Dissertationen zum Thema „Amplification du signal (chimie)“

Généralement, diagnostiquer une pathologie donnée à un stade de développement précoce favorise le pronostic vital du patient atteint. Une telle performance nécessite de détecter des marqueurs présents à des seuils de concentrations bas dans des fluides biologiques souvent complexes. Pour détecter ces concentrations extrêmement faibles en analyte donné, la stratégie employée au cours de ce travail est l’amplification moléculaire du signal. Pour cela, différentes approches sont possibles (i) amplifier le signal issu de l’évènement de reconnaissance cible/sonde, (ii et iii) amplifier le signal par régénération ou réplication de la cible. Les stratégies conçues au cours de ce travail de thèse se focalisent principalement sur la détection de petites molécules, telles que l’eau oxygénée ou encore l’anion fluorure, mais avec à terme l’idée de les étendre à la détection indirecte de biomarqueurs ou protéines d’intérêts. La première partie de cette thèse se focalise sur l’amplification moléculaire d’un signal par une catalyse allostérique en utilisant la réaction de reconstitution d’une apoenzyme donnée avec son cofacteur tandis que la seconde partie de cette thèse repose sur la mise en place de systèmes d’amplification catalytique et auto-catalytique pour la détection d’H2O2, grâce à des dérivés pro-quinoniques porteurs de groupement acide/ester boronique. La distinction entre les systèmes catalytique et auto-catalytique se fait selon qu’H2O2 est régénéré ou amplifié au cours de la réaction
Generally, diagnosing a given pathology at an early stage of development promotes the patient's prognosis. Such a performance requires the detection of specific markers which are present in complex biological fluids at low concentration level. To detect these extremely low analyte concentrations, the strategy employed in this work is the molecular amplification of the signal. To this end, different approaches are possible (i) amplifying the signal resulting from the target / probe recognition event, (ii and iii) amplifying the signal by regeneration or replication of the target. The strategies conceived during this thesis work mainly focus on the detection of small molecules, such as hydrogen peroxide or fluoride anion, but with the idea of extending them to the indirect detection of biomarkers or proteins of interest. The first part of this thesis focuses on the molecular amplification of a signal by allosteric catalysis using the reconstitution reaction of a given apoenzyme with its cofactor. The second part of this thesis is based on the implementation of catalytic and auto-catalytic amplification systems for the detection of H2O2, thanks to pro-quinonic derivatives bearing boronic acid/ester group. The distinction between catalytic and auto-catalytic systems is based on whether H2O2 is regenerated or amplified during the reaction

La surveillance des conditions physiologiques de donneurs d'organes en état de mort cérébrale est cruciale pour prévenir la dégradation des tissus. Ce suivi peut être effectué en observant la réponse inflammatoire (tempête cytokinique) à travers des biomarqueurs spécifiques : les miARNs. Ce travail propose d'utiliser l'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRI) pour détecter quantitativement ces miARNs. Cette recherche vise à développer un biocapteur SPRI plus sensible et spécifique pour détecter les miARNs à des concentrations inférieures à la limite de détection de ces systèmes.Tout d'abord, une fonctionnalisation de la surface d'or de la biopuce mieux orientée a été développée afin d'améliorer l'accessibilité des biorécepteurs. Ensuite, des sondes modifiées avec des bases LNA ont été employées pour renforcer l'affinité avec le miARN cible. En parallèle, une stratégie d'amplification par sandwich du signal SPRI a été conçue en utilisant des nanoparticules d'or, et un modèle cinétique a été élaboré pour prédire le facteur d'amplification. Les AuNPs ont été synthétisées en une seule étape à température ambiante et fonctionnalisées pour être spécifiques vis-à-vis du miARN et solubles en solution saline. Ces approches combinées ont conduit à une amplification du signal de plus de deux ordres de grandeur et à une limite de détection de miARNs dans la gamme du picomolaire
Monitoring the physiological conditions of brain-deceased organ donors is crucial to prevent tissue degradation. Tracking this degradation can be done by following the inflammatory response (i.e. cytokine storm) through specific biomarkers like miRNAs. This work proposes using Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) to quantitatively detect those miRNAs. To achieve detection at concentrations below the usual SPRI limits, this research focuses on developing a more sensitive and specific SPRI biosensor for miRNA detection. Firstly, a new surface functionalization better oriented was developed for the SPRI gold biochip to improve bioreceptor accessibility. LNA-modified probes were then employed to enhance the affinity with the target miRNA. Secondly, a signal amplification strategy was designed using gold nanoparticles (AuNPs) in a sandwich-like assay, and a kinetic model predicting the amplification factor was developed. The AuNPs were synthesized in a one-step process at ambiant temperature and functionalized for miRNA specificity and solubility in saline solution.These combined approaches led to more than two orders of magnitude signal amplification and a detection limit in the picomolar range

Amplification is essential in order to achieve low limits of detection (LOD) within analyte detection assays. Over recent years, chemists have developed a multitude of amplification methodologies for the detection of a variety of analytes with varying signal readouts. Typically, these methodologies are focussed upon one of four main amplification strategies; target, label, signal or receptor amplification. Herein, a thorough review of the current literature has been compiled highlighting both the advantages and disadvantages of each strategy. Despite the increasing number of amplification methodologies being described, there is still significant demand for improving analyte assay efficiency and sensitivity. In particular, rapid and sensitive protein detection that can be performed at the point-of-care (POC) setting is highly desirable for the effective treatment and control of infectious diseases. In collaboration with medical diagnostics company Atlas Genetics Ltd., a new electrochemical substrate for the ratiometric detection of alkaline phosphatase (ALP), a commonly-used enzyme label within enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA), was developed capable of delivering an ALP LOD of 0.3 pM within 30 minutes. When applied to the detection of C-reactive protein (CRP), a model biomarker used to diagnose inflammation, the substrate was shown to be significantly more reproducible than a commonly-used commercially-available electrochemical ALP substrate. In order to improve the sensitivity of an ELISA, a novel signal amplification methodology was then developed. Based upon a double-catalyst signal amplification strategy, an organometallic transfer hydrogenation catalyst was utilised in combination with the enzyme label to afford a hybrid synthetic and biological amplification cascade. To achieve selective enzyme-triggered catalyst activation, an enzyme substrate termed a proligand was synthesised. In the presence of the enzyme, self-immolation of the proligand occurs to release a ligand, capable of binding to an iridium pre-catalyst to generate a ligand-accelerated active catalyst. Catalyst activity could be observed through ratiometric electrochemical analysis through the use of an electroactive aldehyde as the catalyst substrate. An ALP LOD of 7.6 pM after 33 minutes was obtained for this amplification methodology but when applied to the detection of CRP however, a significant background reaction, found to be caused by the iridium pre-catalyst, limited sensitivity. The versatility of the signal amplification methodology was nevertheless demonstrated through the enzyme-triggered catalytic reduction of a range of different aldehydes with alternative signal readouts, enabling signal transduction and amplification to be easily achieved within a single procedure.

