous ions. Fragmentation mechanisms of the protonated peptides under CID conditions constitute an intense research field. In the frame of this PhD thesis, mass spectrometry and infrared spectroscopy were coupled to characterize the fragment ions (an and bn) peptides. Several infrared signatures were found in the 1000-2000 and 3000-3800 cm-1 spectral ranges characteristic of different structural motifs. In the case of the an ions, these IR signatures provide evidence of the permutation of the sequence of the peptide chain. In the case of the middle size bn ions, the formation of a macrocyclic structure relies on the specific formation of an ion-molecule complex with NH3, whose structure has been characterized by IR spectroscopy.The ultimate objective of this thesis was to develop a multimodal approach based on a single mass spectrometer, which incorporates ion mobility spectrometry and infrared spectroscopy in order to characterize the structure of mobility- and mass-selected molecular ions. The ion mobility technique used is the "Differential Ion Mobility spectrometry" (DIMS). Peptide fragment ions could not be studied using this new set-up. We chose to study the separation and characterization of cationized monosaccharides with Li+, Na+ or K+. In the case of lithiated complexes, the spectroscopic and ion mobility data are consistent with the low energy structures predicted by theory, allowing in particular the interpretation of an IR specific signature characteristic of some Li+ complexes of glucose anomers.

Pour répondre au besoin de miniaturisation des spectromètres de terrain travaillant dans l’infrarouge, l’ONERA a développé un nouveau concept baptisé MICROSPOC. Ce dispositif est un détecteur infrarouge auquel a été intégré un interféromètre à deux ondes, constituant un spectromètre statique par transformée de Fourier. Ce plan focal infrarouge modifié, qui fusionne la fonction interférométrique et la fonction de détection, associé à une optique de tête simplifiée, permet d’envisager la réalisation d’instruments très compacts. L’objectif de cette thèse est de concevoir un spectromètre infrarouge miniature basé sur le dispositif MICROSPOC. Dans un premier temps, un travail théorique a été mené, dans l’objectif de dimensionner un système optique très compact. Notre choix s’étant orienté vers un système optique de collection (le détecteur voit une source étendue à distance finie), l’étude de l’acceptance angulaire de MICROSPOC dans ces conditions d’éclairement est indispensable afin de prévoir le contraste et la forme des franges d’interférence. Les résultats montreront la grande acceptance angulaire de MICROSPOC.Dans un second temps, un démonstrateur basé sur un composant MICROSPOC et sur le système optique simplifié a été réalisé. Ce démonstrateur a été caractérisé en laboratoire puis utilisé sur le terrain lors d’une campagne de mesures. Ces différentes exploitations ont montré la robustesse de l’instrument malgré l’obtention d’interférogrammes présentant divers défauts.Dans un troisième temps, une chaîne de traitement a été développée afin d’estimer un spectre à partir d’un interférogramme obtenu à l’aide du démonstrateur. Du fait des caractéristiques intrinsèques de MICROSPOC, la transformée de Fourier n’est pas la meilleure solution pour estimer un spectre. Nous l’avons montré en nous intéressant aux effets des disparités de longueur d’onde de coupure du détecteur sur l’estimation d’un spectre. Nous nous sommes alors tournés vers une approche consistant à utiliser la caractérisation spectrale de l’instrument pour inverser la mesure. Cette approche donne des résultats satisfaisants.Enfin, le but principal de cette thèse a été élargi par la conception et la réalisation de différents démonstrateurs combinant une fonction d’imagerie à une fonction de spectrométrie. Les premières pistes pour la conception d’un spectromètre qui tient dans la main ont été données. / In order to satisfy the need for handheld infrared spectrometers, the ONERA developed a new concept called MICROSPOC. This device is an infrared focal plane array with a built-in two-wave wedge-like interferometer and forms a static Fourier-transform spectrometer. This modified focal plane array, which merges the detection function and the interferometric function, in association with a simplified optical system, allows to consider the realisation of a much compact instrument. The goal of this thesis is to design and to realize a miniaturized infrared spectrometer based on the MICROSPOC concept.Firstly, a theoritical work has been led in order to design a compact optical system. Since we have chosen a collection optical system (the focal plane array sees an extended source placed at a finite distance), the study of MICROSPOC angular acceptance in these lightening conditions is needed in order to predict the contrast and the shape of interference fringes. The huge angular acceptance of MICROSPOC will be established with the results of this study.Secondly, a demonstrator based on MICROSPOC device and on the simplified optical system has been realized. This demonstrator has been caracterized in the laboratory and used in real conditions of a measurement campaign. These different exploitations have shown the robustness of the instrument despite some defaults on acquired interferograms.Then, a processing chain has been developed in order to estimate a spectrum from an interferogram acquired with our demonstrator. Considering the MICROSPOC’s own characteristics, the Fourier-transform is not the best way to estimate a spectrum. We have come to this conclusion by studying the effects of cut-off wavelenghts disparities of the detector on the spectrum estimation. At this point we have considered an approach that consists of using the spectral characterization of the instrument in order to inverse the measure. This approach gives satisfying results.Finaly, the main goal has been widened with the design and the realisation of other instruments that combine a spectrometric function and a imaging function. The first elements for the design of a handheld spectrometer have been given.

