La spectrométrie est utilisée pour étudier la composition chimique de la matière. Elle aide les chercheurs à étudier et comprendre tout ce qui nous entoure. Plusieurs technologies de spectrométrie sont offertes sur le marché, mais elles ne permettent d’effectuer des mesures que sur un échantillon à la fois. Si un chercheur souhaite comparer l’évolution de plusieurs échantillons sur un temps donné dans un environnement précis, aucune technologie offerte présentement sur le marché ne le permet. L’accessoire développé dans le cadre de ce projet de maîtrise a comme objectif d’ajouter un paramètre dimensionnel à la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Une fente déplacée linéairement sous un cristal à réflectance totale atténuée (ATR) permet de sélectionner précisément la région de l’échantillon à mesurer. L’accessoire complètement automatisé offre une solution compacte, rapide et abordable pour faire des mesures complexes en spectrométrie. Le prototype de l’accessoire a été développé durant ce projet de maîtrise. Ses performances, notamment en ce qui concerne la précision du positionnement de la fente, sont analysées et optimisées. Une simulation du parcours de la lumière dans le cristal ATR permet de reproduire et de comprendre les premières mesures effectuées avec l’accessoire. Elle permet également de définir la précision requise pour soutirer les performances optimales du cristal ATR utilisé. Des recommandations découlant de l’analyse des premières mesures et de la simulation seront prises en compte pour l’optimisation future de l’accessoire. / Spectrometry is used to study the chemical composition of matter. It helps researchers study and understand everything around us. Several spectrometry technologies are available on the market, but they only allow measurements to be taken on one sample at a time. If a researcher wishes to compare the evolution of several samples over a given time in a specific environment, no technology currently available on the market allows it.The accessory developed as part of this master’s project aims to add a dimensional parameter to Fourier transform infrared spectrometry (FTIR). A linearly displaced rectangular aperture placed under an attenuated total reflectance (ATR) crystal allows precise selection of the region of the sample to be measured. The fully automated accessory offers a compact, fast and affordable solution for making complex spectrometry measurements. The accessory prototype was developed during this master’s project. Its performances, in particular regarding the precision of the positioning of the aperture, is analyzed and optimized. A simulation of the path of light in theATR crystal makes it possible to reproduce and understand the first measurements made with the accessory. Italso makes it possible to define the precision required to extract optimum use of the ATR crystal used. Recommendations from the analysis of the first measurements and the simulation will be taken into account forfuture optimization of the accessory

L'ionisation assistée par laser (LEI) et la fluorescence atomique induite par laser (LEAFS) sont deux techniques analytiques reconnues pour leur sensibilité élevée. Elles sont donc indiquées pour la détermination de métaux à l'état de trace dans des microéchantillons biologiques et environnementaux. Lors d'une précédente étude sur l'analyse du plomb dans le sang bovin par LEI dans notre laboratoire, un fond spectral avait été observé. La première partie des travaux présentés dans cette thèse vise à identifier ce fond spectral. Nous avons montré qu'il apparaît seulement en présence d'éléments facilement ionisables (EIEs) (Na, K et Li) mais ne correspond à la signature atomique d'aucun EIEs. Ce fond spectral provient d'un transfert d'énergie entre les molécules OH natives à la flamme et excitées par le laser, et les atomes des EIEs. Ce transfert d'énergie provoque l'excitation des EIEs qui sont ensuite collisionnellement ionisés et détectés par LEI. L'influence des conditions expérimentales sur ce signal a été étudiée. Il en ressort qu'une optimisation rigoureuse des paramètres expérimentaux est nécessaire pour minimiser cette interférence. La deuxième partie de ces travaux traite de la détermination de l'or dans les aérosols atmosphériques par LEAFS couplé à la fournaise au graphite (GF-LEAFS). En particulier, nous voulions tirer profit des longueurs d'onde de fluorescence de l'or dans l'UV sous vide (VUV) où l'émission du corps noir de la fournaise diminue, et ainsi améliorer la sensibilité de la technique. Nous avons développé le système expérimental du GF-LEAFS pour le VUV. Nous avons observé la fluorescence de l'or de 202 à 164 nm et constaté que la sensibilité baisse à mesure que la longueur d'onde de fluorescence diminue. La réflectivité non documentée du miroir de collecte et les contraintes physiques du montage expérimental expliquent en partie ces résultats. Ainsi, nous n'avons pu vérifier si la sensibilité du GF-LEAFS bénéficiait de la plus faible émission du corps noir de la fournaise dans le VUV. Néanmoins, nos limites de détection pour l'or dans le VUV sont meilleures que celles rapportées en ICP-AES. Nous avons ensuite appliqué le GF-LEAFS dans l'UV et le VUV à l'analyse de l'or dans des échantillons d'aérosols fortifiés. / This thesis describes the experimental work leading to the analysis of trace metals in biological and environmental