Biomolecule detection assay applications range from diagnostics and pathogen detection, to the design of targeted medical care and drug development. A current limitation of this approach lies in the inherently small quantity of the analytes being detected. Therefore, a method to efficiently amplify either the analyte or the detection signal is necessary. We report a signal amplification approach that relies on self-assembled polymeric nanospheres, containing a large number of luminescent transition metal centers in their core and a biological recognition unit on their periphery. Initially, block copolymers containing a hydrophobic ruthenium bipyridine block, a hydrophilic PEG block, and a biotin biological recognition block were synthesized. Self-assembly of these copolymers in water, results in nanospheres that can be tethered to a target analyte using the biotin-streptavidin interaction. The ability to tether such a large number of metallic centers to each analyte provides a simple approach to signal amplification through luminescence.
Les analyses de détection biomoléculaire ont des applications qui s'étendent du diagnostic et de la détection de microbes pathogènes, à la conception de soins médicaux spécifiques et au développement de nouveaux médicaments. Une limitation actuelle de cette approche repose sur le fait que les analytes à détecter sont présentes qu'en faibles quantités. Par conséquent, une méthode efficace d'amplification de l'analyte ou du signal de détection est nécessaire. Nous présentons ici une approche d'amplification du signal qui se fonde sur les nanosphères polymères auto-assemblés, contenant dans leur noyau un grand nombre de centres luminescents basé sur des métaux de transition, et, sur leur périphérie, une unité biologique pour la reconnaissance. Tout d'abord, les copolymères à bloc contenant un bloc hydrophobe de bipyridine de ruthénium, un bloc hydrophile de PEG, et un bloc d'identification biologique de biotine, ont été synthétisés. L'auto-assemblage de ces copolymères dans l'eau donne lieu à la formation des nanosphères qui peuvent être attachés à un analyte cible en utilisant l'interaction entre la biotine et la streptavidin. La capacité d'attacher un si grand nombre de centres métalliques à chaque analyte fournit une méthode simple d'amplification du signal par la luminescence.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Chemical Engineering, 2015.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 124-135).
Polymerization-based signal amplification is an approach to biosensing that leverages the amplification inherent to radical polymerization to enhance signal associated with molecular recognition. This versatile technique has been implemented with a number of radical polymerization chemistries, including atom-transfer radical polymerization (ATRP), photopolymerization, reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT), and enzyme-mediated redox polymerization. This thesis focuses on the development of photopolymerization-based signal amplification (PBA) as a platform technology for use at the point-of-care. We sought to build a mechanistic understanding of the system, specifically examining the effects of non-ideal binding reactions and oxygen. One of the greatest barriers to wider implementation of polymerization-based signal amplification is the susceptibility of radical polymerization reactions to oxygen inhibition. Oxygen reacts with initiating and propagating radicals to form peroxy radicals that are unreactive towards propagation, and thus have the effect of terminating the reaction. Chapter 2 describes the development of an air-tolerant monomer solution that allows interfacial photopolymerization reactions to proceed under ambient conditions in as little as 35 seconds where previous implementations of PBA required inert gas purging to remove oxygen and reaction times of 20 minutes or longer. We showed that the inclusion of submicromolar concentrations of eosin, the photoinitiator, in the monomer solution mitigated the effects of oxygen. The ability to perform these reactions under ambient conditions increases their clinical utility by simplifying the procedure and by eliminating purging gases that might be detrimental in some biological applications, specifically those involving cells. Intrigued by eosin's ability to overcome over 1000-fold excess of oxygen, we performed spectroscopic measurements in order to elucidate the mechanisms underlying eosin's resistance towards oxygen inhibition. A dual-monitoring system for measuring eosin consumption and monomer conversion was used to corroborate the hypothesized regeneration of eosin in the presence of oxygen (Chapter 3). This required the development of a method for analyzing absorbance data for polymerizing hydrogels. We further examined the photoactivation kinetics of the eosin/tertiary amine system and the effect of oxygen using absorbance spectroscopy and kinetic modeling (Chapter 4). The spectroscopic investigation revealed that, in addition to the previously postulated reactions in which eosin is regenerated by oxygen, additional reactions between oxygen and eosin in its triplet state and semireduced form occur and must be taken into account. The formation and consumption of the semireduced species informed the construction of a kinetic model, for which the importance of considering the reaction between triplet state eosin and the tertiary amine as two separate steps was clearly demonstrated. Transitioning away from an examination of the amplification chemistry, we next considered the molecular recognition event, exploring the concept of the amplification threshold by investigating the impact of the binding affinity of the molecular recognition event on the limit of detection (Chapter 5). We showed that improvements in binding affinity enhance detection sensitivity. A mass action kinetics based model was used to accurately predict experimental findings and identify the key parameters for predicting the performance of PBA reactions: surface capture probe density, incubation time, concentration and binding affinity of the target molecule. We evaluated the commonly proposed strategy of developing polymeric macrophotoinitiators for improving the sensitivity of photopolymerization-based signal amplification reactions (Chapter 6). Building on earlier work, in which solubility limits were encountered coupling eosin and neutravidin to a poly (acrylic acid-co-acrylamide) backbone, we synthesized a more water-soluble polymeric macrophotoinitiator based on a generation 7 poly (amidoamine) dendrimer scaffold. Although the solubility was improved, a new quenching limitation was identified, demonstrating the complexity of designing polymeric macrophotoinitiators that incorporate eosin as the photoinitiator. In lieu of viable photoinitiator alternatives to eosin, we concluded that future efforts to design polymeric macrophotoinitiators should include features that increase the distance between eosin molecules. We used photopolymerization-based signal amplification to selectively encapsulate a target population of cells in a co-culture (Chapter 7). PBA allows for the selective growth of an immunoprotective hydrogel only at the surfaces of the labeled cells, even in closely contacted cell aggregates. The hydrogel protects the cells against subsequent lysis, allowing for nucleic acid extraction from the unlabeled cells without the need for cell sorting. Finally, we consider the vast, unexplored parameter space for photopolymerization-based signal amplification, surveying alternative photoinitiation chemistries, new approaches to signal interpretation, and future applications.
by Kaja Kaastrup.
Ph. D.

This thesis describes the development of a cryogenic imaging system for an environmental scanning electron microscope (ESEM). The ESEM is an important new development in electron microscopy since it enables specimens to be viewed in a small pressure of gas - generally this gas is water vapour, although an alternative must be used for cryogenic applications. The presence of the gas also contributes to the imaging mechanism, a process whereby the signal electrons are amplified by the gaseous molecules prior to detection. The purpose of the cryogenic system was to image the complicated, four phase microstructure of ice cream. Although viewed routinely by conventional electron microscopy techniques, the harsh temperature and pressure regimes involved (around -120°C at 10^.6 torr) increase the likelihood of introducing artefacts. Therefore, a methodology was developed for imaging ice cream with ESEM in a small pressure of an alternative imaging gas at a much warmer temperature of -80°C. In order to stabilise the ice phase in the samples at a higher temperatures, a system was designed for mixing gases, so that a small amount of water vapour could be mixed into the imaging gas. This system lifted the temperature restrictions of ice cream imaging so it can, in principle, now be imaged at its storage temperature of -20°C. In the search for alternative imaging gases to water vapour, questions were raised about the fundamental way in which the signal electrons interact with the gas. In order to understand the electron amplification properties of the different gases, a Faraday cage was designed and the electron amplification was investigated. We suggest that the ratio of the peak amplification to the plateau amplification gives a semi-quantitative method of determining the imaging quality of the gas. Furthermore, by isolating experimentally the effects of different components of the signal, it was found that the low energy secondary electrons dominate the signal at low pressure, whereas the effect of backscattered electrons becomes more important as the pressure is raised. In addition, the performance of two ESEM detector designs were compared. The new gaseous secondary electron detector (GSED), which was designed to reduce the contribution of some sources of signal, was found to achieve its aim, but some of its overall contrast was sacrificed when compared to the original environmental secondary detector (ESD).

Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Electrical and Computer Engineering by the Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e Tecnologia
Signal amplification is required in almost every analog electronic system. However noise is also present, thus imposing limits to the overall circuit performance, e.g., on the sensitivity of the radio transceiver. This drawback has triggered a major research on the field, which has been producing several solutions to achieve amplification with minimum added noise. During the Fifties, an interesting out of mainstream path was followed which was based on variable reactance instead of resistance based amplifiers. The principle of these parametric circuits permits to achieve low noise amplifiers since the controlled variations of pure reactance elements is intrinsically noiseless. The amplification is based on a mixing effect which enables energy transfer from an AC pump source to other related signal frequencies. While the first implementations of these type of amplifiers were already available at that time, the discrete-time version only became visible more recently. This discrete-time version is a promising technique since it is well adapted to the mainstream nanoscale CMOS technology. The technique itself is based on the principle of changing the surface potential of the MOS device while maintaining the transistor gate in a floating state. In order words, the voltage amplification is achieved by changing the capacitance value while maintaining the total charge unchanged during an amplification phase. Since a parametric amplifier is not intrinsically dependent on the transconductance of the MOS transistor, it does not directly suffer from the intrinsic transconductance MOS gain issues verified in nanoscale MOS technologies. As a consequence, open-loop and opamp free structures can further emerge with this additional contribution. This thesis is dedicated to the analysis of parametric amplification with special emphasis on the MOS discrete-time implementation. The use of the latter is supported on the presentation of several circuits where the MOS Parametric Amplifier cell is well suited: small gain amplifier, comparator, discrete-time mixer and filter, and ADC. Relatively to the latter, a high speed time-interleaved pipeline ADC prototype is implemented in a,standard 130 nm CMOS digital technology from United Microelectronics Corporation (UMC). The ADC is fully based on parametric MOS amplification which means that one could achieve a compact and MOS-only implementation. Furthermore, any high speed opamp has not been used in the signal path, being all the amplification steps implemented with open-loop parametric MOS amplifiers. To the author’s knowledge, this is first reported pipeline ADC that extensively used the parametric amplification concept.
Fundação para a Ciência e Tecnologia through the projects SPEED, LEADER and IMPACT

Thesis: M. Eng., Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering and Computer Science, 2015.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 75-76).
This thesis explores the concept of synthesizing tunable impedances by establishing the appropriate phase relationship between the drain voltage and drain current of a MOS transistor. A high frequency, wide tuning range 105-121GHz oscillator and a small-footprint 20-40GHz oscillator using synthetic resonance are presented. The concept of impedance synthesis is also used to generate a novel frequency-adaptive loss compensation scheme for distributed amplifiers which is shown to improve the bandwidth by 30%. The performance of these circuits was analyzed and simulated on a TSMC 65nm bulk CMOS process.
by Pranav R Kaundinya.
M. Eng.