Le phénomène d’effervescence d’un champagne est la manifestation visuelle évidente du processus de désorption du gaz carbonique dissous. Outre la formation de bulles pendant cette phase transitoire de dégazage, le CO2 en solution va également s’échapper directement par diffusion à travers la surface libre (l’interface air/champagne). Il s’agit d’un processus de désorption invisible du CO2 dissous et, par la même, beaucoup plus difficilement quantifiable. Depuis une quinzaine d’années maintenant, nous avons systématiquement mené des recherches afin d’apporter des éléments scientifiques et objectifs qui contribuent à une meilleure connaissance de chacune des étapes de la vie d’une bulle dans un verre de champagne : nucléation, ascension, éclatement. Notons également que ces bulles de gaz contiennent très probablement des molécules aromatiques volatiles qui, elles aussi, s’échappent progressivement du champagne au cours d’une dégustation. A ce jour, les interactions du CO2 avec les composés organiques volatils (aromatiques), tel que l’éthanol, et l'effet éventuel d'un excès ou d'un déficit de CO2 lors d'une dégustation n'ont fait l'objet d'aucun travail analytique. Une première étape dans la compréhension du rôle du CO2 passe nécessairement par son dosage fin dans l'espace de tête au dessus d’un verre de champagne. La détection et la mesure du CO2 gazeux se baseront sur des mesures par spectrométrie laser bien maîtrisées au GSMA pour la mesure du CO2 atmosphérique. Grâce aux avancées technologiques des lasers, un travail préliminaire (thèse de Maxime Mulier, 2009) avait permis de mettre en place un spectromètre laser infrarouge susceptible de détecter la diffusion du CO2 gazeux au buvant d’une flûte de champagne. Le projet ECOCHAMP permettra l’amélioration du spectromètre initialement développé au GSMA, pour être au plus proche des conditions réelles de dégustation et ainsi déterminer la concentration en CO2 gazeux avec précision et de manière non invasive et non destructrice. La détermination de la concentration en éthanol, un composé organique volatil majeur du vin, sera également réalisée au-dessus du verre grâce aux améliorations du spectromètre laser infrarouge. Nous étudierons de nombreux paramètres pouvant influencer la perception du CO2 et de l’éthanol au cours d’une dégustation: influence du mode de versement, de l’angle du verre, des conditions d’effervescence, de la forme du verre, du volume de vin servi, de la température du vin, etc…En parallèle, le suivi de la libération progressive du CO2 dissous hors d’un vin de champagne se fera par micro-pesées (GSMA) et par visualisation à l’aide de la thermographie infrarouge (GRESPI). Les résultats obtenus devraient permettre une avancée importante dans la compréhension des phénomènes de désorption du CO2 et d’éthanol hors d’un vin de Champagne. Ces données seront obtenues dans des conditions très proches des conditions réelles de dégustation et elles seront comparées à des évaluations sensorielles réalisées par un panel de dégustation (expérimenté et non expérimenté). En faisant varier les paramètres liés aux conditions de service, nous pourrons ainsi être en mesure de cartographier l’espace gazeux situé au dessus d’un verre de champagne, en suivant les concentrations de deux molécules jouant un rôle prépondérant lors d’une dégustation : le CO2 et l’éthanol. / The effervescence Champagne phenomenon is the obvious visual manifestation of dissolved carbon dioxide gas desorption process. Besides the formation of bubbles during this transitional phase degassing, CO2 in solution will also escape by diffusion through the free surface (air / champagne interface). It is an invisible desorption process of dissolved CO2, much more difficult to quantify. For fifteen years now, we have lead researches to provide scientific and objective elements which contribute to a better knowledge of each bubble life stage in a glass of champagne: nucleation, ascension, bursting. These gas bubbles may contain volatile aromatic molecules which will gradually escape champagne during a tasting. The CO2 interactions