microsamples by means of two laser techniques known for their excellent sensitivity : laser-enhanced ionization (LEI) and laser excited atomic fluorescence spectrometry (LEAFS). A spectral background was observed in a previous study when determining lead in bovine blood by LEI, the origin of which is investigated in the first part of this document. This structured spectral background only appears in the presence of aqueous solutions containing high concentrations of the easily ionized elements (EIEs) Na, K and Li. However the observed feature does not match the atomic spectral signature of either EIEs. It was established that this background originates from an energy transfer between laser-excited hydroxyl (OH) molecules and ground-state EIEs. This energy transfer leads to the excitation of EIEs atoms prior to their collisional ionization in the flame and their detection by LEI. The effects on signal intensity of experimental parameters were studied. The results show that careful optimization of experimental parameters is mandatory to minimize this background. In the second part of this document, LEAFS coupled to graphite furnace (GFLEAFS) was used to determine gold in atmospheric aerosol in the vacuum UV (VUV). Blackbody emission by the graphite furnace is known to limit the sensitivity of GFLEAFS in the visible. However, blackbody emission decreases with wavelength, which suggests that the signal to noise ratio (S/N) would benefit from selecting fluorescence lines in the UV and in the VUV. A VUV System for GF-LEAFS was built. Gold atomic fluorescence lines from 202 to 164 nm were observed. Because these lines were found to be less sensitive than those at longer wavelength, we could not conclude on the benefits of working in the VUV in terms of S/N. Criticality of the optical alignment as well as suboptimal optical components could account in part for the unsatisfactory detection limits obtained. Nevertheless, our detection limits for gold in the VUV are better than those reported by ICP-AES. Finally, the determination of gold in spiked atmospheric aerosol samples by GF-LEAFS in the UV and VUV was performed successfully.

La microscopie optique permet de visualiser des échantillons biologiques avec une bonne sensibilité et une résolution spatiale élevée tout en interférant peu avec les échantillons. La microscopie par diffusion Raman cohérente (CARS) est une technique de microscopie non linéaire basée sur l’effet Raman qui a comme avantage de fournir un mécanisme de contraste endogène sensible aux vibrations moléculaires. La microscopie CARS est maintenant une modalité d’imagerie reconnue, en particulier pour les expériences in vivo, car elle élimine la nécessité d’utiliser des agents de contraste exogènes, et donc les problèmes liés à leur distribution, spécificité et caractère invasif. Cependant, il existe encore plusieurs obstacles à l’adoption à grande échelle de la microscopie CARS en biologie et en médecine : le coût et la complexité des systèmes actuels, les difficultés d’utilisation et d’entretient, la rigidité du mécanisme de contraste, la vitesse de syntonisation limitée et le faible nombre de méthodes d’analyse d’image adaptées. Cette thèse de doctorat vise à aller au-delà de certaines des limites actuelles de l’imagerie CARS dans l’espoir que cela encourage son adoption par un public plus large. Tout d’abord, nous avons introduit un nouveau système d’imagerie spectrale CARS ayant une vitesse de syntonisation de longueur d’onde beaucoup plus rapide que les autres techniques similaires. Ce système est basé sur un laser à fibre picoseconde synchronisé qui est à la fois robuste et portable. Il peut accéder à des lignes de vibration Raman sur une plage importante (2700–2950 cm-1) à des taux allant jusqu’à 10 000 points spectrales par seconde. Il est parfaitement adapté pour l’acquisition d’images spectrales dans les tissus épais. En second lieu, nous avons proposé une nouvelle méthode d’analyse d’images pour l’évaluation de la structure de la myéline dans des images de sections longitudinales de moelle épinière. Nous avons introduit un indicateur quantitatif sensible à l’organisation de la myéline et démontré comment il pourrait être utilisé pour étudier certaines pathologies. Enfin, nous avons développé une méthode automatisé pour la segmentation d’axones myélinisés dans des images CARS de coupes transversales de tissu nerveux. Cette méthode a été utilisée pour extraire des informations morphologique des fibres nerveuses dans des images CARS de grande échelle. / Optical-based microscopy techniques can sample biological specimens using many contrast mechanisms providing good sensitivity and high spatial resolution while minimally interfering with the samples. Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is a nonlinear microscopy technique based on the Raman effect. It shares common characteristics of other optical microscopy modalities with the added benefit of providing an endogenous contrast mechanism sensitive to molecular vibrations. CARS is now recognized as a great imaging modality, especially for in vivo experiments since it eliminates the need for exogenous contrast agents, and hence problems related to the delivery, specificity, and invasiveness of those markers. However, there are still several obstacles preventing the wide-scale adoption of CARS in biology and medicine: cost and complexity of current systems as well as difficulty to operate and maintain them, lack of flexibility of the contrast mechanism, low tuning speed and finally, poor accessibility to adapted image analysis methods. This doctoral thesis strives to move beyond some of the current limitations of CARS imaging in the hope that it might encourage a wider adoption of CARS as a microscopy technique. First, we introduced a new CARS spectral imaging system with vibrational tuning speed many orders of magnitude faster than other narrowband techniques. The system presented in this original contribution is based on a synchronized picosecond fibre laser that is both robust and portable. It can access Raman lines over a significant portion of the highwavenumber region (2700–2950 cm-1) at rates of up to 10,000 spectral points per second and is perfectly suitable for the acquisition of CARS spectral images in thick tissue. Secondly, we proposed a new image analysis method for the assessment of myelin health in images of longitudinal sections of spinal cord. We introduced a metric sensitive to the organization/disorganization of the myelin structure and showed how it could be used to study pathologies such as multiple sclerosis. Finally, we have developped a fully automated segmentation method specifically designed for CARS images of transverse cross sections of nerve tissue.We used our method to extract nerve fibre morphology information from large scale CARS images.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Une sous-catégorie importante des nanomatériaux est l’utilisation de nanoparticules (NPs) métalliques dans le design de biosondes optiques en spectroscopie Raman ou de fluorescence, application permise par le plasmon généré lors de l’interaction lumière-NPs. La plage spectrale utile permise peut être modulée selon la composition, la taille et le milieu environnant du cœur métallique. Ainsi, l’or et l’argent sont des métaux couramment employés dans ce domaine en raison de la simplicité de leur synthèse et de leur applicabilité dans le visible. Cependant, ces métaux sont inutiles pour effectuer des mesures de fluorescence intrinsèque de protéines dans l’UV, un type de mesure qui serait d’intérêt en sciences biomédicales mais qui est limité par le faible signal de fluorescences des biomolécules. Nous proposons de pallier à ce problème à l’aide de sondes plasmoniques d’indium, démontrées comme étant actives dans l’UV. Ce mémoire porte donc sur la préparation de structures cœur-coquilles en vue d’une utilisation future en biodétection. Les cœurs d’indium sont préparés à l’aide d’une méthode simple qui combine les caractéristiques d’une synthèse polyol et d’une synthèse par injection à chaud. Par de simples modifications synthétiques, des cœurs d’environ 9 et 70 nanomètres (nm) de taille peuvent être obtenues. Les cœurs plus gros, qui devraient permettre un meilleur effet d’exaltation de la fluorescence sont ensuite recouverte d’une écaille de silice via une simple réaction Stöber. Le contrôle des conditions, notamment la concentration en eau, la quantité de précurseur de silice et le niveau de dilution, permet de moduler l’épaisseur de la coquille de silice entre 4 et 40 nm. Une si petite coquille sur de tels cœurs d’indium demeure, au meilleur de notre connaissance, inédit. Les colloïdes obtenus sont caractérisés par spectroscopie UV-Vis, par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière. / A notable application of nanomaterials is the use of metallic nanoparticles (NPs) as optical bioprobes in Raman or fluorescence spectroscopy detection schemes. Such a use is permitted by the plasmonic properties shown by these NPs upon light irradiation; the spectroscopic properties of these colloids are tuned through careful selection of the core’s composition, size and environment. Gold and silver are the two most commonly used metals for biodetection as they are easily prepared in nanoscopic regimes with defined shapes and sizes, as well as for their intense optical interactions with visible light. These metals are however not applicable at higher energy UV regimes, which would allow, for instance, the enhancement of the intrinsic fluorescence of proteins, a field of interest in biodetection which is hindered by the extremely low fluorescence signal of these biomolecules. We propose for such an application the use of indium-based plasmonic probes, as this metal has been shown to be active in the UV regime. This master’s thesis thus focuses on the preparation of core-shell colloids for an eventual use in biodetection. The indium cores are prepared in a single step which combines both polyol and hot-injection methods characteristics. By shuffling various synthetic parameters, indium cores approximately 9 and 70 nanometers (nm) wide are obtained. The larger cores, which should demonstrate a stronger fluorescence enhancement effect, are then covered with a silica shell through a single Stöber-like step. Again, controlling different synthetic parameters such was water content, silica precursor concentration, and Stöber system dilution allows to modulate the silica’s thickness between 4 and 40 nm. Such a thin silica shell on such a relatively small indium core is, at the best of our knowledge, still unprecedented. The synthesized core-shell colloids are characterized with UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy and dynamic light scattering.

