Ma thèse de doctorat

  • Qu’est-ce qu’une thèse de doctorat ?
  • Le contexte
  • Le sujet de la thèse
  • Réaction typique : « Hein ? » (explication du sujet)
  • Pour vous décontracter, rien de tel qu’un court résumé
  • Résultats (publications, conférences)
  • Rapport de la soutenance
  • Et pour conclure cette présentation comme il se doit…

Qu’est-ce qu’une thèse de doctorat ?

Il s’agit tout simplement du grade universitaire le plus élevé. Après avoir soutenu sa thèse de doctorat, le doctorant devient docteur. Ce grade ouvre les portes du domaine de la Recherche mais également de l’enseignement Supérieur (post-baccalauréat).

Durant le doctorat,

1. le doctorant travaille sur un sujet de thèse original dans un domaine très particulier nécessitant une investigation d’au minimum 3 ans (durée minimale et en théorie maximale en France). C’est un véritable travail de gestion de projet. Il passe par:

– une prise de connaissance et une synthèse de tout le travail déjà réalisé sur son sujet (la bibliographie);

–  l’élaboration d’un plan de travail sur plusieurs années comprenant une part d’expérimentation et de traitement des données;

– une partie critique des résultats: auto-critique dans un premier temps, synthèse et présentation ensuite aux membres de l’équipe de recherche et force de propositions de solutions et de poursuite des investigations;

la rédaction et la publication de résultats pertinents pour le domaine de recherche correspondant dans des revues spécialisées;

– la présentation des résultats sous forme orale ou de présentation de posters lors de conférences en lien avec le domaine de recherche.

Plus de détails sur ma thèse de doctorat ci-dessous (paragraphe débutant par « le contexte »).

2. le doctorant peu choisir d’être formé à l’enseignement au niveau supérieur en effectuant des missions d’enseignement en tant que moniteur d’initiation à l’enseignement supérieur. Pour une durée de 3 ans, il prend en charge des classes d’étudiants dans le cadre de leur travaux dirigés et pratiques à raison de 64h par an.

Voir mon expérience d’enseignement.

Le contexte

Fraîchement diplômé de l’Université de technologie de Troyes, je suis embauché en octobre 2009 au sein de l’Université Paris 13, plus précisément à l’UFR SMBH de Bobigny. Il s’agit d’une faculté de Médecine dans laquelle on trouve de nombreux médecins, biologistes, chimistes et une poignée de…physiciens. Un seul précisément dans l’équipe que j’intègre et qui ne sera autre que le professeur Marc Lamy de la Chapelle, mon directeur de thèse pour les 3 années qui suivirent.

Anecdote: 
Marc était en fait un ancien professeur chargé de m'instruire durant mon passage à
l'école d'ingénieur. Le premier jour de notre rencontre dans le cadre de la thèse, 
il m'a demandé de le tutoyer (modernité de l'approche de l'étudiant)... Il faudra
m'expliquer quel est ce syndrome étrange qui empêche tout étudiant normalement 
constitué de tutoyer son professeur dès le premier jour. Personnellement, je ne suis
pas comme ça, j'ai préféré attendre le 2ème rendez-vous...

J’intègre donc le laboratoire de Chimie, Structure, Propriétés de Biomatériaux et d’Agents Thérapeutiques (CSPBAT) et plus particulièrement l’équipe de Spectroscopies Biomolécules et Milieux Biologiques (SBMB). Dans une faculté de Médecine, le priorité absolue est donnée à la Recherche pour la…médecine. Vous l’aurez compris, mon physicien de directeur de thèse m’avait concocté un sujet mêlant la physique et…la médecine.

Sujet de la thèse

ScreenHunter_01 Mar. 20 18.08

Première page de la présentation de soutenance

Réaction typique: « hein ? »

Une introduction de manuscrit de thèse a l’avantage et surtout le rôle de replacer un sujet précis dans son contexte. En respectant un principe que je nomme « pyramide inversée » (marque non déposée), l’introduction commence par des notions générales et doit aboutir à la spécificité du sujet. L’introduction d’une thèse de doctorat a également une particularité: le temps consacré par son auteur à la façonner, la tâtonner, l’effacer et la recommencer, la recommencer et la recommencer (répétition voulue). Ce n’est donc pas sans une certaine fierté que je la retranscris ici afin de vous faire découvrir le fruit de 3 années de travail au sein de la Recherche.

Contexte générale

« Mieux vaut prévenir que guérir » : précaution et anticipation ! Couramment utilisé dans de nombreuses phases de la vie de tous les jours, cet adage invite tout aussi bien à la responsabilité de ses actes qu’à la détection précoce de difficultés afin de ne pas à avoir à en subir les répercussions.