International Telemetering Conference Proceedings / October 18-21, 2004 / Town & Country Resort, San Diego, California
Digital modulation schemes that are power and bandwidth efficient are highly desirable. After non-linear amplification has been done, signal modulation schemes having constant or quasi-constant envelopes are not as susceptible to spectral regrowth as those with non-constant envelopes. Since such distortion generates interference in the adjacent channels, the power operation of the amplifier in non-constant envelope modulations is typically backed off, resulting in systems with reduced power efficiency. On the other hand, constant envelope modulation may have different bandwidth spectra. This paper examines the statistical characteristics of N-GMSK and N-FQPSK [1] signals to assess the bandwidth efficiency in the presence of amplifier nonlinearities.

This thesis presents a new approach to extend and reduce the transmission range in wireless systems. Conditioning is defined as purposeful electromagnetic interference that affects a wireless signal as it propagates through the air. This interference can be used constructively to enhance a signal and increase its energy, or destructively to reduce energy. The constraints and limitations of the technology are described as a system model, and a flow chart is used to describe the circuit process. Remaining theoretical in nature, practical circuit implementations are foregone in the interest of elementary simulations depicting the interactions of modulated signals as they experience phase mismatch. Amplitude modulation and frequency modulation are explored with using both positive and negative conditioning, and conclusions to whether one is more suitable than the other are made.

Ces vingt dernières années, le domaine du design et de la synthèse de machines moléculaires complexes a fait d’énormes progrès,souvent inspiré par la beauté de la machinerie présente dans les systèmes vivants. Cependant, l’amplification des mouvements d’un grand nombre de machines moléculaires à des échelles de tailles largement supérieures à leurs dimensions restent un défi théorique et expérimental ambitieux et ardu. Ce travail décrit comment l’organisation de machines et moteurs moléculaires dans des réseaux polymères supramoléculaires ou covalents permet de synthétiser des matériaux dans lesquels leurs mouvements individuels nanométriques sont amplifiés jusqu’à l’échelle macroscopique. Les trois premiers chapitres décrivent l’utilisation d’une architecture de type [c2]daisy chains, une molécule capable d’effectuer des contraction/extensions similaires aux mouvements des sarcomères présents dans les muscles, dans des réseaux polymères supramoléculaires et covalents. Leur introduction dans des polymères supramoléculaires à liaisons hydrogène basées sur le motif de reconnaissance uracil:2,6-diacetylaminopyridine associé à des interactions latérales tel que les interactions π résulta en la formation de fibre supramoléculaires contractiles dont la taille et la morphologie a pu être commuté entre deux états étendus et contractés. L’incorporation de motifs uréidopyrimidinone comme connecteur supramoléculaire en revanche donna accès à des gels supramoléculaires, évoluant vers un état liquide lors de la contraction des chaines polymères. Finalement, l’inclusion de daisy chains dans un réseau polymère 3D a donné accès à un gel chimique. Ce matériau a pu être contracté et étendu à l’échelle macroscopique grâce à l’action combinée des machines moléculaires le constituant.Le quatrième chapitre est dédié à l’amélioration d’un gel contractile basé sur l’utilisation de moteurs moléculaires rotatif comme noeud de réticulation d’un réseau polymère. Une unité modulatrice, capable d’être commuté entre un état “ouvert” et “fermé”, a été introduite dans le réseau aux côtés du moteur. Le modulateur dans son état “fermé” permet aux moteurs moléculaires de contracter efficacement le réseau, tandis que dans son état ouvert il permet aux chaines de se dérouler alors que le moteur ne tourne pas, ce qui provoque l’extension du réseau qui retourne à sa taille initiale. En résumé, le travail décrit dans ce manuscrit illustre que des machines moléculaires soigneusement conçue peuvent être introduites dans des réseaux polymères, fournissant des matériaux dont les propriétés macroscopiques sont affectées par les mouvements nanoscopiques de ses constituants. Ces résultats fournissent des pistes et une base fondamentale pour l’élaboration d’une nouvelle classe de matériaux contractiles basés sur des machines moléculaires
The last twenty years have seen tremendous progresses in the design and synthesis of complex molecular machines, often inspired by the beauty of the machinery found in biological systems. However, amplification of the molecular machines motion over several orders of magnitude above their typical length scale is still an ambitious challenge. This work describes how self-organization of molecular machines or motors allows for the synthesis of materials translating the motions of their components into a macroscopic response. The three first chapters describe the use of a [c2]daisy chains architecture, a molecule able to perform contraction/extension motions similarly to the sarcomere units of muscles, into systems such as supramolecular polymers and covalent networks. Their inclusion into hydrogen bonding supramolecular polymers based on the uracil:2,6-diacetylaminopyridine recognition motifs combined with lateral interactions such as π-stacking provided micrometric muscle-like fibers contracting and extending upon deprotonation and protonation.The incorporation of ureidopyrimidone moieties as supramolecular connectors yielded highly organized gels, which evolved to a liquidstate upon contraction of the polymer chains. Finally, covalent poly[c2]daisy chains were synthesized and investigated, notably the formation of a 3D network swelling into a gel. This material could contract and extend at the macroscopic scale upon contraction and extension of the molecular machines used as monomers. Finally, a fourth chapter is dedicated to the improvement of contractile chemical gels made by using a molecular motor as reticulating nodes. A modulating unit, able to be switched between a “closed” and an “opened” state, was introduced into the polymer network along with the motor. The locked structure in the “closed” state allowed contraction of the gel upon rotation of the molecular motors, while the “opened” state allowed unwinding of the entangled polymer chains and extension of the gel when the motor is off. Overall, the work presented in this manuscript demonstrates that carefully designed molecular machines can be incorporated into large supramolecular or covalent assemblies, providing materials which collective motions alter their macroscopic properties. These results provide valuable insights for the elaboration of a new class of muscle-like materials based on molecular machines