Les découpeurs d'images sont devenus des équipements essentiels dans le domaine de l'astronomie, particulièrement pour la spectroscopie intégrale de champ. La conception et l'usinage des découpeurs d'images, principalement du miroir découpeur qui en est la pièce centrale, est complexe et présente de nombreux défis techniques. Suivant sa fabrication, la caractérisation des découpeurs d'images est donc capitale afin de s'assurer que le dispositif rencontre les spécifications établies. Dans le cadre du développement de GIRMOS¹ (un spectrographe infrarouge multi-objets destiné aux télescopes jumeaux de 8,1 m de l'Observatoire Gemini), qui emploie la technologie des découpeurs d'images, il devient ainsi primordial de mettre en place une procédure pour en assurer la caractérisation. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de maîtrise est d'élaborer une méthodologie permettant de caractériser et de valider des découpeurs d'images. Les travaux présentés dans ce mémoire détaillent les concepts entourant les découpeurs d'images avancés et mettent de l'avant l'ensemble des tests nécessaire à la caractérisation du miroir découpeur. De plus, le développement d'un outil de caractérisation pour les pupilles intermédiaires, soit un banc de tests, y est décrit. Afin de valider la méthodologie établie, la série de tests métrologiques est menée sur un prototype de miroir découpeur. En comparant les résultats expérimentaux avec les résultats des simulations et la théorie, il a été possible de conclure que la méthodologie établie permet de caractériser partiellement le découpeur d'images. En effet, des améliorations restent à faire sur le banc de tests afin d'augmenter la précision de ce dernier. De surcroît, certains tests identifiés dans la méthodologie n'ont pu être mis en œuvre notamment dû au fait que les miroirs pupille et les miroirs fente n'avaient pas encore été fabriqués. Ces tests n'ayant pu être menés, il n'est pas possible de conclure que la méthodologie permet de valider le découpeur d'images menant à une l'atteinte partielle de l'objectif. / Image slicers have become essential equipment in the field of astronomy, particularly for Integral Field Spectroscopy. The design and manufacture of an image slicer, mainly the slicer mirror, which is the central part, is complex and presents many technical challenges. Following its fabrication, the characterization of an image slicer is therefore essential to ensure that the device meets the established specifications. As part of the development of GIRMOS² (a multi-object infrared spectrograph for twin 8.1 m telescopes of the Gemini Observatory), which uses image slicer technology, it becomes essential to set up a procedure to ensure its characterization. In this context, the objective of this master's project is to develop a methodology to characterize and validate image slicers. The work presented in this master's thesis details the concepts surrounding advanced image slicers and highlights all the tests necessary for the characterization of slicer mirrors. In addition, the development of a characterization tool for intermediate pupils, namely a test bench, is described therein. To validate the established methodology, a series of metrological tests are carried out on a slicer mirror prototype. By comparing the experimental results with the results of the simulations and the theory, it was possible to conclude that the established methodology allows to partially characterize the image slicer. Indeed, improvements remain to be made on the test bench to increase the accuracy of the latter. In addition, certain tests identified in the methodology could not be implemented, in particular since the pupil mirrors and the slit mirrors had not yet been manufactured. As these tests could not be carried out, it is impossible to conclude that the methodology allows to validate the image slicer leading to a partial achievement of the objective.

Depuis que la haute énantiopureté est nécessaire dans l'industrie pharmaceutique, les études visant à découvrir les mécanismes pour l'hydrogénation énantiosélective de cétones ou céto-esters sur les surfaces, et à rechercher de nouveaux et plus performants catalyseurs asymétriques, sont d'une grande importance. La microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption, la spectroscopie de désorption à température programmée et la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sont des méthodes performantes facilitant la compréhension des mécanismes de réaction. En plus de nous permettre de comprendre les mécanismes réactionnels, les études peuvent fournir des informations sur la dynamique des réactions en catalyse hétérogène ainsi que sur le développement de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de calculer des interactions faibles dans les processus de surface. D’autres parts, les calculs DFT fournissent une aide essentielle à l'interprétation des données de STM et spectroscopie de surface. Dans cette thèse, certains cétones et céto-esters sur la surface de platine sont étudiées par les techniques sophistiquées mentionnées ci-dessus. Mes études démontrent que la combinaison de l'utilisation de la spectroscopie de routine, des nanotechnologies et de nombreux calculs élaborés, est une méthode efficace pour étudier les réactions à la surface car ces techniques explorent les différents aspects de la surface ainsi que s’entraident mutuellement lors de certaines interprétations. / Since high enantiopurity is required in the pharmaceutical industry, studies aimed at discovering the mechanisms for the enantioselective hydrogenation of ketones or keto-esters on surfaces and at successfully seeking out new or better performing asymmetric catalysts are of great significance. Scanning tunneling microscopy (STM), reflection absorption infrared spectroscopy (RAIRS), temperature-programmed desorption spectroscopy (TPD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are powerful methods to facilitate an understanding of the reaction mechanisms. In addition to insight on reaction mechanisms, the studies can contribute information on reaction dynamics in heterogeneous catalysis and on the development of density functional theory (DFT) methods to compute weak interactions in surface processes. In turn, DFT calculations provide critical help in the interpretation of STM and surface spectroscopy data. In this thesis, some ketones and keto-esters on platinum surface are studied by the above mentioned sophisticated techniques. My studies demonstrate that the combination of using routine spectroscopy, nanotechnology, and state of the art calculations is an effective method to study reactions on surface as they explore different aspect of surface, and mutually help each other for some interpretations.