with volatile organic (aromatic) compounds, such as ethanol, and the possible effect of excess or deficit of CO2 during a tasting have been the subject to any analytical work. A first step in understanding the role of CO2 necessarily requires its precise dosage in the headspace above a glass of champagne. The detection and measurement of gaseous CO2 will be based on measurements by laser spectrometry well mastered at the GSMA for the measurement of atmospheric CO2. Thanks to laser technological advance, a preliminary work (Maxime Mulier’s thesis, 2009) allowed to establish an infrared laser spectrometer capable to detect the CO2 gas diffusion at the top of glass of champagne. The ECOCHAMP project will allow the improvement of the spectrometer intially developed at the GSMA, to be closer to the actual conditions of tasting and determine the CO2 gas concentration accurately, noninvasively and nondestructively. The determination of the ethanol concentration, a major volatile organic compound in wine, will also be carried out above the glass thanks to the infrared laser spectrometer improvements. We will study many parameters which can influence the CO2 and ethanol perception during a tasting: the influence of the pouring method, the angle of the glass, the glass shape, the volume of served wine, the wine temperature, the sparkling conditions, etc ... In parallel, the dissolved CO2 gradual release out of a champagne will be monitor by micro-weighed (GSMA) and by visualization using thermography infrared (GRESPI). The results should allow a major advance in understanding desorption phenomena of CO2 and ethanol out of a champagne. These data will be obtained in conditions very close to the actual tasting conditions and will be compared to sensory evaluations performed by a taste panel (experienced and inexperienced). By varying the parameters relative to service conditions, we could well be able to map the gas space above a glass of champagne, according to the concentrations of two molecules which play a leading role during a tasting: CO2 and ethanol.

Ce travail présente une étude multi-échelle et multi-technique sur la caractérisation des oxy-hydroxydes de fer dans trois types de gisements d’uranium et leur encaissant. Le choix des sites d’études s’est porté sur un gisement de type roll front : Zoovch Ovoo dans le bassin crétacé de East Gobi (Mongolie) ; un autre de type tectono-lithologique : Akola/Ebba dans le bassin de Tim Mersoï (Niger) et enfin un type discordance protérozoïque : Kiggavik en bordure du bassin du Thelon (Canada). Une nouvelle approche a été mise en œuvre pour caractériser les oxy-hydroxydes de fer sur échantillons macroscopiques : la spectroscopie infrarouge de terrain en utilisant le spectromètre ASD TerraSpec®. À partir d’indices originaux calculés sur les spectres, il a été possible à la fois de caractériser les oxy-hydroxydes de fer ; seules l’hématite et la goethite ont été identifiées dans les parties oxydées des différents fronts uranifères, et de visualiser les différentes zonations d’altération le long des fronts redox. De plus, la partie visible du spectre a été utilisée pour quantifier la couleur des échantillons à travers les paramètres des systèmes ITS (Intensité – Teinte – Saturation) et de Munsell. L’étude des paramètres de couleurs a permis d’identifier une teinte spécifique pour les échantillons minéralisés étudiés : un mélange de jaune et de rouge (2,5 à 10 YR en notation de Munsell). A l’échelle des cristaux, les oxy-hydroxydes de fer ont été caractérisés par la spectroscopie micro-Raman. Cette étude a permis de mettre en évidence une différence de cristallinité des cristaux d’hématite dans les différents gisements. D’un point de vue morphologique, les cristaux de goethite du gisement de Zoovch Ovoo, seul oxy-hydroxyde de fer authigène décrit dans ce front, sont maclés en forme d’étoile à six branches, ce qui témoigne d’une cristallisation de basse température, comparé aux gisements du Niger et de Kiggavik. Cette cristallisation est principalement contrôlée par la disponibilité des ions Feᴵᴵᴵ dans