THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE ED 388 Spécialité chimie analytique, physique et théorique Présentée par Vincent CUZUEL Pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie Développement d’une stratégie de caractérisation chimique de la signature odorante d’individus par l’analyse chimiométrique de données issues de méthodes séparatives multidimensionnelles. Thèse dirigée par M. Jérôme VIAL Soutenue le 2 octobre 2017 devant le jury composé de : Mme Valérie PEULON-AGASSE, Maître de conférences, Université de Rouen R a p porteur M. Serge RUDAZ, Professeur, Université de Genève, Suisse Rapporteur M. Frank CRISPINO, Professeur, UQTR, Canada Examinateur Mme Nadine VALLET, Docteur, ISIPCA, Versailles Examinateur M. Franck LAUNAY, Professeur, UPMC, Paris Examinateur M. Jérôme VIAL, Maître de conférences, ESPCI, Paris Directeur de thèse M. Didier THIEBAUT, Directeur de Recherche CNRS, ESPCI, Paris Membre invité Mme Isabelle RIVALS, Maître de conférences, ESPCI, Paris Membre invité M. Guillaume COGNON, IRCGN, Pontoise Membre invité M. François HEULARD, IRCGN, Pontoise Membre invité UMR Chimie, Biologie et Innovation 8231 CNRS/ESPCI Laboratoire Sciences Analytiques, Bioanalytiques et Miniaturisation Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la ville de Paris (ESPCI Paris) – Paris Sciences et Lettre, (PSL Research University, Paris) 10 rue Vauquelin 75231 Paris Cedex 05 Un grand merci … à l’ensemble des membres du jury pour avoir accepté d’examiner ce manuscrit. au Colonel Patrick Touron, directeur de l’IRCGN, et à Valérie Pichon, directrice du LSABM, pour leur accueil pendant ces trois années. à mes encadrants, Jérôme, Didier, Isabelle, François et Guillaume avec qui j’ai beaucoup appris pendant ces quelques années. Que ce soit compter les degrés de liberté, faire de beaux menus sur Matlab, ou naviguer dans les eaux politico-politiques… Guillaume, merci à toi pour ton soutien sans faille, ton implication dans ce projet audacieux et surtout ta grande disponibilité. à Aurélien et Lilia qui m’ont tout appris… sur la GC et la GC 2D pendant mes stages et au début de ma thèse. à Sophie et Roman avec qui j’ai eu la chance de travailler pendant leur stage, à Audrey qui a même voulu continuer après à dépouiller des chromatos (merci !), ainsi qu’à tous les membres du LSABM, et plus particulièrement les autres doctorants thésards Maud, Lorena, Sara, Julien, Thomas, Joachim, Manel. à Eglantine et Marion, les reines du post-it, sans qui cette troisième année de thèse n’aurait pas été la même. Les filles, travailler avec vous fut un plaisir, merci pour votre implication et votre bonne humeur, malgré les erreurs 38 à répétition et les déboires avec zazate. On ne compte plus le nombre de fois où il a fallu courir éteindre l’azote… à RMN (sans accent sur le « e ») pour son soutien et ses conseils toujours avisés (de films mais pas que !), son aide précieuse dans la constitution de mon « glossaire gendarmique », sa bonne humeur, son humour, et tant d’autres choses qu’il me faudrait des pages pour être exhaustif. Mon cher adjudant-chef, je ne peux que te redire merci pour tout. Une pensée particulière pour PRN et ABE, mes références « abréviation », PPVR et coachs CCPM, DCL pour la culture musicale (TPMG : Tout Pour Maître Gims, non ?), BFA pour m’avoir nourri de chocolats (mais pas pour les glaçons dans la carafe, il ne faut pas exagérer), SZN (bis) pour son aide et sa disponibilité, PLN (alias PNQ) pour les séances de natation et surtout la location du casier pour la brosse à dents, mais aussi à Gilles, Clarisse et à tous les membres du département ECX … au commandant Charles Sauleau pour son aide avec l’interprétation bayésienne. à l’ensemble des Techniciens en Identification Criminelle qui se sont prêtés au jeu et ont fait frotter des Sorbstars dans leur entourage. à l’adjudant Jean-Pierre Hubert et ses deux chiens, Dino et Eliot, avec qui j’ai eu la chance de travailler, pour ses retours d’expérience, ses anecdotes et sa disponibilité, au gendarme Patrick Lacoffrette pour ses retours d’expérience enrichissants. à nos collègues de l’ISIPCA, Cyrille Santerre, Hafida Fitah-Sellay et Nadine Vallet. à Karine Jacq pour son expertise ès GC. à Olivier Hoffarth pour son aide et sa disponibilité dans la conception des prototypes. à mes anciens colocataires, Gabriel, analyste financier spécialiste de la levée de fonds, Edouard, baroudeur des îles, et enfin Aurélien et Floriane, les nordistes, pour ces deux années passées près du parc de Sceaux. à Florian, un ami précieux, pour avoir frotté des Sorbstars sans relâche pendant son stage. Bientôt avec les barrettes… et enfin à mon frère David, à mes parents, à mes tantes et à toute ma famille qui m’ont toujours encouragé et soutenu. Avertissement au lecteur Cette thèse est rédigée comme une succession de plusieurs chapitres dont la plupart sont construits sur des publications dans des journaux scientifiques. Certaines parties de ce manuscrit seront donc en langue anglaise. Cela peut également entrainer quelques redondances, en particulier dans les introductions. Table des matières INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 1 CHAPITRE 1. BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................ 3 1.1 LES CHIENS ET LEUR UTILISATION EN GENDARMERIE ..................................................................................... 5 1.1.1 Choix du chien ........................................................................................................................ 5 1.1.2 Les spécialités ........................................................................................................................ 6 1.1.3 Les chiens et l’odeur ............................................................................................................... 8 1.1.3.1. Qu’est-ce que ça sent ? .................................................................................................................... 8 1.1.3.2. Un entraînement adapté .................................................................................................................. 9 1.1.4 Les chiens et les gendarmes ................................................................................................. 12 1.1.5 Les chiens et les statistiques ................................................................................................ 13 1.2 REVUE: “ORIGIN, ANALYTICAL CHARACTERIZATION AND USE OF HUMAN ODOR IN FORENSICS” ........................... 18 1.2.1 Human odor ......................................................................................................................... 