L'identification et la quantification des espèces transmise aux cellules nerveuses lors des échanges moléculaires entre les neurones sous la forme de neurotransmetteurs nous permettent de mieux comprendre certains fonctionnements du cerveau et certaines maladies neurodégénératives. À son tour, cette compréhension nous permettrait à long terme d'améliorer la qualité de vie des patients souffrants de ces maladies. D'un autre côté, la composition des aliments sous la forme de valeurs nutritionnelles nous permet de mieux connaître l'effet de la consommation de ces aliments sur la santé afin d'éviter de graves complications. De plus, la connaissance de cette composition nous permet d'améliorer la qualité de ces produits. Pour extraire la composition et la concentration des neurotransmetteurs dans le cerveau ou les valeurs nutritionnelles des aliments, il faut développer des outils d'analyse chimique et moléculaire très précise et sélective. L'analyse chimique d'un échantillon biologique nécessite deux étapes : (1) l'échantillonnage du liquide biologique et (2) l'étude de la composition de l'échantillon. Cette dernière étape consiste à identifier/quantifier la composition moléculaire des échantillons et à caractériser les propriétés chimiques de ces derniers. Cette étape nécessite donc le développement des instruments et des algorithmes de détection moléculaire avancés qui permettent de déterminer les concentrations physiologiques des neurotransmetteurs et d'autres molécules biologiques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux neurotransmetteurs suivants : dopamine hydrochloride, acide L-ascorbique, acétylcholine chloride, y-aminobutyrique, glycine et acide L-glutamique et aux molécules de sucre, incluant le glucose, le fructose et le saccharose. Le choix de l'instrument à utiliser dépend de plusieurs critères, dont les caractéristiques de l'échantillon (viscosité, volume parmi d'autres). Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous examinons les performances de plusieurs méthodes et instruments de détection, soit l'électrochimie, la spectroscopie d'impédance et la spectroscopie UV/Visible et infrarouge (IR), pour la détection de différents types de molécules dans des échantillons aqueux. Par la suite, nous proposons une nouvelle approche d'analyse des échantillons aqueux basée sur la spectroscopie IR. Nous nous intéressons plus particulièrement au spectromètre microscope-FTIR qui nous permet d'effectuer des analyses spectroscopiques IR et de visualiser la distribution spatiale et moléculaire dans l'échantillon. Cependant, le spectromètre microscope-FTIR, dans sa configuration standard, ne permet pas l'analyse des échantillons aqueux à cause de la forte absorption des rayonnements IR par les molécules d'eau. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un nouveau système microfluidique de contrôle et de manipulation des liquides qui a été intégré au spectromètre microscope-FTIR pour analyser des échantillons aqueux. Le nouveau système proposé consiste en un module de réflexion, une couche hydrophobe et un module microfluidique. Le module de réflexion est maintenu à une température élevée pour l'évaporation rapide du solvant. La couche hydrophobe permet à son tour de confiner l'échantillon en un espace restreint pour avoir une distribution plus uniforme des molécules sur la surface du substrat. Ce nouveau système nous a permis d'identifier et de quantifier différents types de molécules tels que les neurotransmetteurs et les molécules de sucres, dont le glucose, le fructose et le saccharose. La limite de détection que nous avons pu atteindre avec notre système est de 10 µMolaire pour les neurotransmetteurs, de 3 mMolaire pour le glucose et le fructose et de 1 mMolaire pour le saccharose. En plus, nous avons proposé un nouvel algorithme pour une identification automatique des neurotransmetteurs par le microscope FTIR. À travers cet algorithme, nous avons pu identifier, dans des solutions synthétiques (homogènes et hétérogènes), les six neurotransmetteurs suivants : la dopamine hydrochloride, l'acide L-ascorbique, l'acétylcholine chloride, l'y-aminobutyrique, la glycine et l'acide L-glutamique. La précision de la détection du nouvel algorithme est de 75% à 100% pour les six neurotransmetteurs que nous avons étudiés dans 36 échantillons homogènes et 45 échantillons hétérogènes. / The identification and quantification of species transmitted/received by nerve during molecular exchanges between neurons in the form of neurotransmitters allow us to better understand certain brain functions and certain neurodegenerative diseases. This understanding helps us in the long term to improve the quality of life of patients suffering from these diseases. Also, the composition of foods and their nutritional values, allows us to better understand the effect of foods consumption on human health to avoid severe complications and to improve food quality. To extract the composition and concentration of neurotransmitters in the brain and concentration of sugar for example in foods, it is necessary to develop very precise and selective chemical and molecular analysis tools. Indeed, chemical analysis of a biological sample requires two steps: (1) sampling the biological fluid and (2) studying the