le fluide, libérés par la dissolution de la pyrite en milieu oxydant et le pH. D’un point de vue chimique, les oxy-hydroxydes de fer enregistrent le passage du fluide uranifère de part leur teneur eu uranium. Et d’autre part la composition en éléments en trace qui marque la typologie du gisement, par exemple de la teneur en zirconium dans les oxy-hydroxydes de fer provenant du gisement du Niger, source d’origine volcanique. Cette typicité de la mobilité du zirconium est particulièrement bien exprimée dans les fronts uranifères d’Ebba par la précipitation de cristaux authigènes de zircon contemporains de la pechblende. Les données minéralogiques et géochimiques obtenues dans ce travail sur le gisement de Zoovch Ovoo permettent de proposer un modèle original pour sa formation : l’uranium n’a pas précipité massivement en amont du front puisqu’il n’y a pas d’auréole d’irradiation observable en cathodoluminescence dans les minéraux détritiques dans la zone oxydée. L’uranium a précipité lorsque l’eau oxydante a rencontré un faciès sédimentaire ayant un pouvoir réducteur assez fort pour permettre la réduction de l’uranium. La précipitation a lieu dans un endroit particulier de la formation : un paléo-lac où la matière organique et la pyrite sont abondantes. / This work presents a multi-scale and a multi-technical study for the characterization of iron oxi-hydroxides in three uranium-type deposits and host rock. The choice of sites has focused on a roll front deposit: Zoovch Ovoo in a Cretaceous basin of East Gobi (Mongolia); a tectonic-lithological type: Akola/Ebba in Tim Mersoï basin (Niger) and a Proterozoic unconformity type: Kiggavik in Thelon basin (Canada). A new approach has been implemented to characterize the iron oxi-hydroxides on macroscopic samples: field infrared spectroscopy using the ASD TerraSpec® spectrometer. From the original indexes calculated on the spectra, it was possible both to characterize the iron oxi-hydroxides; only hematite and goethite were identified in the different parts of oxidized uranium fronts, and visualize the alteration zonation along the redox front. In addition, the visible part of spectrum was used to quantify the color of samples through the IHS system parameters (Intensity – Hue – Saturation) and the Munsell system. The color setting of the study identified a specific hue for mineralized samples studied: a mixture of yellow and red (2.5 to 10YR in Munsell notation). At the crystals scale, the iron-hydroxides were characterized by µ-Raman spectroscopy. The study highlighted a difference in crystallinity of hematite crystals in different fields. From a morphological point of view, the crystals of goethite in the Zoovch Ovoo deposit, is only authigenic iron oxi-hydroxides described in this uranium front, are twinned in the form of six-pointed star, reflecting a low crystallization temperature, compared to Niger and Kiggavik deposits. This crystallization is mainly controlled by the availability of Feᴵᴵᴵ ions in the fluid, released by pyrite dissolution in an oxidizing environment and pH. From a chemical point of view, iron oxi-hydroxides record the fluid passage owing their uranium content. Secondly, the composition in trace elements marks the type of deposit, for example zirconium content in oxi-hydroxides from Niger deposit, volcanic source. This typical mobility of zirconium is particularly expressed in the uranium front in Ebba deposit by the precipitation of authigenic crystals of zircon contemporary of pitchblende. The mineralogical and geochemical data obtained in this work on the Zoovch Ovoo deposit (Mongolia) allow us to propose an original model for its formation: uranium did not precipitate massively in upstream edge of front, because not radiation halo is visible in cathodoluminescence in detrital minerals in the oxidized area. Uranium precipitated when the oxidizing water met with sedimentary facies having a fairly strong reducing power to allow uranium reduction. The precipitation occurs in a particular location of the formation: paleo-lake where organic matter and pyrite are abundant.