22 1.2.1.1. Definition and physiological origin of human odor ........................................................................ 22 1.2.1.2. Human odor and genetics .............................................................................................................. 24 1.2.1.3. Persistence of human odor ............................................................................................................ 24 1.2.1.4. Odor printing .................................................................................................................................. 25 1.2.2 Collection of human odor samples ....................................................................................... 26 1.2.2.1. Indirect sampling ............................................................................................................................ 26 1.2.2.2. Direct sampling .............................................................................................................................. 27 1.2.2.3. Sampling zones, use of hands for forensic applications ................................................................. 29 1.2.3 Analytical techniques ........................................................................................................... 29 1.2.3.1. Sample preparation ........................................................................................................................ 30 1.2.3.2. Chromatographic separation and detection .................................................................................. 32 1.2.4 Identification of characteristic human hand odor compounds ............................................ 37 1.2.5 Statistical data analysis ....................................................................................................... 50 1.2.6 Conclusions .......................................................................................................................... 54 1.3 QUELQUES ASPECTS DE LA BIOMETRIE ..................................................................................................... 55 1.3.1 La biométrie : définition [157]............................................................................................. 55 1.3.2 Biométrie et science forensique ........................................................................................... 57 1.3.2.1. Toute une stratégie… ..................................................................................................................... 57 1.3.2.2. … mais quelques soucis. ................................................................................................................. 58 1.3.3 Zoom sur quelques applications forensiques souvent méconnues ...................................... 59 1.3.3.1. La reconnaissance du langage parlé ............................................................................................... 59 1.3.3.2. La reconnaissance à la démarche ................................................................................................... 60 1.3.4 Et l’odeur dans tout cela ? ................................................................................................... 60 CHAPITRE 2. DEVELOPPEMENT DES METHODES ANALYTIQUES EN TD-GC×GC-MS ............................. 63 2.1 “HUMAN ODOR AND FORENSICS. OPTIMIZATION OF A BIDIMENSIONAL COMPREHENSIVE GAS CHROMATOGRAPHY METHOD BASED ON ORTHOGONALITY: HOW NOT TO CHOOSE BETWEEN CRITERIA.” ............................................................. 65 2.1.1 Introduction ......................................................................................................................... 66 2.1.2 Statistical analysis ................................................................................................................ 68 2.1.2.1. Criteria............................................................................................................................................ 68 2.1.2.2. Desirability parameters .................................................................................................................. 71 2.1.2.3. Software ......................................................................................................................................... 71 2.1.3 Material and methods ......................................................................................................... 71 2.1.3.1. Chemicals and reagents ................................................................................................................. 71 2.1.3.2. Analytical standards for optimization ............................................................................................ 72 2.1.3.3. Comprehensive gas chromatography and mass spectrometry ...................................................... 72 2.1.3.4. Columns ......................................................................................................................................... 73 2.1.3.5. Head-Space SolidPhase MicroExtraction (HS-SPME) ...................................................................... 73 2.1.4 Results and discussion ......................................................................................................... 73 2.1.4.1. Calculation of individual desirabilities ............................................................................................ 75 2.1.4.2. Computation of the global desirability ........................................................................................... 76 2.1.4.3. Ranking of analytical setups ........................................................................................................... 77 2.1.5 Conclusion ............................................................................................................................ 80 2.2 “SAMPLING METHOD DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION IN VIEW OF HUMAN HAND ODOR ANALYSIS BY THERMAL DESORPTION COUPLED WITH GAS CHROMATOGRAPHY AND MASS SPECTROMETRY.” – PARTIE 1............................................. 81 2.2.1 Introduction ......................................................................................................................... 83 2.2.2 Material and methods ......................................................................................................... 85 2.2.2.1. Chemicals and reagents ................................................................................................................. 85 2.2.2.2. Thermodesorption and separation devices.................................................................................... 