Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs l'étude et la mise en oeuvre de nouvelles techniques actives de spectroscopie d'absorption infrarouge pour la détection multi-gaz à distance. Pour cette application, nous avons étudié le potentiel de deux sources laser innovantes : un Oscillateur Paramétrique Optique Doublement Résonnant (DROPO), émettant un rayonnement monochromatique accordable entre 3,3µm et 3,7µm et un laser fibré Supercontinuum, émettant un spectre continu s'étendant de 1µm jusquau-delà de 3,8µm. Après avoir modélisé les signaux ainsi que le bruit, nous avons calculé les performances théoriques d'estimation de concentration à l'aide des Bornes de Cramer-Rao (BCR). Puis, nous avons développé des estimateurs de concentrations multi-gaz adaptés aux caractéristiques des signaux DROPO et Supercontinuum. Ces estimateurs ont été appliqués à des signaux expérimentaux dans le but de valider le calcul des prévisions de performances. Dans le cas de la spectroscopie par DROPO, des mesures simultanées des concentrations en vapeur d'eau et en méthane, intégrées sur un trajet de 30m dans l'atmosphère ont été réalisées (après diffusion sur une cible non coopérative). Dans le cas de la spectroscopie Supercontinuum, nous avons réalisé un premier montage basé sur une source proche infrarouge et un analyseur de spectre commerciaux afin de valider le traitement du signal ainsi que la prédiction de performances. Nous avons réalisé des mesures simultanées de la quantité de méthane présente dans une cellule et la concentration atmosphérique en vapeur d'eau intégrée sur une distance de plus de 10m (par réflexion sur une cible coopérative). L'estimation est non biaisée et l'écart type calculé sur un grand nombre d'estimations est inférieur à 1, 5 fois les BCR. Pour les expériences de spectroscopie réalisées autour de 3,3µm, nous avons adapté, implémenté et calibré un spectrographe permettant d'acquérir en quelques secondes une centaine de spectres sur un domaine spectral de200nm, avec une résolution inférieure au nanomètre. Un estimateur du maximum de vraisemblance a fourni une estimation peu biaisée (3%) avec un écart type égal à 2, 5 fois la BCR. Nous avons ainsi montré expérimentalement la faisabilité de mesures rapides et précises par spectroscopie Supercontinuum infrarouge.

Cette thèse a premièrement permis le développement d'une méthode de détection non-enzymatique de l'ADN. Les techniques enzymatiques couramment utilisées, comme la Polymerase Chain Reaction (PCR), échouent souvent dans l'analyse d'échantillons anciens ou transformés. L'ADN subit en effet de nombreuses dégradations post mortem, parmi lesquelles certaines bloquent les enzymes ADN-polymérases. Notre méthode combine hybridation et détection par SERRS (Surface Enhanced Resonant Raman Scattering), permettant la détection et la quantification de séquences d'ADN dégradées réfractaires à l'analyse par PCR. De nouvelles perspectives s'ouvrent donc en paléogénétique. Cette thèse aborde également le rôle des surfaces minérales dans l'origine des acides nucléiques. Les surfaces minérales pourraient avoir piégé et concentré les briques élémentaires de ces biopolymères, contribuant ainsi à leur construction. Les travaux existants se sont concentrés sur des minéraux comme la montmorillonite, qui n'était cependant pas abondante à l'Hadéen/Archéeen. La minéralogie de la Terre primitive aurait plutôt été dominée par les phyllosilicates ferromagnésiens. Nous avons étudié l'adsorption de nucléotides sur des minéraux plus cohérents avec le contexte géologique, en variant les paramètres environnementaux. Ce travail permet de préciser le mécanisme d'adsorption des nucléotides sur les surfaces minérales, ainsi que les conditions de l'origine du matériel génétique.

