. Advisors/Committee Members: Jaffrezic-Renault, Nicole (thesis director).

▼ De par le monde, les virus, les bactéries pathogènes et les parasites ont causé plus de 21 millions de décès en 2010 [1, 2]. La détection dés agents pathogènes plus tôt dans le traitement antimicrobien permettrait de diminuer le nombre de victimes et réduirait le développement de résistance antibiotique [3]. Cependant, les techniques de biodétection nécessitent souvent quelques jours de délai dus à l'étape de culture microbienne. Pour éliminer cette étape, notre groupe de recherche développe une technique de biodétection optique très sensible basée sur les modes de galerie de microsphères fluorescentes. Bien que cette technique ait montré des résultats prometteurs, elle n'est toutefois pas prête à être intégrée en milieu clinique, puisque certaines étapes sont longues et expérimentalement non triviales. Dans nos travaux de recherche, les étapes de préparation des échantillons, de prise de mesures et de traitement de signal de la technique de biodétection WGMs en fluorescence ont. été réformées afin de simplifier et d'accélérer les manipulations. En premier lieu, les microsphères fluorescentes ont été étudiées afin de choisir un diamètre nominal et une plage spectrale offrant un maximum de WGMs selon la longueur d'onde d'excitation utilisée au laboratoire. Ensuite, l'intégration de la chambre d'écoulement d'un cytomètre en flux commercial et d'un système de déclenchement synchronisé au montage ont permis d'automatiser et d'accélérer considérablement l'étape de prise de mesures. De plus, l'optimisation de l'étape de traitement de signal a permis de générer des spectres théoriques très représentatifs des spectres de fluorescence de microsphères plus grandes que 6250 nm de rayon. Finalement, une nouvelle version de l'algorithme de mesure instantanée d'indice de réfraction apparent (IMARI 2.0) a été validée puis appliquée à la reconnaissance du rayon et de l'indice de réfraction apparent pour des microsphères de 6500 nm émettant de 580 nm à 650 nm. Advisors/Committee Members: Allen, Claudine.

▼ Le besoin croissant de biocapteurs optiques compacts, sélectifs, ultrasensibles, rapides et bas coût dans les domaines médical et environnemental a engendré une émergence de solutions technologiques, notamment les capteurs à bases de microrésonateurs optiques. Ces types de biocapteurs sont capables de fournir une détection sélective de très faibles concentrations de biomolécules si leurs surfaces sont fonctionnalisées. En revanche, les deux méthodes optiques d'interrogation actuelles, balayage spectral et variation de l’intensité, ne peuvent ni fournir la sensibilité de la phase du signal optique propagé dans le capteur, ni les paramètres opto-géométriques (perte par propagation, l'indice effectif, coefficient de couplage, etc) nécessaires pour une modélisation de la réponse du capteur. Pour accéder à ces informations, nous avons proposé d’utiliser l'interféromètre optique à faible cohérence sensible à la phase comme une technique alternative d’interrogation et de caractérisation de microrésonateurs. La première partie des travaux de cette thèse est consacrée à l’étude de conception et de réalisation de microrésonateurs monomodes possédant un facteur de qualité supérieur à 20000 dans l'eau. Cette étude a été validée par la réalisation technologique, à l'aide des procédés de photolithographie classique et de gravure sèche au plasma d'oxygène, de microrésonateurs polymères possédant des facteurs de qualité allant jusqu'à 38 200. La deuxième partie des travaux de thèse est dédiée à l'adaptation du dispositif PS-OLCI, initialement développé au Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) pour interroger les composants des télécommunications optiques, pour la caractérisation de microrésonateurs optiques. Les résultats obtenus en évaluant les performances spatiales et spectrales de différents microrésonateurs ont montré que le dispositif PS-OLCI n'est pas seulement un outil d'interrogation et de caractérisation mais aussi un véritable outil d’aide à la conception de microrésonateurs optiques. Une modélisation, validée par l'ajustement des mesures expérimentales, de la réponse PS-OLCI d'un microrésonateur, met en évidence la relation existant entre l'interférogramme et les intégrales de Fresnel. La dernière partie de nos travaux concerne l'association du dispositif PS-OLCI et d’un composant optofluidique, constitué de microrésonateurs et d’un circuit microfluidique en polymères, pour la détection d’espèces biologiques. A cet effet, la molécule de glucose a été choisie pour démontrer la détection homogène ou volumique en solution aqueuse en obtenant respectivement les limites de détection de l'ordre de 50 µg/ml et de 2 µg/ml en exploitant l’intensité ou la phase des mesures PS-OLCI. Ces performances démontrent la capacité de notre capteur à déceler des biomolécules en faible concentration ainsi que la pertinence de la mesure de la phase, d'où l'intérêt du dispositif PS-OLCI. Pour remédier au problème de sélectivité du capteur en détection homogène, la méthode de détection surfacique est utilisée. La problématique de… Advisors/Committee Members: Ledoux-Rak, Isabelle (thesis director).

▼ 

Durant la dernière décennie, la résonance de plasmon de surface (SPR) est devenue très populaire pour effectuer des analyses au cours d’un greffage chimique (ou biochimique) et étudier ainsi des réactions chimiques. Ce travail de thèse avait pour but de développer une méthode lithographique alternative, la nanoimpression assistée UV dite «douce», qui permet de fabriquer des réseaux de nanomotifs sur de très grandes surfaces (voir chapitre 1 - état de l’art) pour générer des nanostructures métalliques SPR intégrables. Les chapitres 2 et 3 étudient les paramètres expérimentaux de la nanoimpression pour obtenir des nanostructures hautement résolues et avec un minimum de défaut. Notre étude optique a été menée ensuite sur des réseaux de nanotrous imprimés dans des films d’or (chapitre 4). Le mécanisme physique du phénomène de transmission assistée par les plasmon est étudié de manière systématique d’après l’évolution de la position du pic de transmission avec les paramètres structuraux. Des mesures réalisées dans un système fluidique ont ensuite montré une réponse à un faible changement de l’indice de réfraction à la surface du réseau. Enfin, le dernier chapitre (chapitre 5) présente une nouvelle géométrie de biocapteurs optique basé sur une structure tri-couche dans une géométrie de type «nanocavité» à plasmon localisé (LSPR). Ces capteurs LSPR à nanocavités permettent d’améliorer le facteur de mérite d’un ordre de grandeur par rapport aux LSPR classiques. Leurs propriétés de résonance sont discutées à l’aide d’outils de simulation numérique. Enfin, nous démontrons qu’un tel capteur possède une grande sensibilité à la détection de biomolécules et serait donc adapté à l’étude d’interactions immunochimiques.