Dans le domaine de la Santé, c’est ce qui permet de distinguer en partie les cultures occidentales et orientales. Certaines de ces dernières vont historiquement avoir tendance à se diriger vers des comportements préventifs afin d’éviter au mieux toute apparition de pathologies. La diététique chinoise en est un excellent exemple. Les comportements proactifs de l’Orient s’opposent ainsi aux comportements réactifs de l’Occident en matière de Santé. Le meilleur exemple d’aboutissement du comportement réactif de la Médecine occidentale a été bien entendu le développement de la Chirurgie, capable de réparer un corps ayant fait face aux aléas de la vie. Néanmoins, le développement de l’industrie pharmaceutique, la surconsommation des médicaments ainsi que leurs effets secondaires sont également issus de cette philosophie de « réaction ».

Vers le développement d’outils de prévention…

L’introduction de la prévention en termes de santé en Occident passerait donc par un changement massif des comportements de la vie de tous les jours appuyé par les progrès de la recherche scientifique. En effet, tandis que les efforts de recherche en termes de santé continuent à être menés pour le développement de traitements contre de nombreuses pathologies, une part de ces efforts est désormais dévolue à l’aspect préventif. L’idée est simple : si je suis capable de détecter une maladie à l’état de trace bénignes dans le corps, j’ai potentiellement plus de chance de pouvoir soit éviter qu’elle ne se développe ou soit de la traiter au plus tôt. Nous tenons donc, sur le papier, un concept extrêmement prometteur permettant, si ce n’est de guérir, de pouvoir améliorer l’efficacité des traitements ou de les alléger significativement (effets secondaires).

De plus, de nombreuses pathologies peuvent être détectées par l’intermédiaire de composés biologiques appelés biomarqueurs considérés comme étant des indicateurs de leur présence.Beaucoup d’entre eux, comme ceux représentant certaines maladies cardio-vasculaires et certains cancers, existent sous forme de protéine naviguant des les fluides corporels (sang, salive,…). On comprend alors que l’étape clé du concept préventif réside en la détection de ces protéines. Cependant, une détection à l’état de trace dans un milieu physiologique requière le développement d’outils de diagnostique extrêmement sensibles et spécifiques de la protéine recherchée.

Comment détecte-t-on ces protéines caractéristiques ?

Depuis plus de dix ans, des méthodes de détection « directes » (sans marqueurs de protéine permettant d’en démontrer indirectement la présence) se développent.

Celles basées sur l’exploitation des propriétés optiques des matériaux métalliques ont démontré leur capacité à concurrencer la méthode ELISA (de l’anglais enzyme-linked immunosorbent assay). Soumis à un rayonnement incident, les électrons d’un matériau métallique, naturellement peu liés aux noyaux des atomes, oscillent de manière collective créant ainsi une onde que l’on nomme plasmon. Cette onde peut être rencontrée, sous des conditions particulières, à l’interface entre le matériau métallique et son milieu environnant la qualifiant ainsi de plasmon de surface.

Un soupçon de nanotechnologie

Le choix particulier de travailler avec un matériau métallique de taille nanométrique empêche toute propagation de cette onde. On dit qu’elle est confinée et elle prend alors le nom de plasmon de surface localisé (PSL). D’une manière générale, ce dernier a la particularité de renforcer localement le champ électromagnétique incident. En revanche, il n’est que l’application d’une énergie de rayonnement incident strictement égale à celle du plasmon de surface localisé qui puisse donner lieu à la condition de résonance des plasmons de surface localisés (RPSL). On préférera alors parler d’exaltation locale du champ électromagnétique au lieu de « renforcement ». De part sa nature évanescente, celui-ci décroit exponentiellement en s’éloignant de la nanoparticule métallique. Cette exaltation locale du champ électromagnétique rend extrêmement sensible la nanoparticule métallique à toute variation dans son milieu environnant : le dépôt d’une protéine par exemple. Cette dernière peut alors être détectée de différentes manières :

  • (i) la présence de la protéine perturbe directement l’oscillation collective des électrons du métal. La longueur d’onde de RPSL est alors décalée. Ainsi, la mesure de ce décalage donne naissance au capteur par RPSL.
  • (ii) une grande famille de capteurs se base sur un phénomène d’interaction rayonnement-matière comme la fluorescence, la diffusion Raman ou l’absorption infrarouge, lesquels peuvent bénéficier de la forte exaltation local du champ électromagnétique. Ils donnent respectivement naissance aux capteurs par fluorescence exaltée de surface (FES), par diffusion Raman exaltée de surface (DRES) et par absorption infrarouge exaltée de surface (AIES).