composition of the sample. The second step consists of identifying / quantifying the molecular composition of the samples and characterizing the its chemical properties. Therefore, this step requires the development of advanced molecular detection instruments and algorithms that make it possible to determine the physiological concentrations of neurotransmitters and other biological molecules. In this study, we were interested in the following neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid and in sugar molecules including glucose, fructose, and sucrose. The selection of the detection methods/instruments depends on several criteria such as the characteristics of the sample (viscosity, volume among others). In the context of this PhD thesis, we are investigating the performance of several detection methods/instruments such as electrochemistry, impedance spectroscopy and UV / Visible and infrared (IR) spectrometry, for the detection of different types of molecules in aqueous samples. Then, we propose a new chemical analysis approach of aqueous samples based on IR spectrometry. We are particularly interested to microscope-FTIR spectrometer which allows us to perform IR spectroscopic analysis and to visualize the spatial molecular distribution in the analyzed sample. However, the microscope-FTIR spectrometer, in its standard configuration, does not allow the analysis of aqueous samples due to the high absorption of IR radiation by water molecules. To address this problem, we proposed a new microfluidic system for liquid control and handling, which has been integrated with the microscope-FTIR spectrometer to analyze aqueous samples. The new proposed system consists of a reflection module, a hydrophobic layer, and a microfluidic system. The reflection module is heated in order to ensure rapid evaporation of the solvent. The hydrophobic layer allows the sample to be confined in a small area to ensure more uniform distribution of molecules on the surface of the substrate. This new system allowed us to identify and quantify different types of molecules such as neurotransmitters and sugar molecules. The reached detection limit with our system is 10 µM for neurotransmitters, 3 mM for glucose and fructose and 1 mM for sucrose. In addition, we proposed a new algorithm for automatic molecular identification by the FTIR microscope spectrometer. Using this algorithm, we were able to identify the following six neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid, in synthetic solutions (homogeneous and heterogeneous). Finally, the detection accuracy of the new algorithm is 75% to 100% for the six neurotransmitters we studied, in 36 homogeneous and 45 heterogeneous samples.

La spectroscopie de fluorescence est une méthode analytique performante utilisée dans plusieurs domaines comme technique d’analyse. Cependant, les molécules fluorescentes organiques présentent quelques désavantages, tels qu’un rendement quantique variable, une photodégradation rapide, le fait qu'elles sont sujettes à l’extinction collisionnelle et que la plupart des molécules sont hydrophobes. Afin de repousser les limites de cette méthode, il est intéressant de pouvoir augmenter les propriétés intrinsèques des fluorophores afin de palier à ces défauts en utilisant, par exemple, l’exaltation plasmonique de la fluorescence par les métaux. À cette fin, un système de nanosondes plasmoniques superluminescentes a été développé dans le laboratoire. Les nanoparticules sont composées d’un cœur d’argent et d’une couche de silice dopée de fluorescéine (Ag@SiO2). La nanoparticule métallique interagit avec la lumière à une certaine fréquence afin de former le plasmon de surface. Cette bande plasmonique est modulée par les caractéristiques des nanoparticules telles que la taille, le métal et la forme. L’exaltation de la fluorescence des nanoparticules se caractérise par une augmentation de la luminosité et une réduction du temps de vie de la fluorescence. La caractérisation de ces phénomènes se fait habituellement en cuvette, ce qui donne une moyenne des caractéristiques optiques des différentes populations présentes en solution. Dans ce projet, une plateforme de microscopie permettant de mesurer, sur une même particule, l’intensité et le temps de vie de fluorescence ainsi que la position de la bande plasmonique a été réalisée. Par la suite, une méthode de localisation des nanoparticules sur un substrat solide a été développée afin de compléter les mesures énumérées plus haut avec des mesures de taille et de forme par microscopie électronique à balayage. Cette plateforme, en permettant à la fois la microscopie en imagerie de fluorescence en temps de vie, l’imagerie en mode champ sombre et l’acquisition de spectres de diffusion, permet d'étudier l’influence de la morphologie de la nanoparticule sur la position de la bande plasmonique, la réduction du temps de vie de fluorescence et l’augmentation de l’intensité lumineuse. / Fluorescence spectroscopy is a powerful analytical method used in many areas. Nevertheless, organic fluorescent molecules show some disadvantages like variable quantum yield and fast photobleaching. Moreover, most of fluorescent dyes are hydrophobic and dynamic quenching can occur. To push the limit of this technique, it