During the last decade, surface plasmon resonance (SPR) has become widely used to characterize a biological surface and to characterize binding events in the fields of chemistry and biochemistry. Research in this field has been favoured by the tremendous growth in nanofabrication methods among which soft lithographies are alternatively emerging. The purpose of this thesis work was to develop soft UV nanoimprint lithography, an emerging flexible technology allowing patterning on large area of subwavelength photonic nanostructures. The main advantages offered by soft UV nanoimprint lithography concern the simple patterning procedure and the low cost of the experimental setup (see state-of-art presented in chapter 1). Chapters 2 and 3 present the fabrication of master stamps, the study of nanoimprinting parameters coupled with the optimization of the etching process in order to get metallic nanostructures with limited pattern defects. The physical mechanisms of the transmission phenomenon exalted by surface plasmons were studied based on arrays of imprinted gold nanoholes (chapter 4). Extraordinary light transmission has been experimentally demonstrated. The geometrical effects on the position transmission peak were systematically analyzed. Proof-of-concept measurements performed in simple fluidic device indicate a…

Advisors/Committee Members: Liu, Zhifei (thesis director), Haghiri-Gosnet, Anne-Marie (thesis director).

▼ Les principaux objectifs de ce travail de recherche ont été la production, la fonctionnalisation et la caractérisation des particules ayant des nanostructures cœur-coquille (Core-Shell) [email protected]/Graphene. La synthèse a été réalisée par le dépôt en phase vapeur par procédé chimique (CVD) à 950 °C pendant 60 minutes. Les nanoparticules (NPs) obtenues affichent un comportement super-magnétique. Les nanoparticules [email protected] ont été utilisées pour la fabrication d'un immunocapteur pour la détection de la β-lactoglobuline. Après la fonctionnalisation chimique des NPs, elles ont été déposées sur des électrodes de carbones sérigraphiées (SPCE). La caractérisation des [email protected]/Graphene a été réalisée par des techniques d'analyse comme la microscopie à transmission d'électrons à haute résolution (HR-MET) et par la diffraction d'électrons dans une zone sélectionnée. La HR-MET a montré que des nanoparticules de fer ayant une nanostructure cœur-coquille avec des tailles variant entre 20 et 80 nm. Les nanoparticules [email protected] ont été fonctionnalisées avec des groupes d'amines via une réaction spontanée avec le P-nitro benzenediazonium tetrafluoroborate (P-NBDT) et suivi par une réduction des groupes nitro. Les groupes amine et après activation ont été liées à la glutaraldéhyde. Ces derniers ont été utilisés pour l'immobilisation covalente d'anticorps monoclonaux, le anti-β-lactoglobuline (mAb).Chaque étape du processus de la fonctionnalisation des NPs a été étudiée par la spectroscopie infrarouge, les techniques de microscopie électronique et la spectroscopie à rayons X. Une approche électrochimique par la technique de voltammétrie d'onde carré (SWV) a été utilisée pour lier la β-lactoglobuline et l'immunocapteur. L'interaction entre la β-lactoglobuline et les NPs fonctionnalisées sur les électrodes de carbone sérigraphiées a entraîné une baisse apparente (considérable) du signal de réduction de la voltammetrie d'onde carrée du couple redox [Fe (CN) 6]4-/3-. Dans des conditions optimales, la limite de détection de l'immunocapteur développé montre une haute sensibilité et a une limite de détection à l'ordre de 0,01 pg/mL. L'immunocapteur résultant sous l'effet d'un champ magnétique externe a permis le dépôt facile et le contrôle des NPs durant leurs contacts avec l'électrode de carbone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nanoparticules magnétiques, techniques de fonctionnalisation, immunocapteurs et β-lactoglobuline.

▼ La dexaméthasone (DXN) est une hormone glucocorticoïde synthétique utilisée principalement comme un agent anti-inflammatoire, anti-allergique et immunosuppresseur. Elle est largement utilisée comme agent stimulant la croissance et le développement musculaire dans les bétails et l'élevage des animaux. Cette hormone est rajoutée dans certains médicaments utilisés pour le dopage et l'amélioration de la performance sportive et le gain de poids. Malgré sa large utilisation, les caractéristiques de la dexaméthasone font d'elle un perturbateur endocrinien. Son interférence avec le système endocrinien peut entraîner des effets indésirables sur la reproduction, la croissance, le développement, le comportement et l'humeur. La présence de la dexaméthasone dans les eaux et les produits alimentaires avec des concentrations élevées nécessite un suivi et une surveillance précoces. La mise au point d'une méthode de détection simple, rapide, sensible et sélective pour cette hormone est d'une grande importance dans la recherche médicale, les analyses alimentaires et environnementales. Les biocapteurs constituent une alternative très intéressante par rapport aux autres instruments classiques de détection en raison de leur petite taille, leur facilité d'utilisation et leur faible coût. Ce sont des dispositifs analytiques conçus pour transformer un phénomène biochimique en un signal mesurable. Dans le but de pallier les limites des méthodes de détection existantes, nous présentons dans le cadre de ce mémoire de maîtrise un biocapteur impédimétrique à base d'aptamères pour la détection de la dexaméthasone dans les eaux. L'aptamère proposé a été développé en utilisant la sélection in vitro dans 19 cycles. L'aptamère proposé est le premier à être développé pour la détection de la dexaméthasone. Outre son faible coût de production et sa simplicité d'utilisation, l'aptacapteur développé offre une limite de détection très faible comparativement à la majorité des instruments analytiques existants. L'efficacité de cet aptacapteur est démontrée par une étude empirique sur différents échantillons d'eau contaminée par la dexaméthasone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Biosenseurs, Dexaméthasone, Aptamères, Perturbateurs endocriniens, Biocapteurs impédimétriques, Aptacapteurs.