Les neutrons sont étudiés dans des domaines divers en tant, par exemple, que particules d’intérêt pour la physique fondamentale, outil pour la biologie ou l'analyse élémentaire, ou encore danger pour l'Homme en radioprotection. La mesure de l'énergie des neutrons est indispensable pour l'ensemble de ces domaines, mais les caractéristiques des spectromètres peuvent varier grandement d'une application à l'autre. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un télescope à protons de recul doté de capteurs à pixels CMOS ultra-rapides. Ce détecteur compact permet une reconstruction en temps-réel du spectre neutron jusqu'à de très hauts flux. Les applications développées au cours de ce thèse sont la mesure de précision auprès de l'accélérateur AMANDE entre 4 et 20 MeV, dans le cadre d’une collaboration avec l’IRSN-Cadarache, et la caractérisation des neutrons secondaires produits en salle de traitement de protonthérapie. / Neutrons are studied in various domains as, for example, particles of interest in fundamental physics, tool in biology and elemental analysis, or danger for human in radioprotection. The measurement of the neutron energy is necessary in all these domains, but the characteristics of the spectrometers can vary greatly from an application to another. In the field of this thesis, we conceived a recoil proton telescope using ultra-fast CMOS pixels sensors. This compact detector allows a real-time reconstruction of the neutron spectrum up to very high flux. The applications developed during this thesis are precision measurement at the AMANDE accelerator between 4 and 20 MeV, as part of a collaboration with IRSN-Cadarache, and the characterization of secondary neutrons produced in protontherapy treatment rooms.

Nous nous sommes intéressés à la compréhension des mécanismes régissant la symbiose Rhizobium-Acacia dans les conditions de stress salin. Les lipopolysaccharides jouent un rôle important dans les étapes de cette symbiose. Le but était de mettre en évidence les modifications pariétales de la bactérie en réponse au stress salin par l’étude de la structure des lipopolysaccharides des souches isolées du désert marocain tolérant NaCl 7%. Ainsi, une nouvelle méthode d’hydrolyse des lipopolysaccharides sensible, non destructive et compatible avec la spectrométrie de masse a été développée. En présence de stress salin, nous avons montré que la membrane externe devenait plus hydrophobe en augmentant l’acylation de la région lipidique ainsi qu’en réduisant la présence des molécules de LPSs à longues chaînes de sucres.Des essais d’évaluation de l’efficience et de l’infectivité des Rhizobia étudiés ont été mis en œuvre pour déterminer l’impact de ces modifications des LPSs sur la symbiose sous stress salin. / We were interested in the understanding of the mechanisms governing Rhizobium-Acacia symbiosis in salt stress conditions. Lipopolysaccharides play an important role in the stages of this symbiosis. The aim of this work was to highlight the changes occurring in the bacterial membrane in response to salt stress by studying the structure of the lipopolysaccharides isolated from Moroccan desert strains tolerating 7% NaCl. Thus, a new method of hydrolysis of the lipopolysaccharide - sensitive, non-destructive and compatible with mass spectrometry- was developed. We studied the LPSs strains grown with or without salt stress and we showed that in salt stress conditions, the outer membrane becomes more hydrophobic by increasing acylation of the lipid region and reducing the number of long sugar chains in LPSs. Tests for evaluating the efficiency and infectivity of the studied rhizobia were carried out to determine the impact of these LPS modifications on symbiosis under salt stress.

De nouvelles méthodes de détection et de quantification du VX (O-éthyl S–(2(diisopropylamino)éthyl) (méthylphosphonothioate)) dans le plasma par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse en tandem (LC-MS/MS) ont été développées. Après avoir été mise en œuvre en milieu HBSS (rendement > 99%), la méthode d'extraction liquide-liquide de notre composé d'intérêt nous permet d'obtenir en milieu plasmatique un rendement de soixante-cinq pour cent (65%). Cette méthode d'extraction permet d'évaluer la présence de VX dans de très faibles volumes d'échantillons de plasma (entre 20 et 1000 µL), donc dans des volumes compatibles avec des expérimentations sur de petits rongeurs. Cette extraction est suivie d'une analyse par LC-MS/MS en phase 100% organique. Des limites de détection de 0,15 et 0,5 pg/mL (pour 5 µL injecté) sont obtenues respectivement avec l'utilisation de la colonne Allure Biphényl (Restek) et Lux Cellulose-1 (Phenomenex). Afin d'étudier la toxicocinétique des énantiomères du VX dans le plasma, nos recherches se sont ensuite focalisées sur la séparation de ces derniers. Des résultats prometteurs ont été obtenus en utilisant une colonne Lux cellulose-2 (Phenomenex). / Innovative analytical methods have been developed to detect and quantify the organophosphorus nerve agent, VX (O-ethyl S–(2(diisopropylamino)ethyl) (methylphosphonothioate)), in plasma using liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS/MS) technique. Liquid-liquid extraction of VX from HBSS environment was achieved with excellent yields (> 99%). Next, extraction from plasma was performed and generated a recovery rate of approximately sixty-five percent (65%). Our distinctive extraction methodology was implemented to evaluate the presence of VX in very small quantities of plasma (between 20 to 1000 µL) as in small rodents' experiments. It was followed by an LC-MS/MS analysis in a 100% organic phase. A Lux Cellulose-1 column (Phenomenex) and an Allure biphenyl column (Restek) were tested with detection limit at 0.15 pg/mL and 0.5 pg/mL in plasma (5 µL injected), respectively. Finally, our study was focused on the separation of VX enantiomers and hopeful results were provided using a Lux cellulose-2 column (Phenomenex).