is useful to boost properties of fluorescent molecules to overcome those disadvantages. Metal enhanced fluorescence can increase the overall luminescence of fluorophore dyes. Superluminescent plasmonic nanoprobes have been developed in the lab. Those nanoparticles are made of a silver core surrounded by a fluorescent silica shell doped with fluorescein (Ag@SiO2). The metallic nanoparticle interacts strongly with the electromagnetic field of incident light at a certain frequency to create an oscillating electron cloud called a localized surface plasmon. The resonant frequency of the plasmonic band is affected by nanoparticle characteristics like shape, size and composition. Enhanced fluorescence is characterised by an increased luminescence and a shortened lifetime of fluorescence. The characterization of those properties is made in a cuvette and thus reflects the averaged properties of a heterogenous population of particles dispersed in a liquid. In this project, a microscopy platform enabling the acquisition, on the same particle, of the intensity, the fluorescence lifetime and the plasmonic band have been assembled. In addition, a method has been developed to localise nanoparticles on a solid substrate to complement the measurements mentioned above by information on the nanoparticles’ shape and size using scanning electron microscopy. The influence of the nano-objects’ morphology on the plasmonic band, the fluorescence intensity and the lifetime can then be studied. This platform regroups on a single microscope fluorescence lifetime imaging microscopy, dark field imaging and scattering spectroscopy.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse porte sur l’élucidation du mode d’action de peptides synthétiques qui sont des analogues cationiques du peptide modèle 14-mère. À l’instar des peptides antimicrobiens naturels, ces peptides synthétiques induisent des perturbations membranaires et une meilleure connaissance de leur mode d’action s’avère un élément déterminant pour le design de nouveaux peptides synthétiques qui présenteront une activité antibactérienne maximale et une activité hémolytique moindre. Afin de mieux caractériser le rôle de certains déterminants moléculaires sur l’interaction membranaire, nous avons sélectionné deux catégories de peptides, soit des analogues qui ont une structure secondaire en hélice α et qui sont non sélectifs à l’égard des membranes mimétiques de bactérie et des analogues qui forment des feuillets β intermoléculaires et qui sont sélectifs à l’endroit des membranes mimétiques de bactérie. Les études réalisées ont fait intervenir plusieurs techniques spectroscopiques comme la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie RMN des solides et la spectroscopie de fluorescence. Tout d’abord, nous avons vérifié le rôle des interactions électrostatiques sur l’interaction membranaire, et ce, en effectuant une étude comparative entre des analogues cationiques et anioniques. Les résultats obtenus démontrent que les peptides anioniques et cationiques ont un impact similaire sur la dynamique des têtes polaires des phospholipides et l’ordre conformationnel des chaînes acyle. Cependant, les tests de relargage ont démontré que seuls les peptides cationiques formant des feuillets β intermoléculaires sont sélectifs alors que les homologues anioniques qui forment des feuillets β intermoléculaires sont inactifs en présence des membranes mimétiques de bactéries et de cellules eucaryotes. Ensuite, pour mieux comprendre le mode de perturbation membranaire des peptides cationiques qui sont non sélectifs et sélectifs, nous avons effectué des études par spectroscopie RMN des solides sur des échantillons de peptides reconstitués dans des bicouches lipidiques mécaniquement orientées entre des lamelles de verre ainsi que échantillons bicellaires. Les résultats ont démontré que les peptides sélectifs perturbaient davantage l’orientation des phospholipides zwitterioniques en comparaison avec les peptides non sélectifs. De plus, les simulations spectrales réalisées sur les spectres expérimentaux suggèrent que les peptides non sélectifs induisent la formation de pores ayant une géométrie toroïdale. En terminant, nous avons étudié la topologie membranaire et la localisation dans la membrane d’un peptide ayant une conformation en hélice α (R5R10) et d’un peptide formant des feuillets β intermoléculaires (R4R11). Les résultats obtenus par RMN de l’azote-15 indiquent que le peptide R5R10 est localisé au niveau de la surface membranaire avec une certaine hétérogénéité dans l’orientation. Cette conclusion est soutenue par des expériences réalisées par spectroscopie infrarouge en mode ATR. Des mesures de distances à partir de la technique REDOR entre les phospholipides et les peptides ont permis de constater que le peptide en hélice α est localisé à proximité du noyau phosphore alors que le peptide en feuillets β agrégés est localisé plus superficiellement au niveau de la surface membranaire. Cette différence de pénétration dans la région interfaciale pourrait expliquer la différence de sélectivité entre le peptide R5R10 (non sélectif) et R4R11 (sélectif). De plus, les tests de relargage de la calcéine ont démontré que les deux peptides induisent une contrainte de courbure positive