▼ Les principaux objectifs de ce travail de recherche ont été la production, la fonctionnalisation et la caractérisation des particules ayant des nanostructures cœur-coquille (Core-Shell) [email protected]/Graphene. La synthèse a été réalisée par le dépôt en phase vapeur par procédé chimique (CVD) à 950 °C pendant 60 minutes. Les nanoparticules (NPs) obtenues affichent un comportement super-magnétique. Les nanoparticules [email protected] ont été utilisées pour la fabrication d'un immunocapteur pour la détection de la β-lactoglobuline. Après la fonctionnalisation chimique des NPs, elles ont été déposées sur des électrodes de carbones sérigraphiées (SPCE). La caractérisation des [email protected]/Graphene a été réalisée par des techniques d'analyse comme la microscopie à transmission d'électrons à haute résolution (HR-MET) et par la diffraction d'électrons dans une zone sélectionnée. La HR-MET a montré que des nanoparticules de fer ayant une nanostructure cœur-coquille avec des tailles variant entre 20 et 80 nm. Les nanoparticules [email protected] ont été fonctionnalisées avec des groupes d'amines via une réaction spontanée avec le P-nitro benzenediazonium tetrafluoroborate (P-NBDT) et suivi par une réduction des groupes nitro. Les groupes amine et après activation ont été liées à la glutaraldéhyde. Ces derniers ont été utilisés pour l'immobilisation covalente d'anticorps monoclonaux, le anti-β-lactoglobuline (mAb).Chaque étape du processus de la fonctionnalisation des NPs a été étudiée par la spectroscopie infrarouge, les techniques de microscopie électronique et la spectroscopie à rayons X. Une approche électrochimique par la technique de voltammétrie d'onde carré (SWV) a été utilisée pour lier la β-lactoglobuline et l'immunocapteur. L'interaction entre la β-lactoglobuline et les NPs fonctionnalisées sur les électrodes de carbone sérigraphiées a entraîné une baisse apparente (considérable) du signal de réduction de la voltammetrie d'onde carrée du couple redox [Fe (CN) 6]4-/3-. Dans des conditions optimales, la limite de détection de l'immunocapteur développé montre une haute sensibilité et a une limite de détection à l'ordre de 0,01 pg/mL. L'immunocapteur résultant sous l'effet d'un champ magnétique externe a permis le dépôt facile et le contrôle des NPs durant leurs contacts avec l'électrode de carbone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nanoparticules magnétiques, techniques de fonctionnalisation, immunocapteurs et β-lactoglobuline.

▼ La dexaméthasone (DXN) est une hormone glucocorticoïde synthétique utilisée principalement comme un agent anti-inflammatoire, anti-allergique et immunosuppresseur. Elle est largement utilisée comme agent stimulant la croissance et le développement musculaire dans les bétails et l'élevage des animaux. Cette hormone est rajoutée dans certains médicaments utilisés pour le dopage et l'amélioration de la performance sportive et le gain de poids. Malgré sa large utilisation, les caractéristiques de la dexaméthasone font d'elle un perturbateur endocrinien. Son interférence avec le système endocrinien peut entraîner des effets indésirables sur la reproduction, la croissance, le développement, le comportement et l'humeur. La présence de la dexaméthasone dans les eaux et les produits alimentaires avec des concentrations élevées nécessite un suivi et une surveillance précoces. La mise au point d'une méthode de détection simple, rapide, sensible et sélective pour cette hormone est d'une grande importance dans la recherche médicale, les analyses alimentaires et environnementales. Les biocapteurs constituent une alternative très intéressante par rapport aux autres instruments classiques de détection en raison de leur petite taille, leur facilité d'utilisation et leur faible coût. Ce sont des dispositifs analytiques conçus pour transformer un phénomène biochimique en un signal mesurable. Dans le but de pallier les limites des méthodes de détection existantes, nous présentons dans le cadre de ce mémoire de maîtrise un biocapteur impédimétrique à base d'aptamères pour la détection de la dexaméthasone dans les eaux. L'aptamère proposé a été développé en utilisant la sélection in vitro dans 19 cycles. L'aptamère proposé est le premier à être développé pour la détection de la dexaméthasone. Outre son faible coût de production et sa simplicité d'utilisation, l'aptacapteur développé offre une limite de détection très faible comparativement à la majorité des instruments analytiques existants. L'efficacité de cet aptacapteur est démontrée par une étude empirique sur différents échantillons d'eau contaminée par la dexaméthasone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Biosenseurs, Dexaméthasone, Aptamères, Perturbateurs endocriniens, Biocapteurs impédimétriques, Aptacapteurs.

▼ De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d'améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d'agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l'aide d'un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l'interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l'auto-alignement de molécules d'adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l'échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l'échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d'enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l'activité électrique au sein d'une culture neuronale. La chaîne d'acquisition nécessaire au transport de l'information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu'à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l'aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l'aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l'excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de… Advisors/Committee Members: Larrieu, Guilhem (thesis director), Nicu, Liviu (thesis director).

▼ 

Afin de veiller à la sécurité des patients lors de transfusions sanguines, les banques de sang doivent tester les donneurs et les receveurs afin de s’assurer de la compatibilité du sang. Les méthodes de génotypage sanguin utilisées à l’heure actuelle sont complexes et fastidieuses ne permettant pas la caractérisation complète de tous les dons de sangs. Ce projet vise le développement de nouvelles stratégies de génotypage sanguin à l'aide de nanoparticules composites super luminescentes. Ce type de biocapteur pourrait être utilisé afin de faciliter ces opérations en offrant une méthode qui permettrait d’éviter l’étape d’amplification enzymatique qui limite la cadence des analyses. Ce faisant, elle serait beaucoup plus rapide et moins coûteuse que les méthodes traditionnelles. Dans ce mémoire, les différentes étapes de la synthèse de nanoparticules cœur-coquille fluorescentes, la fonctionnalisation de surface ainsi que la caractérisation des performances analytiques du système développé seront abordées. Les nanoparticules utilisées sont formées d'un cœur d'argent afin d'exploiter leurs propriétés plasmoniques. Elles sont ensuite recouvertes d'une couche de silice qui permet de rehausser la stabilité de la suspension colloïdale et qui peut être dopée avec des fluorophores. Par la suite, des brins d’ADN sonde sont greffés à la surface des nanoparticules afin de capturer spécifiquement les cibles d’ADN complémentaires, une tâche qui sera facilitée par la surface de silice des nanoparticules qui donne accès à plusieurs stratégies de fonctionnalisation utilisant la chimie des silanes. Pour terminer, un polymère transducteur est couplé à la sonde d’ADN et permet la reconnaissance de la réaction d’hybridation par un mécanisme de transfert d’énergie résonant (FRET, «Förster Resonant Energy Transfer»).