Ce travail porte sur l'étude des transformations induites par les procédés industriels (TIPI) dans le domaine de l'industrie pharmaceutique. Il se focalise sur le procédé de compression directe et sur deux principes actifs modèles qui sont la caféine et la carbamazépine. Des méthodes de caractérisations expérimentales des transitions de phases dans les comprimés ont été développées. La densité des comprimés a été mesurée par tomographie à rayons X et évaluée en surface par micro-indentation. Des méthodes thermiques telles que l'ACD et l'ATG ont été utilisées pour estimer les transformations dans tout le volume des comprimés. La spectroscopie Raman à basses fréquences a été appliquée pour la première fois pour cartographier la surface des comprimés. La spectroscopie Raman à hautes fréquences a été développée dans le but d'augmenter le nombre de données et d'automatiser le traitement des spectres. La transformation de la caféine forme I (métastable) en forme II (stable) nécessite plusieurs années dans les conditions ambiantes. Les investigations menées sur la caféine I ont révélé que la transition est induite par la compression directe car une transformation partielle en forme II est mesurée dans tout le volume du comprimé. La transformation continue au sein du comprimé lors de son stockage et le taux de transformation reste supérieur à celui de la poudre de caféine forme I non comprimée. Les quantifications misent en place par ACD et spectroscopie Raman à basses fréquences ont montré des transformations de la forme I dans tout le volume des comprimés et leur valeur est indépendante de l'intensité de la pression de compression. De plus, les deux formes de la caféine coexistent à l'échelle micrométrique, ce qui tend à prouver que des cristallites de forme II apparaissent dans tous les grains de caféine. La caféine formulée avec de la cellulose microcristalline présente un comportement plastique lors de la compression. La tomographie à rayons X révèle l'existence d'une zone locale de densité plus élevée au niveau des parois latérales, sans que ceci influe localement sur le taux de transition de la caféine. L'emploi d'une caféine calibrée entraine un comportement plus fragmentaire, qui semble réduire le taux de transformation mesuré. Aucune transformation de phase solide de la carbamazépine dihydrate n'a été décelée par ATG et spectroscopie Raman dans les comprimés fabriqués. Il semble que ce principe actif soit stable en compression directe

Les enzymes pancréatiques de remplacement sont les plus utilisées dans le but d'améliorer la qualité de vie des personnes ayant un problème d'insuffisance pancréatique exocrine (IPE) relié aux maladies comme la pancréatite, la fibrose kystique et la stéatorrhée. Les enzymes pancréatiques de remplacement ont différentes origines et les plus utilisées proviennent du pancréas d'origine porcine (EPP), étudiées dans le présent travail. Dans le commerce on peut trouver des comprimés d'enzymes avec enrobages entériques. En effet, il y a plusieurs formes commerciales d'enzymes pancréatiques disponibles sur le marché et telles compositions peuvent être résistantes au milieu gastrique, mais le profil de libération n'est pas toujours satisfaisant. Comme un exemple, chez les patients atteints d'IPE la région supérieure du petit intestin est généralement acide ce qui a comme résultat que les préparations entériques normalement soient dissoutes trop tard dans l'intestin ce qui rendre indisponibles les enzymes dans le site approprié. Suite à la découverte de la capacité des comprimés faits d'enzymes pancréatiques de former une couche externe en milieu acide (FGS), l'objectif du présent travail a été d'élaborer des comprimés d'enzymes sans excipients additionnés et sans enrobage, capables de se protéger dans un milieu gastrique et de libérer son contenu dans l'intestin. Il semble que les enzymes ont une plus grande force de cohésion inter particulaire après leur compression et peuvent aussi être auto-assemblés en comprimés monolithiques. L'auto-assemblage est le résultat de plusieurs sortes d'interactions entre les chaines de protéines, comme les associations d'hydrogène (ex : entre lysine, histidine, tyrosine et sérine) et les interactions ioniques (ex : entre les -COO- et NH3+ impliquant glutamate-lysine et aspartate-lysine). Dans les comprimés obtenus, les protéines peuvent agir comme des tampons et de cette manière augmentent la stabilité gastrique. Dans le milieu intestinal, les groupes carboxyliques sont déprotonés et ionisés provoquant aussi l'hydratation, l'érosion et la désintégration des comprimés et la libération des enzymes thérapeutiques. Des études de stabilisation et de dissolution des comprimés d'EPP (lipase, amylase et protéase) ont été faites dans des milieux FGS et FIS. Suite aux résultats prometteurs du brevet « Compositions pharmaceutiques gastro-résistantes à base d'enzymes », le travail est approfondi sur des aspects structuraux en utilisant une préparation commerciale d'alpha-amylase. Les profiles FTIR et SDS/PAGE ont été utilisés pour étudier les interactions protéine-protéine dans des comprimés d'alpha-amylase et l'effet de la pression et du milieu gastrique sur la structure de cette enzyme. La nouveauté du concept est que les enzymes pancréatiques en plus d'être les principes actifs, agissent comme liants et comme agents chargés de générer et stabiliser une couche externe sensible au pH. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : enzyme, gastro-résistance, comprimés, pancréas, FTIR, alpha-amylase, lipase, protéase.