à la membrane lipidique. Ainsi, l’alliance des résultats suggèrent que le mode de perturbation membranaire des peptides R5R10 et R4R11 est similaire au mécanisme modèle du type sinking-raft. / This thesis is related to the determination of the mode of action of synthetic peptides that are cationic derivatives of the model 14-mer peptide. Similarly to the natural antimicrobial peptides, these synthetic peptides induce membrane perturbations and a better understanding of their mechanism of action is of primary importance to design new synthetic derivatives displaying higher antimicrobial and lower hemolytic activities. In order to characterize the role of certain molecular determinants on the membrane interactions, we have focused on two categories of peptides, namely peptides adopting an α-helical conformation which are non-selective towards bacterial mimetic membranes and peptides forming intermolecular β-sheet structures which are selective towards bacterial mimetic membranes. The experiments were carried out with several spectroscopic techniques such as infrared spectroscopy, solid-state NMR spectroscopy and fluorescence spectroscopy. First, we have studied the effect of electrostatic interactions on the membrane interactions by doing a comparative study between cationic and anionic analogs. The results show that both the anionic and the cationic derivatives have a similar impact on the dynamics of the phospholipid polar headgroups and on the conformational order of the acyl chains. However, dye-release experiments have shown that only the cationic derivatives forming intermolecular β-sheet structures are selective whereas their homologous β-sheet aggregated anionic peptides are inactive in the presence of both bacterial and eukaryotic mimetic membranes Then, to better understand the mode of membrane perturbation of non-selective and selective peptides, we have performed solid-state NMR experiments on peptides reconstituted in oriented samples of phospholipids. The results have shown that the selective peptides disrupt even more the orientation of zwitterionic phospholipids than the non selective peptides. In addition, the spectral simulations performed on experimental spectra suggest that the non-selective peptides induce the formation of pores having a toroidal geometry. To conclude, we have studied the membrane topology and the location into the membrane of the α-helical peptide R5R10 and the β-sheet aggregated peptide R4R11. The results obtained using ¹⁵N NMR indicate that the α-helical peptide is located on the membrane surface with a certain degree of heterogeneity. This conclusion is also supported by experiments performed using ATR spectroscopy. Distance measurements between phospholipids and peptides using the REDOR technique indicate that the α-helical peptide is near the phosphate nucleus of phospholipids whereas the β-sheet aggregated peptide is superficially located on the membrane surface. The difference of penetration into the interfacial region could explain the difference of selectivity between the R5R10 peptide (non selective) and the R4R11 peptide (selective). In addition, dye-release experiments have shown that both peptides induce a negative curvature strain to the membrane. Therefore, by taking into account all the results, it seems that the mechanism of action of these peptides is similar to the sinking-raft model mechanism.

Sur Terre, ce sont dans les vallées sèches de l'Antarctique où l'on retrouve des conditions s 'approchant le plus de la planète Mars. Protégées du gel de la séch eresse et des rayons ultraviolets, les colonies bactériennes endolithiques constituent près de la moitié de la biomas"se de ces régions arides. Cette situation laisse présager qu'il pourrait en être de même sur la planète Mars. Le défi consiste à détecter ces colonies, car souvent aucun signe visible ne laisse présager leur présence. De plus, le forage des pierres risque de contaminer, ou pire encore, de détruire de précieux spécimens. L'approche proposée utilise la spectroscopie infrarouge afin de repérer la signature spectrale des colonies microbiennes. Le but de ce projet est d 'une part de vérifier la possibilité de détecter des microorganismes dans des échantillons de roches. La deuxième partie du projet est de développer une technique d'analyse des spectres afin d'isoler les marqueurs biologiques dans lesdits spectres de roches. La première partie fut accomplie avec l'aide d'échantillons de roches provenant de deux sites différents (Nunavut et Guelph). La méthode est décrite dans le chapitre 2. "La deuxième partie fut réalisée avec différents outils mathématiques tels que la méthode de corrélation et l'analyse en composantes principales (ACP, chapitre 3). Les résultats . montrent que la technique ACP fonctionne tant pour identifier le contenu minéral des . roches que pour isoler les spectres susceptibles de contenir des matières organiques. Toutefois, il n'est pas possible d 'identifier le type de molécule organique contenue dans les échantillons. La technique ACP fut également testée sur des échantillons d'Antarctique (chapitre 4) et le résultat s'avère positif. Alors que pour les spectres de roches martiennes provenant des sondes MER, les résultats sont non concluants voir négatif.