To ensure patient safety during blood transfusions, blood banks must test donors and receivers to ensure the compatibility of blood. Blood genotyping methods used presently are complex and fastidious and do not allow the complete characterization of all donated blood. This project involves the development of new strategies for blood genotyping using super luminescent composites nanoparticles. Such biosensors could be used to facilitate these operations by providing a method that would avoid the enzymatic amplification step which limits the analysis throughput. In doing so, it would be much faster and cheaper than traditional methods. In this master's essay, the synthesis of core-shell fluorescent nanoparticles, surface functionalization and characterization of the colloids will be presented. Also, the analytical performance of the system developed will be discussed. The nanoparticles are made of a silver core in order to exploit their plasmonic properties. Thereafter, they are covered with a silica layer doped with fluorophores by using a modified Stöber method in order to be stable and fluorescent. Subsequently, DNA single stranded probes are grafted to the surface of these nanoparticles to specifically capture the…

Advisors/Committee Members: Boudreau, Denis.

▼ 

Dans ce mémoire, nous présentons de nouvelles architectures de différents biocapteurs électrochimiques discrets et intégrés appelés potentiostats. Tous les potentiostats développés sont basés sur une structure entièrement différentielle pour une meilleure sensibilité et une meilleure précision. Deux conceptions discrètes à un et quatre canaux ont été proposées. La conception discrète à un canal détecte la molécule de dopamine avec un courant de l’ordre du nA et une consommation électrique de 120 mW. Cette architecture a été développée sur une carte de circuit imprimé (PCB) de 20 mm x 35 mm. L’architecture discrète à quatre canaux est la version améliorée de la précédente en termes de superficie, de sensibilité et de consommation électrique. Une autre version du potentiostat, implémentée sur un PCB de 15 mm x 15 mm, peut mesurer les courants d’oxydoréduction dans la plage du pA avec une consommation de puissance de 60 mW. L’avantage de la structure à multicanaux est qu’elle offre des sensibilités différentes allant du pA au mA pour chaque canal. Une chambre microfluidique de 7,5 mm x 5 mm avec deux entrées et une sortie a été déposée sur le PCB. Une solution saline tampon au phosphate (PBS) avec une solution de ferrocyanure a été utilisée pour tester la fonctionnalité du système réalisé. La voltampérométrie cyclique a été utilisée comme technique de détection. Un comportement linéaire a été observé lorsque la concentration des neurotransmetteurs change. De plus, un potentiostat intégré a été proposé et fabriqué en technologie CMOS 180 nm, basé sur une structure entièrement « différentiel de différence » (Fully Differential Diffrence Amplifier FDDA) pour une faible consommation de puissance et un système à haute sensibilité. Cette nouvelle configuration a été conçue pour la détection des neurotransmetteurs en très faible concentration avec un faible bruit et une plage dynamique élevée. Cette architecture intégrée peut détecter les courants dans une plage inférieure au pA avec un bruit d’entrée faible de 6,9 μVrms tout en consommant seulement 53,9 μW. Le potentiostat proposé est dédié aux dispositifs implantables à faible consommation de puissance et à sensibilité et linéarité élevées.

In this thesis, we present different discrete and integrated electrochemical biosensors. All these designed potentiostats are based on fully-differential architecture to enhance sensitivity and accuracy. Two complete single channel and four-channel discrete designs were fabricated. The single channel discrete design imaged the dopamine neurotransmitter with the sensed current of approximately low nano-ampere and power consumption of 120 mW implemented on a 20 x 35 mm PCB. The four-channel discrete design was the improved version of previous one in terms of area, sensitivity and power consumption. The 15 x 15 mm PCB was able to measure the reduction-oxydation currents in the range of high pico-ampere while consuming 60 mW. The advantage of the multichannel architecture is to provide a system with different sensitivity going from pA to…

Advisors/Committee Members: Miled, Amine, Gosselin, Benoit.

▼ 

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013.

Une sous-catégorie importante des nanomatériaux est l’utilisation de nanoparticules (NPs) métalliques dans le design de biosondes optiques en spectroscopie Raman ou de fluorescence, application permise par le plasmon généré lors de l’interaction lumière-NPs. La plage spectrale utile permise peut être modulée selon la composition, la taille et le milieu environnant du cœur métallique. Ainsi, l’or et l’argent sont des métaux couramment employés dans ce domaine en raison de la simplicité de leur synthèse et de leur applicabilité dans le visible. Cependant, ces métaux sont inutiles pour effectuer des mesures de fluorescence intrinsèque de protéines dans l’UV, un type de mesure qui serait d’intérêt en sciences biomédicales mais qui est limité par le faible signal de fluorescences des biomolécules. Nous proposons de pallier à ce problème à l’aide de sondes plasmoniques d’indium, démontrées comme étant actives dans l’UV. Ce mémoire porte donc sur la préparation de structures cœur-coquilles en vue d’une utilisation future en biodétection. Les cœurs d’indium sont préparés à l’aide d’une méthode simple qui combine les caractéristiques d’une synthèse polyol et d’une synthèse par injection à chaud. Par de simples modifications synthétiques, des cœurs d’environ 9 et 70 nanomètres (nm) de taille peuvent être obtenues. Les cœurs plus gros, qui devraient permettre un meilleur effet d’exaltation de la fluorescence sont ensuite recouverte d’une écaille de silice via une simple réaction Stöber. Le contrôle des conditions, notamment la concentration en eau, la quantité de précurseur de silice et le niveau de dilution, permet de moduler l’épaisseur de la coquille de silice entre 4 et 40 nm. Une si petite coquille sur de tels cœurs d’indium demeure, au meilleur de notre connaissance, inédit. Les colloïdes obtenus sont caractérisés par spectroscopie UV-Vis, par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière.