We report on the spatial and temporal signaling properties of a yeast pheromone-based cell communication and amplifier system. It utilizes the Saccharomyces cerevisiae mating response pathway and relies on diffusion of the pheromone α–factor as key signaling molecule between two cell types. One cell type represents the α–factor secreting sensor part and the other the reporter part emitting fluorescence upon activation. Although multi-cellular signaling systems promise higher specificity and modularity, the complex interaction of the cells makes prediction of sensor performance difficult. To test the maximum distance and response time between sensor and reporter cells, the two cell types were spatially separated in defined compartments of agarose hydrogel (5 ´ 5 mm) and reconnected by diffusion of the yeast pheromone. Different ratios of sensor to reporter cells were tested to evaluate the minimum amount of sensor cells required for signal transduction. Even the smallest ratio, one α–factor-secreting cell to twenty reporter cells, generated a distinct fluorescence signal. When using a 1:1 ratio, the secreted pheromone induced fluorescence in a distance of up to four millimeters after six hours. We conclude from both our experimental results and a mathematical diffusion model that in our approach: (1) the maximum dimension of separated compartments should not exceed five millimeters in gradient direction; and (2) the time-limiting step is not diffusion of the signaling molecule but production of the reporter protein.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "New nanostructured suports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest" se centra en el diseño y preparación de nuevos materiales híbridos orgánicos-inorgánicos constituidos por puertas moleculares soportadas sobre alúmina mesoporosa con el objetivo de desarrollar nuevos sistemas sensores con aplicaciones potenciales en el campo de la diagnosis y del control alimentario. En el primer capítulo de la tesis se introducen los conceptos en los que están basados los estudios realizados y los materiales preparados. A continuación, en el segundo capítulo se describen los objetivos generales de la tesis que serán abordados en los siguientes apartados. En el tercer capítulo se presenta el diseño y optimización de un nanodispositivo para la detección de la bacteria Mycoplasma fermentans. En primer lugar, los poros de una placa de alúmina mesoporosa se cargan con un indicador fluorescente (rodamina B). Seguidamente, la superficie es funcionalizada con una secuencia de ADN complementaria a una región altamente conservada de la subunidad ribosomal 16S de la bacteria Mycoplasma fermentans. El impedimento estérico generado por las secuencias de ADN ancladas al exterior de los poros impide la salida del indicador encapsulado. Únicamente en presencia de DNA de la bacteria Mycoplasma fermentans, se produce la apertura de los poros permitiéndose la difusión de la carga (rodamina B) que es posteriormente medida mediante espectroscopía de fluorescencia. En el capítulo cuatro se diseña de un nanodispositivo capaz de detectar de forma rápida, sensible y selectiva la bacteria Staphylococcus aureus. Para la preparación del material sensor, un soporte de alúmina mesoporosa es, en primer lugar, cargado con el indicador fluorescente rodamina B. A continuación, los poros del soporte son tapados mediante el anclaje de un aptámero que reconoce de forma específica la bacteria. Solamente en presencia de Staphylococcus aureus se produce la liberación del indicador encapsulado, que es posteriormente medido mediante espectroscopía de fluorescencia. Además, la respuesta obtenida es específica para Staphylococcus aureus. Este sistema ha sido ensayado en muestras reales. En el sexto capítulo, diseña un nanodispositivo híbrido orgánico-inorgánico consistente en un material de alúmina mesoporosa cubierto con una secuencia de ADN específica para la detección de ADN del hongo Pneumocystis jirovecii. En este caso, el soporte de alúmina cargado con rodamina B se recubre con una secuencia de ADN específica para el reconocimiento de este hongo. En presencia del organismo, la horquilla hibrida con el ADN del hongo, lo que resulta en una conformación triplex con elevada afinidad y estabilidad que induce, al mismo tiempo, el desplazamiento de este complejo de la superficie. Como consecuencia de este reconocimiento la carga se libera y es cuantificada mediante espectroscopía de fluorescencia. El sistema ha sido satisfactoriamente validado. En el séptimo capítulo, se diseña un sistema sensor con la capacidad de detectar gluten de forma rápida y sencilla en extractos de alimentos procesados y no procesados. Para ello, un soporte de alúmina mesoporosa se carga con rodamina B y los poros se recubren con un aptámero específicamente diseñado para la detección de la proteína gliadina, que constituye el 50 % del total del clúster de elementos que forman el gluten. La elevada afinidad y especificidad entre el aptámero y la proteína en cuestión hacen que en presencia de ésta se produzca un desplazamiento de la puerta molecular que permite la difusión del colorante encapsulado que es finalmente monitorizado mediante espectroscopía de fluorescencia. Finalmente, en el capítulo octavo se discuten de forma conjunta los resultados obtenidos en los capítulos anteriores y la potencial aplicación de los sistemas desarrollados en el actual sistem
[CA] La present tesi doctoral, titulada "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", es centra en el disseny i preparació de nous materials híbrids orgànics-inorgànics constituïts per portes moleculars suportades sobre alúmina mesoporosa amb l'objectiu de desenvolupar nous sistemes sensors amb potencials aplicacions en el camp de la diagnosi i del control alimentari. En el primer capítol de la tesi s'introdueixen els conceptes en què estan basats els estudis realitzats i els materials preparats. A continuació, en el segon capítol es descriuen els objectius generals de la tesi que seran abordats en els següents apartats. En el tercer capítol es presenta el disseny i optimització d'un nanodispositiu per a la detecció de la bactèria Mycoplasma fermentans. Primerament, els porus d'una placa d'alúmina mesoporosa són carregats amb un indicador fluorescent (rodamina B). Seguidament, la superfície és funcionalitzada amb una seqüència d'ADN complementaria a una regió altament conservada de la subunitat ribosomal 16S de la bactèria Mycoplasma fermentans. L'impediment estèric generat per les seqüències d'ADN ancorades a l'exterior dels porus impedeix l'alliberament de l'indicador encapsulat. Únicament en presencia d'ADN de la bactèria Mycoplasma fermentans, es produeix l'obertura dels porus permetent la difusió de la càrrega (rodamina B) que és posteriorment mesurada mitjançant fluorescència. En el capítol quatre es dissenya un nanodispositiu capaç de detectar de forma ràpida, sensible i selectiva la bactèria Staphylococcus aureus. Per a la preparació del material sensor, el suport d'alúmina mesoporosa és, primerament, carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B. A continuació, els porus del suport són tapats mitjançant l'ancoratge d'un aptàmer que reconeix de forma específica a la bactèria. Solament en presència de Staphylococcus aureus es produeix l'alliberament de l'indicador encapsulat, que és posteriorment mesurat mitjançant espectroscòpia de fluorescència. A més a més, la resposta obtinguda és específica per Staphylococcus aureus. Aquest sistema ha sigut validat amb mostres reals de pacients. En el sisè capítol, es dissenya un nanodispositiu híbrid orgànic-inorgànic consistent en un material d'alúmina mesoporosa cobert amb una seqüència d'ADN específica per a la detecció de l'ADN del fong Pneumocystis jirovecii. En aquest cas, el suport d'alúmina carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B és recobert amb una seqüència d'ADN específica per al reconeixement d'aquest fong. En presència de l'organisme, la forquilla hibrida amb l'ADN del fong, resultant en una conformació triplex amb elevada afinitat i estabilitat, que indueix, al mateix temps, el desplaçament d'aquest complex de la superfície. Com a conseqüència d'aquest reconeixement la càrrega és alliberada i quantificada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. El sistema ha sigut validat com a mètode diagnòstic mitjançant l'anàlisi de mostres reals de pacients. En el seté capítol, es dissenya un sistema sensor amb la capacitat de detectar gluten de forma ràpida i senzilla en extractes d'aliments processats i no processats. Per a això, un suport d'alúmina mesoporosa es carrega amb indicador fluorescent rodamina B i posteriorment és recobert amb un aptàmer específicament dissenyat per a la detecció de la proteïna gliadina, que constitueix el 50 % del total del clúster d'elements que formen el gluten. L'elevada afinitat i especificitat entre l'aptàmer i la proteïna en qüestió fa que en presència d'aquesta es produesca un desplaçament de la porta molecular que permet la difusió de la càrrega encapsulada i que serà finalment monitoritzada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. Finalment, en el capítol vuité es discuteixen de manera conjunta els result
[EN] The PhD thesis hereby presented and entitled "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", focuses in the design and preparation of new hybrid organic-inorganic materials constituted by molecular gates supported over mesoporous alumina with the aim of developing new sensor probes of potential applications in the fields of diagnosis and food control. In the first chapter, the concepts in which studies and prepared materials are based, are introduced. Next, the second chapter describes the general objectives of this thesis, which will be approached in the following sections. In the third chapter, it is presented in detail the design and optimization process of a nanodevice applied for the detection of Mycoplasma fermentans bacterium. First of all, mesoporous alumina porous films are charged with a fluorescent indicator (rhodamine B). Then, the surface is functionalized with a DNA sequence complementary to a highly conserved region of the 16S ribosomal subunit of the bacterium Mycoplasma fermentans. Steric hindrance generated by DNA sequences on the surface inhibits the release of the encapsulated indicator. Only in the presence of bacterium Mycoplasma fermentans DNA, molecular gates open, allowing payload diffusion to the solution, which is measured by fluorescence spectroscopy. In chapter four, it is carried out the design and optimization of a nanodevice able to detect Staphylococcus aureus bacterium in a fast, sensitive and selective way. For the sensor preparation, alumina mesoporous support is, first, loaded with the rhodamine B fluorescent dye. Then, the mesoporous are blocked through the attachment of an aptamer that recognises specifically this bacterium. Exclusively in the presence of Staphylococcus aureus it is accomplished the release of the encapsulated dye, which is later monitored by fluorescence spectroscopy. The response obtained is specific for Staphylococcus aureus. This system has been validated in real samples. In the sixth chapter, it is detailed the design and optimization process of a hybrid organic-inorganic nanodevice based on a capped mesoporous alumina material for the detection of Pneumocystis jirovecii fungus DNA. In this case, the mesoporous alumina support is loaded with a fluorescent dye and decorated with a specific oligonucleotide sequence designed for the recognition of Pneumocystis fungus. In the presence of the target organism, the fork-like oligonucleotide hybridises with the DNA of the fungus, which results in the adoption of a triplex conformation with high affinity and stability that induces, at the same time, the displacement of this complex from the surface. Consequently, the payload diffused to the solution is quantified through fluorescence spectroscopy. The system has been successfully validated. In the seventh chapter, it was developed a sensor system for gluten detection, in a quick and easy way, in processed and non-processed food extracts. For this, a mesoporous alumina support is loaded with the fluorescent dye rhodamine B, and later was functionalized with an aptamer specifically designed for the detection of gliadin, a protein that constitutes 50 % of average cluster elements that forms gluten. The protein-aptamer high affinity and specificity induce the displacement of the capping aptamer and cargo delivery, which is monitored through fluorescence spectroscopy. Finally, in the eighth chapter, the results obtained in the previous chapters and the potential application of the systems developed as health and food control system are discussed.
We thank the Spanish Government projects MAT2015-64139-C4-1-R, AGL2015-70235-C2-2-R, and TEC2015-71324-R (MINECO/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047), the Catalan authority (project AGAUR 2014SGR1344), and ICREA under the 2014 ICREA Academia Award for support. This study was supported by the Spanish Government projects RTI2018-100910-B-C41 and SAF2017-82251-R (MCUI/AEI/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024), the Universitat Politècnica de València−Instituto de Investigación Sanitaria La Fe (B02-MIRSA project), CIBER-BBN (NANOPATH and valorization project CANDI-EYE) and co-financed by the EU through the Valencian Community ERDF PO 2014-2020. This research was funded by the Spanish Government, projects RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE) and CTQ2017-84415-R
Pla Blasco, L. (2021). New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166500
TESIS