Détecter à l’échelle de trace

L’utilisation de nanoparticules métalliques donne ainsi à cette famille de capteurs la possibilité de pouvoir détecter des protéines à l’échelle de traces de manière directe avec une possibilité de miniaturisation compte tenu de la taille réduite des nanoparticules.

Un capteur par Diffusion Raman Exaltée de Surface (DRES)

Dans le cas de la DRES, la nature de la détection directe vient de l’identification précise des fréquences de résonances des vibrations de chaque élément constituant la protéine observée et spécifique de celle-ci. En présence d’une nanoparticule métallique, ces informations (habituellement inaccessibles à l’état de traces du au faible rendement de la diffusion Raman) sont alors plus ou moins amplifiées en fonction de la proximité avec les conditions de résonance exposées précédemment.

Objectifs de la thèse

Le travail décrit dans ce manuscrit provient de la volonté de créer et d’optimiser l’efficacité de capteurs basés sur la RPSL.

Le premier chapitre permet de poser les bases précises concernant les PSL et de comprendre l’origine de l’exaltation du champ électromagnétique. Ces explications de bases s’étendront à la DRES et seront ponctuées par la description de la nanolithographie permettant le contrôle de la géométrie des nanoparticules métalliques et, par extension, le contrôle de la position de RPSL.

La position de RPSL conditionne l’exaltation locale du champ électromagnétique et sa variation affecte alors nécessairement l’efficacité de ces capteurs. Il devient alors intéressant de pouvoir identifier et contrôler les paramètres influençant ces variations. Cela donnera lieu au deuxième chapitre qui se focalisera notamment sur l’optimisation de la DRES par les mesures caractérisant les RPSL (champ lointain) et DRES (champ proche).

Un autre point très important concerne « l’allure » du champ électromagnétique local autour de la nanoparticule. Nous avons vu que son amplitude diminue de manière extrêmement rapide en s’éloignant de la surface de la nanoparticule. Par conséquent, un champ local fortement exaltant n’est en rien efficace s’il ne couvre pas la protéine à détecter. Le dernier chapitre est donc dévolu à l’étude du confinement du champ électromagnétique par la caractérisation de son amplitude, donnant au capteur sa sensibilité, et sa « portée », rendant ce même capteur sensible à une partie ou à l’intégralité d’une protéine.

Pour vous décontracter, rien de tel qu’un court résumé

Cette thèse s’inscrit dans le projet européen Nanoantenna ayant pour objectif le développement d’un nano-capteur optique (i.e. petit, voir très petit (nano) capteur dont l’information recherchée est véhiculée par des photons) en vue de détecter de manière précoce des pathologies.

Pour schématiser: Donnez-moi une goutte de votre sang et vous saurez si vous avez des traces de la maladie recherchée. Celle-ci peut donc être détectée suffisamment tôt pour être traitée efficacement. On s’imagine bien les répercussions qu’un tel outils pourrait avoir, en premier lieu, l’élimination d’effet secondaire de traitement où de médicaments pris à un stade plus avancé de la maladie.

Ce projet met en collaboration 12 partenaires européens et allie différentes spécialités: physique, chimie, biologie, médecine et industrie.

Pour ma part, j’interviens dans l’optimisation des performances de détection du capteur. Pour schématiser de nouveau, l’objet biologique représentatif de la maladie est déposé sur une nanoparticule métallique elle-même accroché à une surface de verre. Lorsque le métal est illuminé par un laser, un champ électromagnétique extrêmement intense entoure la nanoparticule métallique. Cela permet d’augmenter considérablement le signal caractéristique (nommé Raman) de l’objet à détecter. Or, du fait que la forme du métal modifie l’intensité du champ électromagnétique, il m’a fallu trouver les paramètres permettant de maximiser cette intensité.

Résultats

Publications – articles internationaux à comité de lecture (8)

N. Guillot, H. Shen, B. Fremaux, O. Péron, E. Rinnert, T. Toury and M. Lamy de la Chapelle, Surface enhanced Raman scattering optimization of gold nanocylinder arrays: Influence of the localized surface plasmon resonance and excitation wavelength, Applied Physics Letters 97, 023113 (2010)

C. David, N. Guillot, H. Shen, T. Toury and M. Lamy de la Chapelle, SERS detection of biomolecules using lithographed nanoparticles towards a reproducible SERS biosensor, Nanotechnology 21, 475501 (2010)

M. Lamy de la Chapelle, H. Shen, N. Guillot, B. Frémaux, B. Guelorget, T. Toury, New gold nanoparticles adhesion process opening the way of improved and highly sensitive plasmonics technologies, Plasmonics, DOI 10.1007/s11468-012-9405-x (2012)