A notable application of nanomaterials is the use of metallic nanoparticles (NPs) as optical bioprobes in Raman or fluorescence spectroscopy detection schemes. Such a use is permitted by the plasmonic properties shown by these NPs upon light irradiation; the spectroscopic properties of these colloids are tuned through careful selection of the core’s composition, size and environment. Gold and silver are the two most commonly used metals for biodetection as they are easily prepared in nanoscopic regimes with defined shapes and sizes, as well as for their intense optical interactions with visible light. These metals are however not applicable at higher energy UV regimes, which would allow, for instance, the enhancement of the intrinsic fluorescence of proteins, a field of interest in biodetection which is hindered by the extremely low fluorescence signal of these biomolecules. We propose for such an application the use of indium-based plasmonic probes, as this metal has been shown to be active in the UV regime.…

Advisors/Committee Members: Boudreau, Denis.

▼ À l'heure actuelle, la détection efficace et abordable des maladies infectieuses est considérée par l'organisation mondiale de la santé comme l'enjeu du développement biotechnologique le plus critique pour l'amélioration de la santé humaine et animale. À ce propos, plusieurs approches ont été proposées mais la plupart d'entre elles se basent sur la technique communément appelée PCR (Polymerase Chain Reaction). Une méthode de détection développée dans notre laboratoire est basée sur la réponse d'un biocapteur le poly(3-alkoxy-4-méthylthiophène) à son environnement. La particularité de ce biocapteur réside dans sa susceptibilité à reconnaître l'événement d'hybridation d'une chaîne d'ADN et à le traduire en un signal mesurable (optique, électrochimique...). Parallèlement à nos travaux de détection de l'ADN, une étude plus approfondie a été menée sur certains facteurs inhérents aux molécules d'ADN tels que la longueur de la chaîne d'ADN (sonde et cible), ainsi que l'enchaînement de la séquence d'ADN. Cette étude a été réalisée principalement par des techniques de colorimétrie (UV-visible) et de mesure de la fluorescence. Cette dernière à montre que l'hybridation se fait très difficilement lorsqu'on a une différence de longueur entre les deux brins d'ADN et que l'intensité de fluorescence change d'une séquence à l'autre. Advisors/Committee Members: Leclerc, Mario.

▼ 

Le dépôt de couche atomique (ALD) est devenu une technique essentielle de dépôt en phase vapeur de couches minces pour de nombreuses applications. La demande croissante de composants électroniques et de matériaux nanostructurés a fait de gls{ald} l'un des processus de fabrication clés du marché des nanotechnologies.Dans ce travail, nous présentons de nouveaux matériaux nanostructurés pouvant être utilisés comme transducteurs dans des dispositifs à biocapteurs. Ces matériaux ont été préparés en combinant gls{ald} avec des techniques "top-down" et "bottom-up" telles que la lithographie par nanosphère (gls{nsl}), le dépôt physique en phase vapeur (gls{pvd}), la gravure chimie assistée par des métaux (gls{mace}) et électrodéposition.En tant que premier candidat prometteur, des nanofils de silicium (gls{sinws}) recouverts de ZnO par gls{ald} ont été fabriqués. Ces structures 3D sont très attractives pour les applications de biocapteurs optiques en raison de leur activité intense de photoluminescence (gls{pl}) à température ambiante. Dans une première approche, ces nanostructures coe ur/coquille ont été entièrement caractérisées et testées en tant que capteurs possibles pour la détection du peroxyde d’hydrogène, qui est un produit de réaction courant de plusieurs oxydoréductases.De plus, des nanostructures creuses en ZnO semblables à des oursins recouvertes de Au ont été préparées avec une taille contrôlée en combinant NSL, gls{ald}, électrodéposition et évaporation par faisceau d'électrons (gls{ebeam}). L’influence de l’épaisseur du film Au sur les capacités de diffusion Raman (gls{sers}) améliorées en surface des substrats a été étudiée. Les structures optimisées ont été utilisées pour détecter des molécules de thiophénol avec une limite de détection (gls{lod}) de SI{e-8}{Molar}. De plus, l'adénine peut être détectée avec une concentration aussi basse que SI{e-6}{Molar}. L'excellente uniformité et la répétabilité lot par lot des substrats en font d'excellents candidats pour une détection et une biocapture SERS fiables.En outre, un groupe diversifié de nouveaux matériaux présentant des caractéristiques attrayantes qui peuvent être facilement appliqués à la détection, à la catalyse et à la plasmonique est présenté. Des nanoparticules bimétalliques de Pd/Au supportées sur gls{sinws} avec gls{ald} et un remplacement galvanique ont été fabriquées. De plus, des structures ZnO creuses de type urchin avec ZIF-8 par électrodéposition ont été fabriquées pour de possibles applications SERS.

Atomic layer deposition (gls{ald}) has emerged as an essential vapor deposition technique of thin films for countless applications. The rising demand for electronic components and nanostructured materials has established gls{ald} as one of the key fabrication processes in the nanotechnology market.In this work, novel nanostructured materials that can be used as transducers in biosensor devices are presented. These materials have been prepared by a combination of gls{ald} with top-down and bottom-up techniques such as nanosphere lithography…

Advisors/Committee Members: Miele, Philippe (thesis director), Balme, Sébastien (thesis director).