We report on the spatial and temporal signaling properties of a yeast pheromone-based cell communication and amplifier system. It utilizes the Saccharomyces cerevisiae mating response pathway and relies on diffusion of the pheromone α–factor as key signaling molecule between two cell types. One cell type represents the α–factor secreting sensor part and the other the reporter part emitting fluorescence upon activation. Although multi-cellular signaling systems promise higher specificity and modularity, the complex interaction of the cells makes prediction of sensor performance difficult. To test the maximum distance and response time between sensor and reporter cells, the two cell types were spatially separated in defined compartments of agarose hydrogel (5 ´ 5 mm) and reconnected by diffusion of the yeast pheromone. Different ratios of sensor to reporter cells were tested to evaluate the minimum amount of sensor cells required for signal transduction. Even the smallest ratio, one α–factor-secreting cell to twenty reporter cells, generated a distinct fluorescence signal. When using a 1:1 ratio, the secreted pheromone induced fluorescence in a distance of up to four millimeters after six hours. We conclude from both our experimental results and a mathematical diffusion model that in our approach: (1) the maximum dimension of separated compartments should not exceed five millimeters in gradient direction; and (2) the time-limiting step is not diffusion of the signaling molecule but production of the reporter protein.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons poursuivi le développement et l'automatisation d'un amplificateur chimique avec lequel nous avons ensuite effectué des mesures de radicaux peroxyles (RO2) en atmosphères réelle et simulée afin de mieux comprendre les processus d'oxydation atmosphérique. Dans un premier temps, des expériences en laboratoire ont permis de confirmer l'effet inhibiteur de la vapeur d'eau sur la longueur de chaîne de l'amplificateur chimique, qui est une technique de mesures des radicaux peroxyles, utilisée au LCSR. Nous avons montré que la diminution de longueur de chaîne pouvait s'interpréter par les effets combinés d'une augmentation de la perte de HO2 aux parois de l'amplificateur en présence de H2O et de perte de HO2 en phase gazeuse par une voie minoritaire de la réaction NO + HO2 formant HNO3. Cette réaction a été étudiée au moyen de la technique du réacteur turbulent couplé à un spectromètre de masse à ionisation chimique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié la photooxydation du formaldéhyde après avoir couplé l'amplificateur chimique à la chambre de simulation atmosphérique du LISA de Créteil. Cette étude nous a permis de déterminer des valeurs réalistes des constantes de photolyse des voies radicalaire et moléculaire de HCHO et de la constante de décomposition thermique à 298K de l'adduit HOCH2O2 formé par réaction de HO2 avec HCHO, montrant ainsi la présence des mesures de radicaux peroxyles effectués. Dans un troisième temps, nous avons participé à la campagne de mesures de terrain, ESCOMPTE, au cours de laquelle nous avons mesuré en continu sur le site de Dupail les concentrations de RO2, NO, NO2 et ozone. Les concentrations mesurées sont typiques d'un site rural. Grâce à ces mesures et à celles effectuées par d'autres équipes, nous avons déterminé des taux de production d'ozone par la méthode du bilan radicalaire. Les résultats ont montré que la production photochimique locale était importante sur le site de Dupail et contrôlée essentiellement par les oxydes d'azote (NO, NO2) caractérisant un site éloigné des zones d'émissions.

CueO is a multicopper oxidase and catalyses the four-electron reduction of dioxygen to water and functions to protect Escherichia coli against copper-induced toxicity. The mechanism of oxygen reduction in multicopper oxidases has been well studied, but the key structures of the reaction intermediates are not known. A combination of kinetic measurements, mutagenesis and X-ray crystallographic studies were conducted to entrap and structurally characterize the reaction states in CueO. CueO has a methionine-rich insert and a labile copper binding site, two features found only in multicopper oxidases involved in copper detoxification. The role of these features in CueO activity has been investigated. In a separate study, a simple mathematical model based on infectivity amongst clustered receptors was developed to explain the chemotactic sensitivity, response range and other key features of chemotaxis.This study describes the successful entrapment of three out of four functional states in CueO. The crystal structures of these reaction states are presented. Using single-turnover oxygen reduction kinetics that were measured using a stopped-flow device, the optical absorption features of three different fully oxidized forms of CueO were captured: the native intermediate, the resting oxidized state and another intermediate lying between them. Stopped-flow studies combined with electron transfer kinetic measurements revealed a role of the conserved residue, E506, in either the protonation of the native intermediate or the release of water molecules formed as a product of the reaction.Cu(I) and Ag(I) bound crystal structures of CueO were determined revealing three binding sites along the methionine-rich helix used by both metal ions. The labile, regulatory copper site in CueO was shown to be a Cu(I) susbtrate oxidation site. Ag(I) was shown to be a potent inhibitor of all CueO activities in vitro and copper detoxification by the cue system in vivo. The cus system was discovered to be necessary for removing Ag(I) inhibition of copper detoxification by the cue system. These results provide further insights into the role of CueO in copper detoxification and the effect of silver on the detoxification mechanism.

Signal Amplification by Reversible Exchange (SABRE) is a hyperpolarization technique that utilizes parahydrogen for the NMR signal enhancement of nuclear spins. SABRE is related to Parahydrogen Induced Polarization (PHIP), another means of hyperpolarization using parahydrogen; PHIP achieves hyperpolarization via chemical reduction. Although PHIP and SABRE share many similarities in experimentation, PHIP ultimately requires the presence of an unsaturated chemical bond as well as pairwise-addition of parahydrogen. No permanent chemical change occurs during SABRE, and instead may be considered as a merely physical exchange between molecules with sites on a catalyst. PHIP and SABRE may be compared to Dynamic Nuclear Polarization (DNP), arguably the most well-known and researched method for hyperpolarization; despite all that has been achieved with DNP, PHIP and SABRE offer vastly more-rapid, less-expensive, and more-simplified approaches for achieving hyperpolarization. The focus of this work is experimentation with SABRE processes and methods designed to overcome certain experimental challenges associated with this technique.

Many of today’s methods for the detection of biomolecules suffer from a high limit ofdetection due to poor signal generation upon recognition of target. By applying andoptimizing proximity ligation assay (PLA) in Western blotting (WB), the limit of detectionhas been lowered down to the picomolar range. In this report I have optimized the differentparameters that affect the signal generation and explored possibilities to increase the ease ofuse, by merging protocol steps and performing signal generating reactions at roomtemperature.

Contrôler les forces supramoléculaires et chirales a toujours été un défi pour la communauté scientifique. Dynablocks sont amphiphile basés sur des liaisons covalentes réversibles (imine) qui, dans l’eau, s’auto–assemblent en mésophases. Avec un nouveaux aldéhydes chargés et avec divers types d'amines (pKa et chaînes de PEG variables) dynablocks chargées ont été utilisés pour ajuster les surfaces micellaires (inversion noyau/coquille). Nous avons également étudié les propriétésd'auto-réplication (autopoiesis) et leur intérêt pour les premiers réplicateurs de la Terre prébiotique. Dynablocks non chargés ont plutôt été utilisés pour l'étude des structures à haute concentration et pour l’amplification chirale. Dans ce dernier,peptides amphiphiles dynablocks agissaient comme gelators avec une matrice formée d’un réseau 3D entrelacé. Une torsion supramoléculaire a été observée et une amplification chirale au niveau de la morphologie des structures a pu être détectée par AFM et TEM
Taking the control over supramolecular and chiral forces has always been a challenge for the scientific community. Dynablocks are amphiphiles based on reversible imine covalent bond that, in water, self-assemble in mesophases. With a new charged aldehyde, charged dynablocks were used to tune the surface of the assemblies directing the charged heads inward or outward, changing the PEG units and the pKa of the amines. Moreover, we continued the study on focusing the interest on self-replicating properties (autopoiesis), topic that provides insights for the first replicators that could have appeared in the prebiotic Earth. Non-charged dynablocks were instead employed for the study of structures in high concentration and for chiral amplification. In this latter, peptide amphiphilic dynablocks acted as gelators with a typical 3D intertwined network matrix. A supramolecular twist was observed and a chiral amplification in the structures morphologies was detected in AFM and TEM pictures

The article deals with the development and investigation of a system for recording, amplifying and processing weak evoked potentials in liquid biological matrix. The main attention is paid to the study of the parameters of this system.