M. Lamy de la Chapelle, N. Guillot, B. Frémaux, H. Shen, T. Toury, Apolar plasmonic nanostructures for sensing activities, Plasmonics, DOI 10.1007/s11468-012-9413-x (2012)

C. David, C. d’Andrea, E. Lancelot, J. Bochterle, N. Guillot, B. Fazio, O. M. Maragò, A. Sutton, N. Charnaux, F. Neubrech, A. Pucci, P. G. Gucciardi, M. Lamy de la Chapelle, Raman and IR spectroscopy of manganese superoxide dismutase, a pathology biomarker, Vibrational spectroscopy 62, 50 (2012)

H. Shen, N. Guillot, J. Rouxel, M. Lamy de la Chapelle and T. Toury, Optimized plasmonic nanostructures for improved sensing activities, Optics express 20, 21278 (2012)

D. Barchiesi, S. Kessentini, N. Guillot, M. Lamy de la Chapelle and T. Grosges, Localized surface plasmon resonance in arrays of nano-gold cylinders: inverse problem and propagation of uncertainties, Optics express 21, 2245 (2013)

N. Guillot, C. D’Andrea, A. Toma,P. Albella, R. P. Zaccaria, E. Di Fabrizio, J. Aizpurua, P. G. Gucciardi and M. Lamy de la Chapelle, Confinement effect of the Localized Surface Plasmons on the coupling of gold nanolithographied structures: Application to Surface Enhanced Raman Scattering, in preparation (2013)

Publications – Revues internationales à comité de lecture (2)

N. Guillot and M. Lamy de la Chapelle, The electromagnetic effect in Surface Enhanced Raman Scattering: Enhancement optimization using precisely controlled nanostructures, JQRST, in press (2012)

N. Guillot and M. Lamy de la Chapelle, Lithographied nanostructures as nanosensors, Journal of Nanophotonics 6, 064506 (2012)

Publications – Chapitre de livre (1)

N. Guillot and M. Lamy de la Chapelle, nanoantenna, EEEE, DOI: 10.1002/047134608X.W8184 (2012)

Conférences (11)

juillet 2010 : NN10 (Chalkidiki, GRECE): oral et poster

août 2010 : ICORS 2010 (Boston, ETATS-UNIS) : 3 posters

octobre 2010 : EOSAM 2010 (Paris, France) : oral et 2 posters dont 1 récompensé

mai 2011 : Molecular Plasmonics 2011 (Jenna, ALLEMAGNE): 2 posters (oraux courts)

septembre 2011 : ELS XIII (Taormina, ITALIE): oral

novembre 2011 : NanoSensorPhotonics (Dead sea, ISRAEL): 1 poster (oral court)

mars 2012 : GDR Or/Nano (Poitiers, FRANCE): oral et 2 posters

avril 2012 : META12 (Paris, FRANCE): oral

mai 2012 : EMRS – (Strabourg, FRANCE): oral et poster

juillet 2012 : ICN+T12 – (Paris, FRANCE) : oral

août 2012 : ICORS 2012 – (Bangalore, INDE) : 6 posters

Rapport de la soutenance

« Nicolas Guillot a présenté, durant sa soutenance de thèse, ses travaux concernant les propriétés optiques de nanostructures plasmoniques ainsi que leur optimisation en vue du développement de nanocapteurs dans le cadre du projet européen Nanoantenna auquel il a activement participé.

Au cours d’un exposé très clair et très pédagogique, Nicolas Guillot a su mettre en avant les nombreux résultats de son travail de thèse avec une grande maîtrise. Il a su mettre en perspective ces résultats pour présenter une réflexion transversale sur les phénomènes abordés et une approche globale sur un sujet complexe à l’interface entre plusieurs disciplines. Il a également pu apporter des perspectives en termes de développement instrumental et technologique démontrant par là même qu’il avait parfaitement su s’approprier son sujet. Il a su présenter les nombreuses interactions et collaborations à l’échelle nationale et internationale dont il a bénéficié montrant qu’il était capable de travailler en réseau.

Ce travail a suscité de nombreuses questions de la part des membres du jury auxquelles Nicolas Guillot a su répondre de manière pertinente démontrant sa capacité à analyser ses résultats et à prendre du recul vis à vis de son sujet de thèse.

Le jury lui décerne, à l’unanimité, le grade de Docteur de l’Université Paris 13 en physique avec la mention très honorable. Le jury tient également à féliciter le doctorant pour l’ensemble de son travail et la qualité de sa présentation. »

Et pour conclure comme il se doit cette présentation…

ScreenHunter_02 Mar. 20 18.09

Dernière page de la présentation de soutenance

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