▼ 

Ces dernières décennies, la dégradation continue de la qualité des eaux a engendré une augmentation des blooms algaux toxiques en zones côtières. Les biotoxines libérées de façon ubiquitaire lors de ces blooms, représentent un danger épidémique important pour l’homme et l’animal. Afin de limiter les risques de contamination et les pertes économiques, les organismes compétents ont mis en place des programmes de surveillance et ont établi des seuils de toxicité (OMS: 1 µg de MC-LR/L ; EFSA : 160 µg éq OA /kg de chair de coquillage). Cependant, les méthodes d’analyse préconisées sont longues et coûteuses, il est donc nécessaire de développer des nouvelles techniques d’analyse. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de concevoir des outils analytiques rapides, fiables et adaptables sur le terrain afin de détecter la présence des toxines les plus nocives: les microcystines (MCs) et l’acide okadaïque (OA). En premier lieu, des bioessais colorimétriques basés sur l’inhibition des protéines phosphatases par ces toxines ont été développés. Les limites de détection obtenues ont été très inférieures aux limites maximales autorisées. Par conséquence, les tests mis au point sur microplaques ont été adaptés pour élaborer des biocapteurs électrochimiques. Les seuils de sensibilités obtenus sont conformes aux normes imposées et les tests pourront être ainsi utilisés in situ. Du fait de leurs nombreux avantages, les aptamères sont devenus depuis peu des éléments de reconnaissance alternatifs aux anticorps et aux enzymes. Afin d’améliorer la sensibilité et la stabilité des outils proposés, un aptacapteur sans marquage et réutilisable pour la détection de l’OA a été finalement conçu.

The past decades have witnessed water quality degradation due to overwhelming anthropic activities. In this context, production of biotoxins in response to increasing harmful algal blooms is a point of vital concern for human and animal health. In order to overcome bio-contamination and related economic losses, relevant authorities have established toxicity levels and monitoring program for ubiquitous toxins. However, current analysis are expensive and time consuming, so it is necessary to develop fast, reliable and field adaptable methods to assure food and water safety. Based on above described consequences, the objective of the research was to design inexpensive biotools for the detection of most toxic and widespread toxins including: microcystins (MCs) and okadaïc acid (OA).The first approach was to perform colorimetric enzymatic bioassays based on the inhibition of commercial and genetically modified proteins phosphatase by toxins. The obtained detection limit (LOD) were many folds lower than maximum limit defined by WHO (1 µg of MC-LR/L) and EFSA (160 µg eq OA/kg in shellfish meat). Subsequently, developed colorimetric methodology was adapted to design electrochemical biosensors for toxins detection. Electrochemical transduction was performed by Differential Pulse Voltammetry, showed a good LOD with the possibility of being used as a…

Advisors/Committee Members: Marty, Jean-Louis (thesis director).

▼ 

La detection précoce de biomarqueurs de maladies telles que le cancer représenteun interêt majeur dans le processus de traitement. En effet, un diagnostic avancéaugmente considérablement les chances de réussite du traitement. En pratique,cela nécessite des outils permettant de détecter rapidement d’infimes quantités decomposants biologiques (anticorps, protéines, ADN...) au sein d’échantillons réelstels que du sang ou du sérum.Ces dernières années, les avancées et progrès technologiques en matière de microet nanofabrication ont permis le développement des Micro et Nano Systèmes Electro-Mécaniques (M/NEMS) dans de nombreux domaines d’applications et notammentcelui de la détection de masse. Ainsi, des nano-capteurs de masse atteignant desrésolutions de l’ordre du yoctogram (10−24 g), soit la masse d’un seul proton ont étédéveloppés. De telles résolutions permetteraient d’utiliser ces capteurs à des fins debiodétections. Ces résultats ont cependant été obtenus sous vide ce qui est incompatibleavec le monde biologique. Immergés en liquide, les performances des M/NEMStraditionnels sont drastiquement réduites notamment à cause de l’amortissement dûau fluide. Un nouveau type de résonateur à base de microdisques optomécaniquesrésonants a vu le jour démontrant un fort potentiel pour la détection en milieuliquide. Là où les méthodes classiques de transductions électriques des M/NEMSéprouvent des difficultés en liquide, l’exceptionnelle sensibilité de la transductionoptomécanique permet de surmonter ce problème.Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à développer un biocapteur à base demicrodisques optomécaniques résonants en silicium pour la détection biologique enmilieu liquide. Le design, la fabrication ainsi que la caractérisation complète de cescapteurs est décrite. Enfin, une preuve de concept de détection de virus T5 à uneconcentration de quelques pM à l’aide de ces microdisques est également présentée.

Early detection of disease's biomarkers such as cancer represents a major interest in the treatment process. Indeed, a diagnosis at an early stage considerably increases the chance of the treatment to be successful. Practically, tools allowing the rapid detection of tiny amount of biological compounds (antibodies, proteins, DNA...) in real samples such as blood or serum are needed.Over the last years, the advances and progresses of micro and nanofabrication techniques have allowed the development of Micro-Nano Electro Mechanical Systems (M/NEMS) in various fields of application including mass sensing. Thus, nano mass sensors reaching resolution down to the yoctogram level, the equivalent of a single proton have been demonstrated. Such resolution limit would theoretically allow these sensors to be used as potential biosensors. These results were nonetheless obtained in vacuum conditions which is incompatible with the biological world. Immersed in fluid, the performance of traditional M/NEMS are drastically degraded mostly due to the large viscous damping. A new type of object in the form of optomechanical microdisk…

Advisors/Committee Members: Hentz, Sébastien (thesis director).

▼ 

La fonctionnalisation chimique de surfaces hétérogènes (fonctionnalisation orthogonale) est une méthode efficace pour diriger l’ancrage de diverses cibles (biomolécules ou nano-objets) sur des zones précises prédéfinies sur un substrat. Ceci est particulièrement intéressant dans le domaine des biocapteurs à plasmons localisés (LSPR) où la transduction ne peut se faire que sur des nano- structures métalliques. L’enjeu est alors d’assurer que les molécules à détecter se fixent spécifiquement sur ces nanostructures et ne s’adsorbent pas sur la surface diélectrique environnante. Dans ce but, nous avons développé dans cette thèse des fonctionnalisations orthogonales de surfaces micro et nanostructurées d’or sur silice à l’aide de divers thiols et silanes. Par rapport à l’état de l’art dans ce domaine, nous avons notamment proposé un protocole en une seule étape et démontré la bonne orthogonalité de ces fonctionnalisations par différentes méthodes de caractérisation chimique de surface (notamment PM-IRRAS, XPS et ToF-SIMS). De plus, ces fonctionnalisations sélectives ont permis l’ancrage spécifique de diverses nanoparticules de latex sur des micro et nanostructures d’or entourées de silice, démontré par MEB. Actuellement, cette méthodologie est en cours d’application dans deux composants photoniques différents où l’on attend d’une part des effets d’exaltation de fluorescence par couplage de nano-antennes et nanobilles marquées et d’autre part un gain en sensibilité d’un biocapteur LSPR pour la détection de différentes biomolécules.