Les alcools tertiaires et les centres quaternaires chiraux sont des motifs importants. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces motifs en s’appuyant sur un dédoublement cinétique indirect organocatalysé par une isothiourée chirale. La stratégie s’est décomposée en deux étapes stéréosélectives : 1) la construction diastéréocontrôlée de substrats racémiques diols secondaires-tertiaires et d’alcools secondaires présentant un stéréocentre quaternaire adjacent, puis 2) le dédoublement cinétique de l’alcool secondaire contrôlant ainsi indirectement le centre adjacent qui est soit un alcool tertiaire soit un centre quaternaire de manière. Cette stratégie indirecte, en rupture avec les études précédentes, a montré son efficacité de par sa généralité, sa simplicité de mise en œuvre, n’ayant à distinguer que deux groupes fonctionnels. D'autre part, en appliquant un effet d’amplification d’énantiosélectivité sur le dédoublement cinétique de diols, nous avons travaillé à l’obtention de stéréotriades optiquement actives. Avec cette approche, plusieurs briques moléculaires ont pu être obtenues avec une excellente énantiopureté contrôlant la stéréochimie de centres fluorés tétrasubstitués, mais également des stéréotriades et une stéréopentade. Enfin, il a pu être montré que des motifs flavonoïdes optiquement actifs pouvait être obtenus en combinant le double dédoublement cinétique avec une substitution aromatique ouvrant des perspectives synthétiques vers de nouvelles familles de molécules biologiquement actives
Chiral tertiary alcohols and quaternary stereocenters are important moieties widespread in natural products and pharmaceuticals, their enantioselective construction is therefore pivotal. During this thesis, we focused our interest on these motifs using an isothiourea-catalyzed indirect kinetic resolution. The strategy was decomposed in stereoselective two-steps sequence: 1) diastereocontrolled preparation of racemic substrates, secondary-tertiary diols and secondary alcohols bearing quaternary stereocenter, then 2) a kinetic resolution of the secondary alcohol indirectly controlling the adjacent center which is either a tertiary alcohol or either quaternary center. This indirect strategy, different from the previous studies, demonstrated its efficiency, its generality and its simplicity, by the discrimination of only two functional groups.On the other hand, by applying amplification of enantioselectivity on kinetic resolution of diols, we worked on enantioselective preparation of stereotriads. With this approach, several building blocks were obtained in a high level of enantioselectivity controlling the stereochemistry of fluorinated tetrasubstituted centers, of stereotriads and of a stereopentad. Finally, a straightforward access to flavonoïds was established combining the double kinetic resolution with an intramolecular nucleophilic aromatic substitution opening interesting synthetic perspectives towards a family of bioactive molecules

Les radicaux peroxydes RO2 (avec R = H ou CxHy) jouent un rôle important dans les cycles de photo-oxydation ayant lieu dans la troposphère. Ils sont produits principalement par l’oxydation des hydrocarbones et du monoxyde de carbone par les radicaux OH suivi de la réaction avec O2. Ils peuvent réagir avec NO pour former du NO2 qui est une source importante d’ozone troposphérique. Pour comprendre les mécanismes de génération de l’ozone troposphérique, des mesures précises et reproductibles des concentrations des radicaux peroxydes sont essentielles. A cela, des études de cinétiques, comme la mesure du temps de vie des radicaux peroxydes, sont nécessaires. Des études récentes ont montré des différences importantes entre les concentrations de radicaux peroxydes mesurées en air ambiant et celles calculées grâce aux modèles de chimie atmosphériques. Ceci peut être dû à des chemins réactionnels manquants et à l’incertitude sur les constantes de vitesses. Deux nouvelles techniques ont été développées afin d’examiner ces différences. La première technique permet la mesure sélective des radicaux HO2 et RO2 par la technique PERCA. Les radicaux HO2 sont ôtés sélectivement en utilisant un « glass denuder ». La seconde technique a pour but la mesure de la vitesse totale de disparition des radicaux HO2 dans l’atmosphère en utilisant la combinaison de la photolyse laser avec la FIL pour la détection de HO2. Les radicaux HO2 générés par photolyse laser réagissent avec les espèces réactives présentes dans l’air ambiant comme les NOx. La vitesse de disparition de HO2 est mesurée en utilisant la FIL à 308 nm après conversion chimique des HO2 grâce à l’ajout de NO
Peroxy radicals RO2 (with R = H or CxHy) play an important role in the photo-oxidation cycles of the troposphere. They are produced mainly via the atmospheric oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide by OH radicals and subsequent reactions with O2. They can further react with NO to produce NO2, witch is an important reaction of tropospheric ozone generation. To understand the mechanism of this tropospheric ozone generation, precise and accurate measurements of ambient peroxy radical concentrations are essential. And not only atmospheric concentration measurements but also atmospheric kinetics studies such as lifetime measurements of peroxy radicals are necessary. Recent publications show big differences between measured peroxy radical concentrations and those calculated with chemical models. These could be caused by missing reaction pathways and uncertainties in reaction yields and rate constants. To investigate these missing reactions and the uncertainties in known peroxy radical reactions via ambient measurements, newly developed two instruments as described below are applied. One is a technique for the selective measurement of atmospheric peroxy radical concentrations of HO2 and RO2 using the PERCA technique. HO2 radicals are selectively removed by using a glass denuder to achieve the selective measurement. The other one is a technique for total HO2 loss rate measurement in the atmosphere by using laser-flash photolysis and LIF detection of HO2. Generated HO2 radicals by laser-flash photolysis react with ambient reactive species such as NOX in the reaction tube. HO2 loss is measured using LIF at 308 nm coupled with chemical conversion with NO

L'optimisation de l'injection du carburant dans un moteur automobile sous la forme d'un spray consiste à augmenter la surface d'échange entre le carburant et l'air, essentiels à la combustion. La mesure de la granulométrie d'un spray permet de caractériser le comportement des sprays. Certains systèmes font l'hypothèse que les gouttes sont sphériques, ce qui n'est pas toujours le cas. Un sytème de mesure par imagerie a été développé dans cette étude, qui permet de s'affranchir de la connaissance de la forme de la goutte. Une procédure d'étalonnage du système a été mise en place à partir d'un modèle d'imagerie développé au laboratoire. Celui-ci tient compte des paramètres de l'image de la goutte pour calculer sa taille et estimer son défaut de mise au point. L'étalonnage permet de définir rigoureusement un volume de mesure du système d'imagerie. La quantification de la forme des gouttes est réalisée par la détermination de paramètres morphologiques sur les images de gouttes. Des modèles d'objets de forme proche de celles que l'on peut rencontrer lors du processus de rupture du liquide sont utilisés, de façon à associer des régions dans l'espace des paramètres de forme aux familles de formes particulières d'éléments liquides (ligaments, sphères, ovoïdes. . . ) La vitesse des gouttelettes est aussi mesurée à partir des images. La méthode utilisée est le suivi de particules, qui consiste à apparier deux champs de particules aux instants t et t+dt. Le système ainsi développé est appliqué à la caractérisation de sprays d'injecteurs essence haute et basse pression. Les mesures du système d'imagerie sont comparées avec celles obtenues par un granulomètre par diffraction et un Analyseur de Particules Phase Doppler. Une attention particulière a été portée sur les volumes de mesure de chaque technique pour comparer la granulométrie de chaque échantillon de gouttes. Un bon accord est obtenu entre les trois techniques. La caractérisation morphologique permet de compléter l'analyse granulométrique et ainsi d'étudier les processus de rupture rencontrés dans ces sprays
In many industrial applications, a given mass of a liquid is sprayed by an injector in a carrier gas in order to optimize the combustion by increasing the liquid-gas interface area. The characteristics of a spray are often given by the measurement of the drop size distribution. The underlying hypothesis is that all liquid elements are spherical. Of course, this case is not the rule and could only occur at end of the evolution of the spray. We develop in this study a shadow imaging system to measure the drop size independently from the drop shapes. A calibration procedure is described, based on an imaging model developed in our laboratory. This model takes into account image parameters of the drop to measure his size and to estimate his level of defocus. The goal of this calibration procedure is to define the measurement volume of the imaging system. A tool based on the characterization of the shape of the drops is proposed. Morphological criteria are defined to classify droplets, which belong to different kind of shape families such as spherical, elliptical and Cassini oval families. The introduction of the Cassini oval family shows a better description of liquid elements during the atomization process. This original approach underlines a segmentation of the shapes between ligaments, spherical droplets or ovoids. The velocity of the droplets is also investigated with this imaging system. For that purpose, a method of Particle Tracking Velocimetry (PTV) has been developed. It consists in matching pairs of droplets in a couple of images recorded at two successive times. The imaging system have been used to characterize gasoline sprays produced gasoline injectors of indirect and direct injection types. The drop size is compared with those given by two other drop sizing techniques : a phase Doppler anemometer and a laser diffraction granulometer. Attention was paid on the differences in the measurement volumes of the different techniques in order to compare the drop sizes given by each technique