Ce travail de thèse s’est focalisé sur le développement des approches génériques de spectrométrie de masse (MS) pour la quantification des anticorps monoclonaux (mAbs) et de leurs produits dérivés dans des études précliniques. Premièrement, le développement des protocoles de préparation d’échantillons basée sur la digestion directe à partir de sérum ou comportant une étape d’immuno-précipitation spécifique par anticorps a permis la quantification des mAbs couvrant une large gamme d'étalonnage de cinq ordres de grandeur. En outre, l'emploi de peptides provenant de la région constante du mAb a démontré la polyvalence de telles approches génériques de chromatographie liquide en tandem MS (LC-MS/MS). Deuxièmement, les instruments de MS à haute résolution (HRMS) ont étés évalués dans le cadre de cette thèse en tant qu'alternative aux spectromètres de masse de type triple quadripôle traditionnellement utilisés pour l’analyse bottom-up quantitative. L’avantage majeur de l’intégration des analyseurs de HRMS a été associé à la possibilité de l’analyse quantitative simultanée des mAbs et leurs produits associés directement au niveau de la protéine fournissant un niveau d'informations bien au-delà de celui obtenu avec des approches bottom-up. Par conséquent, l’apport essential de la HRMS pour les analyses qualitative et quantitative des protéines thérapeutiques de type mAbs et produits associés a été démontré dans cette thèse. / This PhD thesis focused on the development of generic mass spectrometry (MS)-based workflows for monoclonal antibody (mAb)-related therapeutic protein quantification in pre-clinical species. First, the development of bottom-up sample preparation protocols either based on direct serum digestion or immuno-capture allowed mAb-related therapeutic protein quantification over five orders of magnitude whereas the employment of peptides from the constant region of the mAb demonstrated the versatility of such generic liquid chromatography tandem MS (LC-MS/MS)-based approaches. Second, high-resolution MS (HRMS) instruments were evaluated as an alternative to triple quadrupole mass analyzers, traditionally utilized for bottom-up mAb quantification by LC-MS/MS. The major benefit of HRMS incorporation into the workflow was associated with the possibility to quantify simultaneously mAb-related therapeutic proteins directly at an intact level, providing an information level far beyond the one obtained with bottom-up LC-MS/MS methodologies. Hence, the pivotal role of HRMS for the qualitative and quantitative analyses of mAb-related therapeutic proteins was further outlined throughout this doctoral work.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le CEA et ORANO Mining, visant à améliorer la sensibilité et la précision des mesures radiométriques de l’uranium dans le cadre de l’exploration et de l’exploitation minières, notamment pour les échantillons de minerai. Dans un premier temps, les méthodes de mesure nucléaire pour la prospection de l’uranium actuellement utilisées sont présentées ainsi que leurs enjeux, avant d’exposer le développement des nouvelles méthodes de spectrométrie gamma qui font l’objet de ces travaux de thèse. Elles exploitent notamment le phénomène d’auto-fluorescence X de l’uranium, dont le signal n’est actuellement pas utilisé, pour réduire les temps de mesure et en améliorer la précision. L'auto-fluorescence X, est provoquée par les rayonnements gamma d'isotopes radioactifs présents dans le minerai, comme le 214Pb et 214Bi, créant par diffusion Compton un important continuum au-delà de la discontinuité d'absorption K de l'uranium à 115.6 keV. Il en résulte l'émission de raies X-K de fluorescence de l'uranium, autour de 100 keV, représentatives de la teneur en uranium sur une profondeur de plusieurs centimètres, ce qui est particulièrement intéressant pour la mesure des échantillons ou carottes de minerai. L'intensité de l'auto-fluorescence dépend de l'activité des