Orthogonal surface chemical functionalization is an efficient method for the selective trapping of different targets (biomolecules or nano-objects) onto predefined regions of a patterned substrate. This is specially interesting in the field of localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensors, where transduction only occurs on metallic nanostructures. The aim is thus to ensure that the target molecules can be selectively anchored onto these nanostructures and not adsorbed on the surroun- ding dielectric surface. Thus, we have developped during this PhD different orthogonal functio- nalizations of micro and nanopatterned gold on silica surfaces with thiols and silanes. In regards to the state of the art in this topic, we have proposed a single-step protocol and demonstrated the good orthogonality of such functionalizations by extensive surface chemical characterization including PM-IRRAS, XPS and ToF-SIMS analysis. Furthermore, these functionalizations have been used for the selective anchoring of different latex nanoparticles onto micro and nanopatterns of gold surrounded by silica, as shown by SEM. At the moment, this methodology is being applied in two different photonic devices where we expect on the one hand a coupling between fluorescent nano- beads and plasmonic nano-antennas and, on the other hand, the increase in sensitivity of an LSPR biosensor for detecting different biomolecules.

Advisors/Committee Members: Cloarec, Jean-Pierre (thesis director), Chevolot, Yann (thesis director).

▼ 

La mise au point de nouvelles stratégies de détection de biomolécules rapides et ultrasensibles est largement présente dans la littérature scientifique. L’émergence des nanotechnologies et la compréhension grandissante des phénomènes nanoscopiques ajoutent de nouveaux outils aux coffres des chercheurs. L’interaction lumière-matière menant à la création de plasmons de surface et leur effet sur la signature spectroscopique des molécules avoisinantes a permis aux scientifiques de révolutionner ce domaine en mettant à profit ces propriétés uniques des nano-objets. L’utilisation et le déploiement de ces technologies sont limités, en partie, par le fait que les instruments analytiques courants ne sont pas adaptés à la mesure de nanoparticules. Il y a donc un besoin criant pour le développement de plateformes flexibles permettant la détection de divers biocapteurs nanométriques. Une approche de mesure en flux permet généralement d’obtenir plus d’informations statistiques sur l’échantillon analysé tout en offrant une cadence analytique élevée, avantages indéniables pour une utilisation sur le terrain. La plateforme développée utilise un écoulement laminaire et l’encodage spatial du signal pour assurer robustesse, simplicité et sensibilité. En effet, le grand volume sondé des techniques d’encodage spatial permet la mesure de beaucoup de photons pour chaque particule tout en permettant la discrimination de particules adjacentes par corrélation croisée. De plus, cela diminue les requis d’alignement et le nombre de pièces optiques nécessaires. L’appareil mis au point utilise un capillaire carré dont l’intérieur est recouvert d’or à l’aide d’une méthodologie de placage sélectif unique qui permet la fabrication d’un code-barres interne robuste et qui rend le dispositif d’encodage et le système fluidique solidaire. Les performances d’encodage et de comptage seront présentées ainsi que l’applicabilité de la plateforme à la mesure d’un biocapteur d’ADN basé sur une nanoparticule d’argent. L’algorithme de traitement de données et les outils d’analyse de signal seront aussi présentés.

Finding new fast and ultra-sensitive ways of detecting biomolecules is the target of numerous researchers and is largely present in the scientific literature. The emergence of nanotechnology and the continously growing comprehension of nanoscopic phenomena add new tools to the scientist’s toolbox. Light-matter interactions that give rise to surface plasmons and their effect on the spectroscopic signature of surrounding molecules are key factors for the current revolution of this domain. The use of these new technologies for real world analysis is limited in part because traditional analytical instruments are not adapted to the detection of nanoparticles. This explains the need for flexible detection platforms that can measure a range of nanometric biosensors. Measuring single particles in a flow usually give more information on the distribution of the sample and a higher analytical throughput than static measurements, which are undeniable advantages…

Advisors/Committee Members: Boudreau, Denis.

▼ 

Des réseaux aléatoires de nanoélectrodes ont été utilisés comme plateformes analytiques pour développer de nouveaux biocapteurs enzymatiques ou d’affinité. Dans ce travail de thèse, il s’est agi de préparer un biocapteur à glucose miniaturisé et des immunocapteurs électrochimiques et électrochimiluminescents (ECL) pour le diagnostic de la maladie de coeliaque. Dans un premier temps, un biocapteur enzymatique de seconde génération a été développé en exploitant les propriétés de réseaux aléatoires de nanoélectrodes. Ces réseaux ont été préparés par dépôt d’or au niveau de membranes "track-etched" de polycarbonate. Le capteur à glucose a été obtenu en immobilisant la glucose oxydase sur la surface de polycarbonate non-conductrice alors que les nanoélectrodes d’or sont exploitées comme transducteur. Le cation (ferrocènylmethyl)triméthylammonium a servi comme médiateur redox dans cette configuration expérimentale qui a conduit à une limite de détection de 36 μM pour le glucose.Dans un second temps, ce travail a porté sur l’élaboration d’outils de diagnostic pour la maladie de coeliaque. C’est une maladie auto-immune qui induit une concentration anormalement élevée de l’anticorps anti-transglutaminase (anti-tTg) dans le sang. Cette molécule anti-tTG est un biomarqueur adapté pour le diagnostic de cette pathologie. Les techniques de diagnostic actuelles souffrent d’une spécificité et d’une sensibilité insuffisantes. Pour améliorer ces aspects analytiques, deux types d’immunocapteurs ont été développés. Ils différent par la nature du signal, soit électrochimique soit ECL. La première étape commune est l’immobilisation, à la surface du polycarbonate entourant les nanoélectrodes, de la protéine tTG qui permet de capturer l’anticorps anti-tTg. Pour la détection électrochimique, un anticorps secondaire marqué par la peroxydase du raifort peut réagir avec un méditeur redox tel que l’hydroquinone et ainsi induire un signal électrochimique au niveau des nanoélectrodes. Pour le capteur ECL, la capture de l’anticorps cible anti-tTG permet de fixer ensuite un anticorps secondaire biotinylé qui se lie avec le luminophore, Ru(bpy)3+2, modifié par une streptavidine. L’imposition d’un potentiel suffisamment anodique au niveau des nanoélectrodes oxyde le co-réactif, la tri-n-propylamine, et génère ainsi des flux importants de radicaux qui diffusent et induisent l’émission ECL en réagissant avec le luminophore immobilisé. Cela conduit à une limite de détection de 0,5 ng.mL-1 qui est inférieure à celle obtenue par la voie électrochimique. Les 2 immunocapteurs ont été appliqués à l’analyse d’échantillons de sérum sanguins de patients et cela a permis de discriminer les échantillons des patients sains de ceux atteints de cette pathologie.