Ces travaux de thèse présentent une étude des propriétés optiques et de la photofragmentation de protéines en phase gazeuse. Les expériences ont eét effectuées sur un montage couplant la spectroscopie optique (un LASER UV/Vis) à la spectroscopie de masse (un piège linéaire LTQ). Le photodétachement d'électron est utilisé comme sonde d'action pour l'étude des propriétés optiques des biomolécules ou comme initiateur de radicaux pour les expériences d'a-EPD. L'efficacité de la fragmentation a-EPD a été démontrée sur des petites protéines et son application aété étendue aux polymères synthétiques. Une étude comparative de l'a-EPD avec l'EDD a permis de mieux comprendre les mécanismes liés à la fragmentation d'anions radicalaires. Cestravaux de thèse ont également porté sur l'apport de la spectroscopie d'action par photodétachement sur des protéines entières dans le visible et le VUV. Le domaine du visible a été exploré au sein de notre laboratoire sur une métalloprotéine pour montrer l'importance de l'environnement protéique sur les propriétés optique du groupe porphyrine (hème). L'accès au rayonnement synchrotron SOEIL nous a pemis d'enregistrer les spectres d'action de protéines entières dans le VUV, encore inexplorés dans ce domaine de longeur d'onde. Pour la premièère fois sur une protéine anionique, un double détachement direct d'électrons corrélés a pu être observé. Enfin, des expériences de spectroscopie de photoélectrons (PES ont été réalisées en collaborations avec M. Kappes (Karlsruhe) afin d'enregistrer des spectres de photoélectron résolu en conformères et d'étudier ainsi la stabilité de protéines anioniques fortement chargées.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La spectroscopie localisée par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) a de nombreuses applications in vivo, car cette technique permet l'étude des métabolites endogènes. Cette thèse explore dans ce contexte diverses voies d'amélioration des données de spectroscopie. La première méthode présentée, est une méthode de correction de spectre mono-voxel. Une méthode de reconstruction pour l'imagerie spectroscopique s'appuyant sur la résolution d'un système d'équations linéaires au lieu de la transformation inverse de Fourier utilisée habituellement est ensuite proposée. Cette modification permet notamment la prise en compte des défauts du champ magnétique local. Enfin, une dernière méthode qui trouve son utilité lorsque le signal est trop faible pour permettre la quantification des signaux des métabolites ou lorsque les défauts du champ magnétique sont trop importants est développée puis validée par simulation et expérimentalement.

La spectrométrie de masse apparaît au travers de la technologie SRM (Selected Reaction Monitoring) comme une alternative crédible aux tests immunologiques pour la quantification de biomarqueurs. Cependant, les limites de quantifications et de détections atteintes ne sont pas suffisantes pour réaliser des dosages cliniques. Afin d'améliorer les limites de détections, nous nous sommes intéressés au couplage de la spectroscopie optique avec la spectrométrie de masse pour le dosage de biomarqueurs. Ce couplage s'appelle la Photo-SRM. Je me suis donc appliqué, dans un premier temps, à étudier les propriétés optiques de biomolécules dans des domaines de longueurs d'ondes différents allant du VUV au visible. Par la suite, la preuve de concept de l'outil Photo-SRM a été réalisée. Suite à une modification instrumentale réalisée sur un spectromètre de masse de type triple quadripôle, un laser continu émettant des photons dans le domaine du visible, 532 nm, a été implémenté dans cet instrument. Cet outil a ensuite été appliqué pour un dosage multiplexé des protéines endogènes majoritaires du sérum humain. Ces protéines ont été dosées via des peptides protéotypiques contenant des cystéines. L'ensemble du sérum a donc été dérivé en amont de l'analyse. Nous avons souhaité appliquer la Photo-SRM au dosage des métabolites. En effet, dans de nombreuses pathologies, les métabolites et les protéines jouent un rôle important. Par exemple, les œstrogènes utilisés comme contraceptif ont un impact sur les concentrations des protéines de coagulation. Il semble donc intéressant de pouvoir étudier ces deux familles de biomolécules lors d'une même analyse. Enfin, avec l'avènement des instruments hybrides, tels que les Q-TOF et le Q-exactive, la quantification n'est plus réservée qu'à l'usage des instruments de type triple quadripôle. Ces instruments permettent de doser des biomolécules aux mêmes ordres de grandeur que les triples quadripôles en mode SRM. Ces instruments permettent également de réaliser des expériences de découvertes en protéomique. La modification instrumentale d'un Q-exactive, hybride quadripôle-Orbitrap, est présentée suivie d'expériences préliminaires. Ce couplage ouvre donc de nouvelles perspectives d'étude en quantification mais également en découverte protéomique