isotopes radioactifs présents dans le minerai, qui peut être quantifiée par spectrométrie gamma classique via leurs raies caractéristiques, ainsi que de la densité et de la minéralogie du minerai. En plus de la teneur en uranium, il est possible de détecter une hétérogénéité, par exemple une pépite d’uranium, en comparant les teneurs déduites de la raie d’émission passive du 234Th à 92 keV et de la raie XKα1 de fluorescence de l’uranium à 98 keV. Ces premières approches par spectrométrie gamma haute résolution avec un détecteur au germanium hyper pur ont fait l’objet d’une mise au point par simulation numérique avec le code MCNP et d’une qualification expérimentale avec des spectres gamma acquis par ORANO, puis au Laboratoire de Mesures Nucléaires du CEA Cadarache avec des échantillons de minerai réels. La méthode a aussi fait l’objet d’un dépôt de demande de brevet. La thèse étudie ensuite la possibilité de caractériser la teneur en uranium et de détecter des déséquilibres potentiels avec ses descendants, comme les isotopes 214Pb et 214Bi qui sont les principaux contributeurs au signal total, par spectrométrie gamma basse résolution avec un scintillateur NaI(Tl). Une approche par analyse de zones d'énergie du spectre gamma est développée par simulation et qualifiée en laboratoire, qui a fait aussi l’objet d’une demande de brevet. Ces nouvelles approches ont débouché sur le lancement par ORANO Mining de l’industrialisation d’un nouveau dispositif de mesure d’échantillons, ainsi que d’une nouvelle sonde gamma pour les puits de forage. / This PhD thesis in the frame of CEA - ORANO Mining collaboration aimed at improving the sensitivity and precision of radiometric uranium measurements for mining exploration and exploitation, particularly for ore samples characterisation. Before explaining the development of new gamma spectrometry methods, a survey of nuclear measurement methods currently used in this field are presented as well as their limitations. The new proposed methods exploit uranium X-ray fluorescence in order to reduce measurement time and improve accuracy. Gamma radiation from radioactive isotopes of the natural uranium decay chain, such as 214Pb and 214Bi, create a large Compton scattering continuum beyond the K-absorption discontinuity at 115.6 keV, leading to X-ray fluorescence. Uranium fluorescence K lines, in the 100 keV region, are representative of the uranium concentration up to a depth of a few centimetres, which is particularly interesting for small samples and drill cores. The intensity of self-fluorescence depends on the activity of the radioactive isotopes present in the ore, which can be directly quantified by gamma spectrometry from their characteristic lines, and on the density and mineralogy of the ore. In addition to uranium content, it is possible to detect a heterogeneity, for instance a uranium nugget, by comparing the 234Th passive emission line at 92 keV and the uranium XKα1 fluorescence line at 98 keV. This high-resolution gamma spectrometry approach using a hyper-pure germanium detector has been developed by MCNP numerical simulation, and then experimentally qualified using existing gamma spectra acquired by ORANO as well as new ore sample measurements at CEA Cadarache Nuclear Measurement Laboratory. Beyond this patent pending method, the PhD thesis studies the characterization of uranium content and potential imbalances between uranium and its radioactive daughters, such as the main signal contributors 214Pb and 214Bi, by low-resolution gamma spectrometry with a NaI(Tl) scintillator. An approach based on the analysis of energy areas of the gamma spectrum has been developed by numerical simulation and experimentally qualified in the Nuclear Measurement Laboratory. This new method is also patent pending and the outcome of this PhD work is the ongoing industrialization, by ORANO Mining, of an in situ measurement system for samples, and of a new borehole gamma probe.

