Thèse – Approche heuristique pour relever les défis de la spectroscopie TeraHertz dans le domaine temporel pour la biologie

Mélanie Lavancier

Soutenance de thèse : 15 octobre 2021 à 10h

Amphitheater of the IEMN - Central Laboratory - Villeneuve d'Ascq

Jury :

– Frédéric GARET, Professeur des Universités, IEMP-LAHC, rapporteur
– Guilhem GALLOT, Directeur de recherche, LOB, rapporteur
– Dominique COQUILLAT, Directrice de recherche, L2C, examinatrice
– Sophie ELIET BAROIS, Ingénieur de recherche, IEMN, examinateur
– Romain PERETTI, Chargé de recherche, IEMN, encadrant de thèse
– Jean-François LAMPIN, Directeur de recherche, IEMN, directeur de thèse

Résumé :

Le domaine TeraHertz (THz) est de plus en plus attractif grâce à ses propriétés particulières. Il se situe à la limite haute des fréquences pour l’électronique et entre naturellement en jeu pour de nombreuses applications en télécommunications. De plus, la faible énergie du photon THz le rend non ionisant, ce qui crée des applications dans des domaines variés tels que la sécurité, le contrôle non-destructif dans l’industrie, ou la conservation d’art. Un autre important domaine d’application est la biologie.
Le nombre d’articles publiés dans la littérature ces vingt dernières années n’a fait qu’augmenter, ce qui a été rendu possible par les avancées sur les dispositifs de spectroscopie THz dans le domaine temporel. De nombreuses études ont été réalisées sur des sucres, des solvants, ainsi que sur de l’ADN et des protéines. Cependant, il n’y a toujours pas de consensus dans la communauté THz concernant les protocoles expérimentaux et d’analyse des données à implémenter.
Cette thèse expose trois avancées dans cette direction. Tout d’abord, elle présente un protocole de « fit » (ou d’ajustement des données) dans le domaine temporel fiable et quantitatif, ainsi qu’un critère de comparaison, ce qui permet une plus grande confiance dans les résultats obtenus et de les comparer à la théorie. Nous pouvons donc avancer et analyser des échantillons toujours plus complexes, de manière à être de plus en plus proche des conditions in vivo pour les échantillons biologiques. En effet, j’ai pu fournir de nouvelles perspectives à l’analyse de l’eau liquide, qui est un sujet phare depuis les débuts de la spectroscopie TeraHertz à domaine temporel, et sur l’influence des ions et des protéines sur la structure de son réseau. En outre, nous avons rendu possible l’analyse de petits échantillons, que ce soit en taille ou en quantité, grâce à notre dispositif appelé « papillon ».
Les protocoles ainsi que le logiciel de fit peuvent encore être améliorés, mais ils ont permis de fournir des résultats fiables et donnent un critère pour la comparaison d’information. Nous espérons que ce travail ouvrira la voie à une meilleure compréhension et à de plus complexes expériences sur les échantillons biologiques grâce à la spectroscopie TeraHertz dans le domaine temporel.

Abstract:

There is growing interest for the terahertz (THz) frequency range due to several specificities. Located at the highest frequencies reached in electronics, there are applications for faster data bit rate in telecommunications. Moreover, due to the low energy of the photons, there are also applications in security, non-destructive monitoring for the industry and art conservation. Since this radiation is non-ionizing, another field of interest is biology.
These last two decades have seen the rise of published articles in the literature, made possible by the advances in terahertz time-domain spectroscopy setups. Many studies have been conducted on sugars, solvents, and even DNA and proteins. However, there is still no consensus in the Terahertz (THz) community on the experimental or data analysis protocols to implement.
This thesis displays three advances towards this direction. First, it presents a reliable and quantitative time-domain fitting process with a comparison metric that makes it possible to trust the results obtained and compare them to the theory. This enables us to move forward and analyze more and more complex samples, to come closer to in vivo conditions for biological samples. Indeed, I was able to provide more insight on the analysis of liquid water, which has been a great topic of interest since the beginning of THz time-domain spectroscopy, and on the influence of ions and proteins on the structure of its network. Furthermore, we made it possible for smaller samples, either in size or in quantity, to be analyzed as well thanks to our butterfly device. The protocols as well as the fitting software can still be improved, but they provide trustworthy results and give a criterion for comparison of data. We foresee that this will lead the way to a better understanding and more intricate experiments with THz time-domain spectroscopy for biology.