The sense of smell enables animals to detect myriads of different odors carrying information about the quality of food, the presence of pathogens, prey, predators, or potential mates. Olfactory sensory neurons (OSNs) in the nasal cavity are the interface of the main olfactory system with the external environment. The binding of an odorant molecule to specific olfactory receptors (OR) located in the cilia of these neurons triggers a transduction cascade that transduces the chemical signal into action potentials which travel along the axon of the OSNs to the olfactory bulb. Here, the odor information is processed and conveyed to higher brain centers, ultimately leading to the perception of smell. In this Thesis I studied the effect of two genetic manipulations on the firing activity of the OSNs: the ectopic overexpression of the inward rectifier potassium channel Kir2.1 and the deletion of the TMEM16b/Ano2 gene, that codes for the Ca2+- activated chloride channel TMEM16B. The overexpression of Kir2.1 reduces the excitability of the neurons, and when expressed in OSNs, mice show a general disorganization of the glomerular map in the olfactory bulb. Since spontaneous and sensory-evoked electrical activity play important roles in the formation of several sensory circuits, including the olfactory system, in the first part of this Thesis, I investigated how the spiking activity of mouse OSNs is influenced by the Kir2.1 overexpression, using loose-patch recordings from the OSNs knobs. I found that the overexpression of Kir2.1 caused a decrease in the spontaneous firing activity of OSNs but did not influence the evoked firing properties induced by odorant stimulation, indicating that the olfactory bulb disorganization was caused by a reduced spontaneous firing activity. Ca2+-activated Cl¯ current (CaCC) is an important component of the transduction current evoked by odor stimulation in OSNs. Binding of odorants to their specific receptor on the cilia of OSNs causes the activation of adenylyl cyclase with a relative increase of intracellular cAMP, activating cyclic nucleotide-gated (CNG) channels. Ca2+ entry through CNG channels increases the open probability of Ca2+-activated Cl- channels. The molecular identity of these channels has been elusive for a long time, but recently it has been shown that the olfactory CaCC are mediated by the membrane protein TMEM16B/Anoctamin2. However, the physiological role of olfactory CaCC is still unclear, and the first description of TMEM16B knockout (KO) mice reported no clear olfactory deficits. In the second part of this Thesis, I studied basal firing properties and stimulus-evoked responses with loose-patch recordings in OSNs from TMEM16B KO or WT mice. OSNs responded to a stimulus with a transient burst of action potentials. Responses of OSNs from TMEM16B KO mice showed an increased number of action potentials compared to responses from WT mice, both in OSNs expressing a random or I7 OR. The basal spiking activity of individual OSNs is correlated with the expressed OR that drives basal transduction activity. I measured a reduced basal activity in TMEM16B KO OSNs expressing the I7 OR compared to WT OSNs. Moreover, axonal targeting was altered and TMEM16B KO had supernumerary I7 glomeruli compared to WT. These results show that the expression of TMEM16B affects OSNs firing properties and contributes to the glomerular formation and refinement of I7-expressing OSNs in the olfactory bulb, suggesting a crucial role for TMEM16B in normal olfaction.

Cette thèse porte sur une étude détaillée, théorique et expérimentale, des phénomènes paramétriques, de la diffusion Raman stimulée et de leurs interactions mutuelles, survenant lors de la propagation d'ondes électromagnétiques intenses dans les fibres optiques unimodales. Ce travail vise notamment à suggérer de nouvelles fonctions de traitement tout-optique pour les télécommunications par fibres optiques. Une partie importante du travail met à profit la forte biréfringence des fibres à maintien de polarisation pour réaliser l'amplification paramétrique (ou instabilité de modulation induite) de signaux impulsionnels dans le régime de dispersion normale. Une approche phénoménologique montre l'équivalence physique entre le mélange à quatre ondes et l'instabilité de modulation. L'amplification de la fluorescence paramétrique, à partir du bruit quantique, présente un gain quasi-exponentiel en fonction de la puissance de pompe alors que l'amplification d'un signal évolue selon une loi en cloche à cause du déphasage non linéaire induit par la pompe. Les résultats expérimentaux mettent en évidence cette dynamique en cloche et confirment la validité du modèle d'instabilité de modulation. En remplacement des sources impulsionnelles de puissance, une expérience supplémentaire utilisant des microlasers permet d'obtenir des gains supérieurs à 20 dB dans 20 m de fibre. Enfin l'étude des aspects temporels liés à l'amplification paramétrique par biréfringence révèle la génération de trains d'impulsions solitons noirs à des cadences supérieures au THz. Une partie complémentaire analyse le processus d'intermodulation de phase dégénérée dans une fibre biréfringente et permet de décrire les effets spectraux et temporels, liés à l'utilisation d'impulsions picosecondes, qui affectent la propagation des ondes sur les axes de polarisation de la fibre. Les effets combinés de l'intermodulation de phase et de la différence de temps de groupe provoquent des rétrécissements et des asymétries des spectres modulés ainsi que des modulations temporelles rapides, en comparaison avec la situation ou une impulsion est polarisée selon une ligne neutre. Cette comparaison permet de mesurer la biréfringence des fibres sur une grande dynamique (103) et une bonne précision (5%). Une expérience montre ensuite la possibilité de décaler en fréquence des signaux par in termodulation de phase dégénérée sur une plage de 0 à ± 0,3 nm. Le troisième volet étudie les effets de couplage entre le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman stimulée (DRS) en régime de dispersion normale pour réaliser de la conversion en longueur d'onde. Un signal picoseconde à la fréquence Raman anti-Stokes, injecté avec une impulsion pompe, induit la génération d'une impulsion Stokes par couplage paramétrique. La longueur de couplage, très faible, est cependant suffisante pour que l'amplification Raman Stokes prenne ensuite le relais, même très en dessous du seuil de DRS habituel. Cette méthode est originale puisqu'elle démarre sur un processus paramétrique complètement désaccordé en phase, mais assisté par l'amplification Raman Stokes et l'absorption anti-Stokes. Il permet ainsi une conversion/amplification tout-optique ultra-rapide de fréquences avec de très grands décalages spectraux (26 THz), normalement inaccessibles à la conversion paramétrique pure. Une application intéressante de ce procédé réside dans la possibilité de réaliser une conversion de longueur d'onde 1,3 Μm↑1,5 Μm entre les deux fenêtres spectrales des télécommunications. Bien que la diffusion Raman stimulée (DRS) dans les fibres optiques puisse être mise à profit pour un certain nombre d'applications, ce même processus peut être également source de pénalité en puissance et en débit dans les systèmes de télécommunications, notamment les transmissions multiplexées en longueur d'onde (WDM). Une méthode de contrôle et de suppression de la DRS est démontré à partir d'un champ de pompe multi-fréquences. Le mécanisme de suppression, basé sur l'antisymétrie spectrale de la susceptibilité Raman, est optimisé pour un écart entre les différentes composantes spectrales de pompe égal à deux fois le décalage Raman.. La suppression totale de la DRS est obtenue en déséquilibrant les puissances de pompe de manière à contrebalancer l'effet additionnel de cascade Raman des hautes vers les basses fréquences. Outre les implications potentielles de cette méthode dans les transmissions WDM, ce principe de suppression présente un intérêt pour augmenter les facteurs de compression dans les compresseurs d'impulsions à fibre.

Philosophiae Doctor - PhD
A highly dispersive gold nanoparticle-dotted 4-nitrophenylazo functionalised graphene nanocomposite (AuNp/G/PhNO2) was successfully synthesised and applied in enhancing sensing platform signals. Three label-free electrochemical immunosensors for the detection of deoxynivalenol mycotoxin (DON) based on the systematic modification of glassy carbon electrodes (GCE) with AuNp/G/PhNO2 was effectively achieved. General electrochemical impedance method was employed for the sensitive and selective detection of DON in standard solutions and reference material samples. A significant increase in charge transfer resistance (Rct) of the sensing interface was observed due to the formation of insulating immune-complexes by the binding of deoxynivalenol antibody (DONab) and deoxynivalenol antigen (DONag). Further attachments of DONab and DONag resulted in increases in the obtained Rct values, and the increases were linearly proportional to the concentration of DONag. The three immunosensors denoted as GCE/PDMA/AuNp/G/PhNH2/DONab, GCE/Nafion/[Ru(bpy)3]2+/AuNp/G/PhNH2/DONab and GCE/Nafion/[Ru(bpy)3]2+/G/PhNH2/DONab have detection range of 6 – 30 ng/mL for DONag in standard samples. Their sensitivity and detection limits were 43.45 ΩL/ng and 1.1 pg/L; 32.14ΩL/ng and 0.3 pg/L; 9.412 ΩL/ng and 1.1 pg/L respectively. This result was better than those reported in the literature and compares reasonably with Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) results. The present sensing methodology represents an attractive alternative to the existing methods for the detection of deoxynivalenol mycotoxin and other big biomolecules of interest due to its simplicity, stability, sensitivity, reproducibility, selectivity, and inexpensive instrumentation. And they could be used to develop high-performance, ultra-sensitive electrochemiluminescence, voltammetric or amperometric sensors as well.