Le cancer de la vessie représente le 4ième cancer de l'homme en Europe. Dans la majorité des cas, les primo-tumeurs sont traitées facilement par résection mais dans 60% des cas, il y a récidives sous formes plus agressives. Il est donc nécessaire de détecter au plus tôt ces récidives. A ce jour, l'examen de référence pour le diagnostic d'un cancer de la vessie est la cystoscopie. Cet examen permet d'examiner l'intérieur de la vessie à l'aide d'un système optique introduit via l'urètre. Cette méthode est spécifique et sensible mais inconfortable et invasive pour le patient. Il est donc important de trouver de nouvelles méthodes de diagnostic de tumeurs de la vessie et, de surveillance aussi sensibles et spécifiques pour réduire l'inconfort chez le patient et par la même occasion, le coût associés à la cystoscopie. La recherche de biomarqueurs protéiques dans l'urine représente une alternative majeure pour le diagnostic, le pronostic et le suivi thérapeutique de patients atteints de pathologies uro-génitales. Dans le cas présent du cancer de la vessie, la vessie joue le rôle de réservoir de cellules relarguées par la tumeur, ce qui fait de l'urine, fluide dit "proximal", le fluide idéal pour la recherche de biomarqueurs protéiques. Ces dernières années, la recherche de biomarqueurs protéiques a bénéficié de progrès spectaculaires dans le domaine de la spectrométrie de masse et de la biochimie, permettant d'accéder à une large variété de protéines sur une large gamme dynamique de concentration. De plus, l'apparition de nouvelles approches de protéomique quantitatives, telle que la stratégie "Accurate Mass and Time (AMT) tags" couplée à la quantification « label free », permet la comparaison de protéomes d'états physiologiques distincts par mesures d'abondances des protéines. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons ainsi développé un protocole expérimental couvrant l'ensemble du processus de découverte de nouveaux biomarqueurs associés au cancer de la vessie dans l'urine, i.e., de la collecte et préparation des échantillons d'urine à l'évaluation de méthodes de fractionnement pour la caractérisation la plus exhaustive possible du protéome urinaire, en utilisant des méthodes de protéomiques quantitatives et des méthodes de statistiques dédiées. Ce travail nous a permis de constituer une base de données contenant 2014 protéines urinaires. Des variations d'abondances ont été mesurées pour plus de la moitié d'entre elles, au travers d'une cohorte de 98 patients constituée de patients atteints de cancers de la vessie et de patients contrôles. Une liste finale composée de 97 candidats biomarqueurs du cancer de la vessie a été établit. Cette liste contient un grand nombre de protéines exosomales potentiellement sécrétées de façon spécifique par la tumeur. / Bladder cancer is the 4th type of cancer causing man death in Europe. In most cases, primary tumors can be easily removed by resection but in 60% of the cases, the tumors regrowth in more aggressive forms. Therefore, it is essential to detect early recurrence of bladder cancer. To date, the gold standard for the diagnosis of bladder cancer is cystoscopy. It allows the examination of the inside of the bladder using an optical system which is inserted in the urethra. This method is sensitive and specific but extremely uncomfortable and invasive for the patient. Therefore, it is crucial to find new diagnosis and monitoring methods for bladder tumour more comfortable for the patient, in a cost efficient way. The search for clinically useful protein biomarkers in the urine is a major alternative for the diagnosis, the prognostic and the therapeutic treatment of patients with urea-genital pathologies. In the specific case of the bladder cancer, the bladder contains the cells left by the tumour, and subsequently urine becomes the ideal fluid for biomarker investigation as a “proximal fluid”. In the last few years, the search for protein biomarkers has benefited of significant progress in the field of mass spectrometry and bio-chemistry, allowing the detection of a wide variety of proteins in a large dynamic range of concentrations. In addition, new approaches of quantitative proteomic, such as the “Accurate Mass and Time (AMT) tags” approach, coupled with the “label free” quantification, allows the comparison of proteomes from distinct physiological state by measuring protein abundances. During this thesis, we developed an experimental protocol covering the whole process of discovering new biomarkers associated to bladder cancer in urines, i.e., from the collection and preparation of urine samples, to the evaluation of the best fractioning method to define the urinary proteome using quantitative approaches and dedicated statistical methodologies. This work enables the population of a database containing 2014 urinary proteins. Abundance variations were measured for more than the half through a cohort of 98 healthy and bladder cancer patients. A final list of 97 biomarker candidates has been established. This list holds a significant number of exosomal proteins that are potentially secreted by the tumour.