Le stratum corneum (SC), couche supérieure de l'épiderme, est composé principalement de cornéocytes entourés d'une matrice lipidique. Cette structure particulière confère au SC son rôle de barrière et protège l'organisme de la perte en eau, de la pénétration de substances exogènes et de l'irradiation ultra-violette (UV). La matrice lipidique du SC est constituée de trois lipides majeurs : les céramides, les acides gras et le cholestérol organisés en phase cristalline. Cette matrice est la principale voie de pénétration des molécules exogènes à travers la peau. L'estimation de l'absorption cutanée pour l'analyse du risque des produits cosmétiques est basée sur les recommandations de l'Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE) qui prend en compte les propriétés physicochimiques des molécules i.e. Log Pow (lipophilie) et MW (masse moléculaire). En effet, l'OCDE considère une absorption de 100% pour une molécule ayant une MW inférieure à 500g/mol et un Log Pow compris en -1 et +4. En dehors de ces valeurs, l'OCDE applique une estimation de 10%. Hors, cette estimation est bien souvent loin de la réalité et a besoin d'être affinée. Notre travail s'est focalisé sur le développement d'un critère d'évaluation de la pénétration cutanée afin de moduler les données de l'OCDE par trois approches différentes : chromatographie d'affinité, spectroscopie de fluorescence et microspectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) avec une source synchrotron. Etant donné que les propriétés barrières de la peau sont étroitement liées à la composition en céramides du SC, les méthodes développées en chromatographie d'affinité et spectroscopie de fluorescence se sont focalisées sur l'interaction céramide-molécules. Un critère prédictif de la pénétration percutanée a été défini avec chacune de ces méthodes :  et I. La troisième méthodologie a consisté à développer un autre critère (Sindex) par microspectroscopie FTIR avec une source synchrotron. La distribution cutanée des molécules a été suivie sur coupes microtomées de biopsies humaines. A partir de Sindex, une cartographie prédictive de la pénétration percutanée des molécules a été établie. Notre design expérimental comprenait des molécules (filtres UV, conservateurs, actifs cosmétiques) avec des Log Pow et MW variés (cf annexe 1). La pénétration cutanée de ces molécules a été étudiée avec une méthode de référence : cellules de Franz couplées à la chromatographie. Ces données de référence ont servi à valider les modèles et critères prédictifs développés. Ce travail a permis d'explorer de nouvelles pistes pour l'étude prédictive de la pénétration percutanée et de développer ainsi de nouveaux critères. Utilisés en complément des propriétés physicochimiques des molécules, ces nouveaux critères permettent d'affiner l'estimation de la pénétration cutanée de molécules exogènes pour l'analyse du risque.

La thèse a porté sur l'étude par spectroscopie magnéto-optique de boites quantiques magnétiques et de nanofils semiconducteurs. Ces nanostructures à base de semiconducteurs magnétiques dilués sont élaborées et étudiées dans l'équipe depuis une quinzaine d'année. L'intérêt de ces structures repose sur la possibilité de contrôler et d'étudier très finement le couplage d'un petit nombre de spins localisés avec des porteurs libres. La première partie de la présente thèse a porté sur l'étude des conditions de formation de polarons magnétiques (orientation d'un petit ensemble de spins par l'intermédiaire d'un porteur ou d'une paire électron-trou) dans des boites quantiques CdMnTe. La formation de polarons magnétiques encore assez mal comprise avec les systèmes 0D tels que les boites quantiques auto-assemblées. Une série d'échantillons originaux de boites quantiques magnétiques auto-assemblées (concentration en manganèse intermédiaires) a été élaborée par épitaxie par jets moléculaires dans l'équipe. L'étude de ces échantillons pendant la thèse a permis d'étudier pour la première fois la formation de polarons magnétiques avec des boites quantiques magnétiques chargées négativement par spectroscopie magnéto-optique. La deuxième partie de la présente thèse a porté sur l'étude de nanofils semiconducteurs de boites quantiques insérées en nanofils. Ce projet vise à insérer et étudier des boites quantiques magnétiques dans des nanofils semiconducteurs (ANR Magwires).