Le nouveau reacteur de taille plus petite permet de fonctionner avec une introduction des reactifs, une regulation de temperature, regulees de facon discontinue et repetitive. On etudie son automatisation a l'echelle du laboratoire et a l'echelle pilote. Trois reactions exothermiques et rapides sont analysees : preparation du benzoate de sodium a partir de l'acetophenone ou de benzaldehyde par oxydation, l'hydrolyse de l'ethyleneacetal du benzaldehyde, et une reaction de diels alder

This thesis describes the study of the thermal response of the pyroelectric material named lithium tantalate or LT (LiTaO3) in aid of this material's possible use for temperature measurement. The temperature range studied was between 5-99oC. The sensor was excited using a silicon rubber heater. The lithium tantalate sensor and the rubber heater were enclosed such that the temperature would reach steady state faster. The enclosure was a small insulated box in order to reduce any extraneous effects on the sensor. The output signal of the lithium tantalate sensor was then amplified by using four different amplifying circuits and the voltage output was studied. The amplifying circuits included Current Mode, double Current Mode, Voltage Mode, and a modified Wien Oscillator. Results demonstrated linear dependencies of the voltage output as a function of temperature for the Voltage Mode and the modified Wien Oscillator. Using the modified Wien Oscillator amplifying circuit the slope of the line a 2.1mV/oC and for the Voltage Mode the slope was 1mV/oC. For both cases it was found that the range for the standard deviation of the measurements was 0.5< The data showed that the lithium tantalate sensor could be used as a temperature measuring device for the range mentioned above. The resolution of the data is high enough to be able to be detected with modern measuring devices and the standard deviation is low enough to allow for such measurements. Moreover, the linear dependence of the data allows for accurate measurements at each temperature within the range.

Une étude numérique des suspensions diluées à base d'un fluide à matrice non newtonienne et de particules sphéroïdales rigides est réalisée. Un fluide de Carreau décrit la matrice non newtonienne. Le cas particulier des particules sphériques rigides est pris en compte. Ici, on simule un écoulement élongationnel uniaxial autour d'une sphère et on utilise l'homogénéisation numérique pour obtenir la viscosité apparente de la suspension diluée pour différents taux de déformation appliqués et différents exposants de dilution. Dans le régime newtonien, on obtient le fameux résultat d'Einstein pour la viscosité d'une suspension diluée de particules sphériques rigides. Dans le régime de la loi sur la puissance, on constate que la viscosité intrinsèque ne dépend que de l'exposant d'amincissement. En utilisant les résultats de la simulation, une modification du modèle de Carreau pour les suspensions diluées avec un fluide de matrice non newtonienne est proposée. Pour étudier l'influence de la forme des particules, une autre étude numérique est réalisée. En particulier, différents écoulements autour de particules sphéroïdales de différentes orientations sont simulés et une homogénéisation numérique est utilisée pour obtenir la viscosité intrinsèque de la suspension en fonction de la vitesse de déformation appliquée, de l'exposant d'amincissement et du rapport de forme. A partir des résultats, il est possible d'extraire les coefficients rhéologiques du modèle Lipscomb. Dans le régime newtonien, les résultats de simulation coïncident avec les prévisions de Lipscomb. Dans le régime de la loi de puissance, les coefficients rhéologiques dépendent fortement de l'exposant d'éclaircie. De plus, les résultats de la simulation indiquent que les coefficients rhéologiques dépendent en outre de l'orientation des particules en régime non linéaire
A numerical study of dilute suspensions based on a non-Newtonian matrix fluid and rigid spheroidal particles is performed. A Carreau fluid describes the non-Newtonian matrix. The special case of rigid spherical particles is considered. Here, a uniaxial elongational flow around a sphere is simulated and numerical homogenization is used to obtain the bulk viscosity of the dilute suspension for different applied rates of deformation and different thinning exponents. In the Newtonian regime the well-known Einstein result for the viscosity of a dilute suspension of rigid spherical particles is obtained. In the power-law regime it is found that the intrinsic viscosity depends only on the thinning exponent. Utilizing the simulation results a modification of the Carreau model for dilute suspensions with a non-Newtonian matrix fluid is proposed. To investigate the influence of the particle shape another numerical study is performed. In particular, different flows around spheroidal particles with different orientations are simulated and numerical homogenization is used to obtain the intrinsic viscosity of the suspension as function of applied rate of deformation, thinning exponent and aspect ratio. From the results it is possible to extract the rheological coefficients of the Lipscomb model. In the Newtonian regime the simulation results coincide with Lipscomb’s predictions. In the power-law regime the rheological coefficients depend strongly on the thinning exponent. Furthermore, simulation results indicate that the rheological coefficients additionally depend on the particle orientation in the non-linear regime

Une étude bibliographique préliminaire permet, dans un premier temps, de développer brièvement le rôle de second messager naturel joué au sein de la cellule par le D-myo-inositol-1,4,5-trisphosphate, puis, dans un second temps de situer ce travail dans le contexte général des synthèses d'inositols phosphate et d'analogues. Nous détaillons ensuite, dans la première partie, les résultats obtenus dans une synthèse énantiospécifique, présentant un caractère biomimétique, de deux analogues du produit naturel, désoxy en position 3. Cet objectif a été atteint en utilisant la réaction de carbocyclisation de Ferrier sur un dérivé de D-glucose. Les tests préliminaires d'activité biologique de ces composés nous ont amenés à envisager la synthèse de molécules dérivées perméantes, portant des groupements phosphates lipophiles. Cette partie s'achève par l'exposé des résultats obtenus dans ce domaine. La seconde partie est consacrée à la synthèse sous forme racémique, d'une série d'analogues conformationnellement bloqués. Puis, dans le but de confirmer des résultats obtenus en série 3-désoxy, nous avons préparé le myo-inositol-1,2,4-trisphosphate. Enfin, nous avons adapté la synthèse développée pour atteindre ces objectifs, à la préparation du fragment aminocyclitol d'un antibiotique : l'Hygromycin A.

Les modulations multiporteuse (de type OFDM) ont des formes d'onde à fortes fluctuations d'amplitude (PAPR pour Peak-to-Average Power Ratio). Ainsi, de nombreux travaux ont pour objectif de décrire mathématiquement ces fluctuations puis de proposer des solutions visant à les réduire. Parallèlement, les systèmes de télécommunications ont tendance à se diversifier et se complexifier. Ainsi, l'ajout d'une ou plusieurs antennes en émission (MIMO) va modifier la configuration du signal reçu et donc son PAPR. La présence d'un amplificateur non linéaire (LNA) en réception impose alors de quantifier la valeur du PAPR.
L'objectif de cette thèse est de décrire le PAPR à la réception en prenant en compte l'influence des modifications du signal : filtrage de mise en forme, transposition RF et canal de propagation. Cette étude a été menée dans des contextes SISO puis MIMO, chacun d'entre eux étant décliné sous les aspects mono puis multiporteuse. Ensuite, deux méthodes de réduction du PAPR ont été proposées.

Ces travaux se situent dans le cadre de la recherche de nouveaux pièges à superoxyde et de l'étude de leurs propriétés. Nous avons tout d'abord synthétisé trois nouvelles nitrones linéaires portant un ou deux groupements ethoxycarbonyle. Leur utilisation en milieu aqueux a montré qu'elles piégeaient efficacement divers radicaux carbones et oxygènes, y compris le superoxyde, mais conduisaient avec le radical OH à des adduits trop instables pour être détectés par RPE. La seconde partie de ce travail concerne exclusivement les aspects cinétiques du piégeage du superoxyde. Une nouvelle méthode a été élaborée, fondée sur une compétition entre la réaction de piégeage et la dismutation spontanée du superoxyde en milieu aqueux. Les courbes cinétiques sont obtenues après un traitement numérique du signal de RPE utilisant la décomposition en valeurs singulières (SVD) et une déconvolution par la méthode du pseudo-inverse. Leur simulation permet d'obtenir des valeurs fiables de KP, constante de vitesse de piégeage du superoxyde. L'application de cette méthode à une série de dix composés a montré que l'EMPO (2-éthoxycarbonyle-2-méthyl-3,4-dihydro-2H-pyrrole-1-oxyde) et de la DEPO (2,2-diéthoxycarbonyl-3,4-dihydro-2H-pyrrole-1-oxyde) sont à ce jour les pièges du superoxyde les plus efficaces à pH 7,2.

L'objectif de cette recherche est la conception de capteurs-émetteurs et la réalisation d'un ensemble de télémesure spécialement adapté aux handicapés moteurs. Cet appareillage installé dans deux cannes et des semelles, assiste le patient au cours de la rééducation. L'objectif premier est de déterminer la force d'appui exercée sur la canne afin de pouvoir contrôler l'amplitude de la contrainte mécanique en rééducation. Les différentes étapes de conceptions et de réalisations du système sont analysées. à toutes ces réalisations, des solutions sont apportées pour résoudre les problèmes d'émission et de réception du signal issu des capteurs et en particulier à ceux de l'amplification, du filtrage et de l'adaptation de l'antenne. L'analyse, l'interprétation, la méthodologie et la précision des signaux reçus sont exposées à l'aide de graphes