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Biological samples are extremely complex molecular systems. Indeed, their molecular microstructure can be very intricate and heterogeneous. Thus, the analysis of such samples requires analytical techniques providing a high spatial resolution and information on the chemical composition at a molecular level. To this end, the use of multimodal imaging is a promising avenue as it may provide solutions to overcome the limitations of single techniques. The project is devoted to the investigation of multimodal molecular imaging combining vibrational spectroscopy and mass spectrometry, for the study of biological samples, which is of particular interest in the fields of life science, medicine and environment. We first investigated the fundamental desorption/ionisation processes taking place in Surface-Assisted Laser Desorption/Ionisation Mass Spectrometry (SALDI-MS) using various nanoparticles as substrates and p-methoxybenzylpyridinium salt. The amount of detected ions and the observed survival yield in SALDI was found significantly different to what was observed in MALDI. SALDI led to more fragmentation than MALDI, which may complicate the interpretation of SALDI data. We also implemented classical Raman spectroscopy, Surface-Enhanced Raman spectroscopy, MALDI-MS and SALDI-MS imaging on two kinds of biological tissues: a model tissue of mouse brain and a bacterial biofilm. Critical experimental aspects, related to sample preparation, spectral data acquisition and data treatment leading to the generation of molecular images are discussed. Les échantillons biologiques sont des systèmes moléculaires extrêmement complexes. En effet, leur microstructure moléculaire peut être très complexe et hétérogène. Ainsi, l'analyse de tels échantillons nécessite l’utilisation de techniques d'analyse offrant une haute résolution spatiale et des informations sur la composition chimique au niveau moléculaire. Ainsi, l’utilisation de l’imagerie multimodale semble prometteuse dans la mesure où elle pourrait apporter des solutions pour surmonter les limites propres à une seule technique. Le projet est dédié à l’application de l'imagerie moléculaire multimodale, combinant spectroscopie vibrationnelle et spectrométrie de masse, pour l'étude d'échantillons biologiques, ce qui présente un intérêt particulier dans les domaines des sciences de la vie, de la médecine et de l'environnement. Nous avons d’abord étudié les processus fondamentaux de désorption/ionisation se déroulant en spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par surface (SALDI-MS) en utilisant diverses nanoparticules comme substrats et un sel de p-méthoxybenzylpyridinium. La quantité d'ions détectés et le taux de survie des ions observés en SALDI sont significativement différents de ceux observés en MALDI. Les processus SALDI entrainent également plus de fragmentation qu’en MALDI, ce qui peut compliquer l'interprétation des données SALDI. Nous avons également utilisé l’imagerie par spectroscopie Raman classique, spectroscopie Raman exaltée de surface, MALDI-MS et SALDI-MS sur deux types de tissus biologiques: un tissu modèle de cerveau de souris et un biofilm bactérien. Les aspects expérimentaux critiques liés à la préparation des échantillons, à l’acquisition des données spectrales et au traitement des données conduisant à la génération d’images moléculaires sont discutés dans ce mémoire.

Raman Spectroscopy --- SERS --- MALDI-MS --- SALDI-MS --- Mass Spectrometry --- Nanoparticles --- Biofilms --- Biological samples --- Molecular imaging --- Physique, chimie, mathématiques & sciences de la terre > Chimie

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Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) coupled to high-resolution time-of-flight mass spectrometer (HRTOFMS) has been used to perform non-recreational cannabis strains differentiation. The sampling method, based on dynamic headspace and thermal desorption (TD), has been optimized to maximize volatile organic compound (VOC) collection. Volatile profiles of nine cannabis flowers were collected at room temperature using thermal desorption tubes. Terpenes and other specific volatile compounds emitted by the flowers have been used through advanced data analysis. Different data pre-treatments have been investigated on raw data prior to statistical analysis. Principal component analysis (PCA) has been used to visualize the impact of pre-processing. Based on the selected data treatment, five strains out of the nine were selected for strain differentiation. Furthermore, the global chemical classes repartition, odor profile, and medical effects of strains were investigated. Major compounds listed in literature have been successfully identified by the HRTOFMS, using the combination of specific fragmentation and high mass accuracy to increase the confidence in compounds identification. In conclusion, strains have been separated upon PCA results, which has shown also its potential to differentiate cannabis subspecies. Moreover, compound investigation has shown similar profile of aromas with different major flavors in different strains and has shown different medical compound amounts proving the medical potential of cannabis-based products uses. La chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle (GC×GC) couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol à haute résolution (HRTOFMS) a été utilisée pour différencier des fleurs de cannabis à usage non-récréatif. La méthode d’échantillonnage, basée sur l’échantillonnage dynamique de l’espace de tête et sur la désorption thermique (TD), a été optimisée afin de maximiser la collection de composés organiques volatils (COVs). Les COVs de neuf fleurs de cannabis ont été récoltés à température ambiante à l’aide de tubes de désorption thermique. L’analyse des données s’est basée sur le profil des terpènes et autres composés volatils des fleurs. Des pré-traitements des données ont été effectués avant leurs analyses statistiques. L’analyse par composante principale (ACP) a été utilisée afin de visualiser l’impact du pré-traitement sur les données. A partir des données sélectionnées après le pré-traitement, cinq fleurs sur les neufs ont été sélectionnées en vue de les différencier. La répartition globale des classes de composés chimiques, le profil des odeurs et des effets médicaux des fleurs ont également été étudiés. Les composés majeurs référencés dans la littérature ont été identifiés par la HRTOFMS qui confère une haute précision de la masse et une plus grande certitude dans l’identification des composés. En conclusion, les fleurs ont été séparées selon leurs résultats d’ACP. Celle-ci a montré son potentiel pour différencier les sous-espèces de cannabis. De plus, l’analyse des composés a montré des profils d’odeurs similaires, avec des arômes majoritaires dans les différentes fleurs. Elle a aussi montré la présence de composés médicinaux, montrant le potentiel médical des produits basés sur le cannabis.

Comprehensive two-dimensional gas chromatography --- Cannabis --- Volatile organic compounds --- Thermal desorption --- High resolution time-of-flight mass spectroscopy --- Chromatographie gazeuse bidimensionnelle --- Cannabis --- Désorption thermique --- Spectroscopie de masse à temps de vol à haute résolution --- Composés organiques volatils --- Physique, chimie, mathématiques & sciences de la terre > Chimie