85 2.2.2.3. Analytical standards for optimization ............................................................................................ 85 2.2.2.4. Sorbent phase for compounds trapping ........................................................................................ 86 2.2.2.5. Indirect sampling device ................................................................................................................ 87 2.2.3 Results and discussion ......................................................................................................... 89 2.2.4 Optimisation of desorption .................................................................................................. 90 2.2.4.1. Repeatability evaluation ................................................................................................................ 90 2.2.4.2. Preliminary tests ............................................................................................................................ 90 2.2.4.3. Design of experiment ..................................................................................................................... 91 2.2.5 Conclusion ............................................................................................................................ 92 CHAPITRE 3. PRELEVEMENT DES ECHANTILLONS ................................................................................ 93 3.1 PRELEVEMENT DIRECT ......................................................................................................................... 96 3.1.1 Choix d’une phase adsorbante pour les prélèvements : travail exploratoire ....................... 96 3.1.1.1. Compresses .................................................................................................................................... 96 3.1.1.2. Patch PDMS .................................................................................................................................... 97 3.1.1.3. Sorbstar .......................................................................................................................................... 98 3.1.2 Etude du Sorbstar® .............................................................................................................. 99 3.1.2.1. Optimisation des différents paramètres ........................................................................................ 99 3.1.2.2. Prélèvement actif/ prélèvement passif ........................................................................................ 100 3.1.2.3. Un prélèvement dynamique… mais pendant combien de temps ? .............................................. 103 3.1.2.4. Et en pratique, que faire avant de prélever ? ............................................................................... 104 3.2 PRELEVEMENT INDIRECT .................................................................................................................... 104 3.2.1 Avant de commencer… ...................................................................................................... 105 3.2.1.1. Design du prototype et montages expérimentaux ....................................................................... 105 3.2.1.2. Miniaturisation de la pompe – constitution d’un kit de prélèvement transportable ................... 106 3.2.1.3. Essais de répétabilité.................................................................................................................... 107 3.2.2 Conception des cartouches de prélèvement ...................................................................... 109 3.2.3 Publication: “Sampling method development and optimization in view of human hand odor analysis by thermal desorption coupled with gas chromatography and mass spectrometry.” - partie 2 . 110 3.2.3.1. Packaging and reduction of external contamination of samples ................................................. 110 3.2.3.2. Indirect sampling: Sorb-Star® cartridges ...................................................................................... 111 3.2.3.3. Indirect sampling : Tenax TA phase .............................................................................................. 114 3.2.3.4. Application to real samples .......................................................................................................... 115 3.2.3.5. Conclusion .................................................................................................................................... 117 3.2.4 Perspectives et améliorations: design d’une nouvelle chambre ........................................ 118 3.2.4.1. Comparaison des deux chambres ................................................................................................ 118 3.2.4.2. Comparaison des débits – nouvelle chambre .............................................................................. 119 3.3 VALIDATION SUR LE TERRAIN AVEC LES SAINT-HUBERT ............................................................................. 122 3.3.1 Introduction/protocole ...................................................................................................... 122 3.3.2 Prélèvement direct ............................................................................................................. 124 3.3.2.1. Prélèvement direct actif - individu ............................................................................................... 124 3.3.2.2. Prélèvement direct passif - individu ............................................................................................. 124 3.3.2.3. Prélèvement direct actif - simulation de voiture volée ................................................................ 124 3.3.2.4. Prélèvement direct passif - objet ................................................................................................. 125 3.3.2.5. Contamination par un parfum...................................................................................................... 126 3.3.3 Prélèvement indirect .......................................................................................................... 126 3.3.3.1. Prélèvement indirect actif - individu ............................................................................................ 126 3.3.3.2. Prélèvement indirect actif - objet ................................................................................................ 126 3.3.3.3. Prélèvement indirect actif - vêtement ......................................................................................... 126 3.3.3.4. Prélèvement indirect passif - voiture ........................................................................................... 