Heuristic approach to take up the challenge of terahertz time-domain spectroscopy for biology. Approche heuristique pour relever les défis de la spectroscopie terahertz dans le domaine temporel pour la biologie

Archive ouverte : Thèse

Lavancier, Melanie

Edité par HAL CCSD

There is growing interest for the terahertz (THz) frequency domain because of its particular properties. Because it is located at high frequencies for 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 or in astronomy. Since this radiation is non-ionizing, another field of interest is biology. These last two decades have seen the rise of published papers 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 THz community on the experimental or data analysis protocols to implement. This thesis proposes a reliable 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 in vivo conditions for biological samples. Indeed, we were 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 its structure. Furthermore, we made it possible for smaller samples, either in size or in quantity, to be analyzed as well thanks to our butterfly device. Our data analysis solution is neither perfect nor optimal. 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 hope that this leads the way to a better understanding and more intricate experiments with {THz time-domain spectroscopy for biology. . 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, ce qui crée de nombreuses applications pour les télécommunications. De plus, de par la faible énergie du photon THz, il y a des applications dans des domaines variés tels que la sécurité, le contrôle non-destructif dans l'industrie, ou l'astronomie. Puisque ce rayonnement est non ionisant, un autre domaine d'application est la biologie. Le nombre de papiers 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 TeraHertz à 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 propose un protocole de "fit" (ou d'ajustement des données) dans le domaine temporel fiable, 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 sa structure. En outre, nous avons rendue possible l'analyse de petits échantillons, que ce soit en taille ou en quantité, grâce à notre dispositif appelé "papillon". Notre solution d'analyse des données n'est ni parfaite ni optimale. 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 de plus complexes expériences sur les échantillons biologiques grâce à la spectroscopie TeraHertz à domaine temporel.

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