126 3.3.4 Contamination par un mélange de 80 composés .............................................................. 127 3.3.5 Conservation des échantillons et vieillissement ................................................................. 127 3.3.5.1. Température de conservation ...................................................................................................... 127 3.3.5.2. Durée de conservation ................................................................................................................. 127 3.3.6 Bilan et retours d’expérience d’un maître-chien ................................................................ 127 3.4 CONSERVATION ET VIEILLISSEMENT DES ECHANTILLONS ............................................................................ 129 3.4.1 Conservation des échantillons ........................................................................................... 129 3.4.2 Vieillissement du support de prélèvement ......................................................................... 130 3.4.2.1. Bref rappel sur le microscope électronique à balayage ............................................................... 131 3.4.2.2. Etude des blancs .......................................................................................................................... 131 3.4.2.3. Etude d’un prélèvement réel ....................................................................................................... 133 3.4.2.4. Conclusion .................................................................................................................................... 134 3.5 CREATION D’UN PANEL REPRESENTATIF ................................................................................................. 135 3.5.1 Fiche de renseignements ................................................................................................... 136 3.5.2 Protocole de prélèvement .................................................................................................. 137 3.5.3 Récupération des prélèvements et gestion des données ................................................... 140 CHAPITRE 4. TRAITEMENT DES DONNEES ......................................................................................... 141 4.1 TRAITEMENT DES DONNEES SOUS MATLAB ............................................................................................ 143 4.1.1 Avant de commencer… ...................................................................................................... 143 4.1.1.1. Allure des données brutes ........................................................................................................... 143 4.1.1.2. Librairies ....................................................................................................................................... 143 4.1.2 Description des scripts et des fonctions Matlab ................................................................ 144 4.1.2.1. Sélection des fichiers à traiter ...................................................................................................... 145 4.1.2.2. Conversion des fichiers ................................................................................................................ 145 4.1.2.3. Correction des données ............................................................................................................... 146 4.1.2.4. Détection des pics ........................................................................................................................ 148 4.1.2.5. Recherche des alcanes et calcul des indices de rétention linéaires ............................................. 151 4.1.2.6. Recherche de pics spécifiques ...................................................................................................... 156 4.1.2.7. Affichage ...................................................................................................................................... 159 4.1.2.8. Pointage ....................................................................................................................................... 160 4.2 OPTIMISATION ET EVALUATION DE L’ATTRIBUTION DES PICS AUX COMPOSES RECHERCHES ............................... 162 4.2.1 Principe de l’étude ............................................................................................................. 162 4.2.2 Résultats et discussion ....................................................................................................... 164 4.3 ANALYSE DE LA PERTINENCE DES COMPOSES .......................................................................................... 167 4.4 TRAITEMENT STATISTIQUE .................................................................................................................. 168 4.4.1 Avant de commencer… ...................................................................................................... 168 4.4.1.1. Analyse en composantes principales ........................................................................................... 168 4.4.1.2. Analyse discriminante par les moindres carrés partiels ............................................................... 168 4.4.1.3. Identification reposant sur une approche bayésienne ................................................................. 169 4.4.2 Description des données .................................................................................................... 171 4.4.3 Traitements statistiques des données du panel ................................................................. 172 4.4.3.1. Classification ................................................................................................................................ 172 4.4.3.2. Identification ................................................................................................................................ 176 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 181 REFERENCES .......................................................................................................................................... 183 ANNEXES ............................................................................................................................................... 198 ANNEXE 1: COMPOSITION DU MIX 80 .............................................................................................................. 198 ANNEXE 2 : EVALUATION DE LA PERTINENCE DE 885 COMPOSES............................................................................ 204