Nanoelectrode ensembles (NEES) are prepared, functionalized and tested to prepare enzymatic and affinity sensors suitable for advanced molecular diagnostics purposes, namely the development of a miniaturized glucose biosensor and the preparation of novel electrochemical and electrochemiluminescence…

Advisors/Committee Members: Sojic, Neso (thesis director), Ugo, Paolo (thesis director).

▼ 

La D-sérine, co-agoniste endogène du récepteur N-Méthyl D-Aspartate, est impliquée à la fois dans des fonctions physiologiques telles que l'apprentissage et le vieillissement et dans des pathologies psychiatriques et neurodégénératives comme la schizophrénie ou la sclérose latérale amyotrophique. Ce travail de thèse est composé de deux parties. Premièrement, je me suis intéressée aux mécanismes de régulation de la D-sérine extracellulaire. A l'aide de biocapteurs enzymatiques développés au laboratoire, nous avons évalué, in vivo, la diffusion de la D-sérine à travers la barrière hématoencéphalique et estimé sa concentration dans différents compartiments. Nous avons aussi montré que la recapture de la D-sérine est assurée par les transporteurs de type ASC et que sa dégradation est effectuée par la D-amino acide oxydase dans le cervelet et par la sérine racémase dans le cortex. Deuxièmement, j'ai étudié l'implication de la D-sérine dans le status épilepticus, un modèle présentant une forte excitotoxicité avérée. Nous avons tout d'abord développé une méthode de comptage automatique pour quantifier précisément la mort neuronale. Puis nous avons enregistré les concentrations de D-sérine et de glutamate extracellulaires lors du status épilepticus et nous avons montré que ces deux transmetteurs ont leur concentration augmentée dans le cortex piriforme/amygdale, zones fortement touchées par l'excitotoxicité. En revanche dans le cortex où il n'y a pas de perte neuronale excitotoxique, leur concentration reste inchangée. Mieux comprendre la régulation de la D-sérine et son rôle pathologique est essentiel pour développer et adapter des traitements

D-serine, an endogenous agonist of the N-methyl-D aspartate receptor, is implicated both in physiological functions like learning, aging and in psychiatric and neurodegenerative diseases like schizophrenia and amyotrophic lateral sclerosis. This thesis work is composed of two parts. First, I studied the mechanisms regulating D-serine extracellular concentration in the brain. With biosensors developed in the laboratory, we evaluated D-serine diffusion across the blood brain barrier and estimated its concentration in different compartments in vivo. We have shown that D-serine reuptake is mediated by ASC transporters and that its degradation relies on D-amino Acid oxidase in the cerebellum and on serine racemase in the cortex. Second, I have study the implication of D-serine in neuronal lesions produced by status epilepticus, a pathological model in which excitotoxicity is demonstrated. We have developed an automatic software to determine the density of neurons in a brain slice and identify the brain regions with most neuronal lesions following status epilepticus. We have then recorded the extracellular D-serine and glutamate concentration during status epilepticus and demonstrated that the concentration of both transmitters is increased in piriform cortex/amygdala, area corresponding to extended excitotoxic neuronal death. However, in the cortex, an area without excitotoxic neuronal…

Advisors/Committee Members: Marinesco, Stéphane (thesis director).

▼ La détection d'ADN par fluorescence est un sujet chaud au cours des dernières années. Un bon nombre de méthodes sont aujourd'hui instaurées et jouent un rôle important dans divers domaines tels que les sciences judiciaires, le diagnostique de maladies infectieuses, l'identification de mutations génétiques ou encore la détection d'agents pathogènes biologiques pour n'en nommer que quelques uns. Dans la majorité des cas, le nombre de séquences cible est si faible qu'il faut avoir recours à l'amplification enzymatique (PCR) avant ou encore pendant le processus analytique afin d'amener la concentration de Panalyte au delà du seuil de détectabilité. Pour contourner la PCR, plusieurs méthodes alternatives ont été développées mettant plutôt l'emphase sur une amplification du signal analytique généré lors d'événements de reconnaissance. L'exaltation plasmonique de la fluorescence (MEF) se distingue au sein de ces nouvelles stratégies. En positionnant un fluorophore à proximité d'une nanoparticule métallique, il est possible de rehausser son efficacité d'excitation mais également d'améliorer son taux d'émission radiative. De plus, le temps de vie de l'état excité est diminué, ce qui conduit à une photostabilité améliorée mais surtout à une meilleure détectabilité optique de l'espèce luminescente. L'objectif principal de cette thèse est de combiner la plasmonique à un polymère transducteur de la réaction d'hybridation, afin de développer un biocapteur ultra sensible pour des applications de détection d'ADN et de génotypage. La première partie de ce document est consacrée à la présentation des différents concepts théoriques retrouvés dans cette thèse soient la fluorescence, les mécanismes de transfert énergétiques intermoléculaires, le génotypage et la plasmonique. Ensuite suit la section expérimentale, dans laquelle les principales techniques instrumentales utilisées dans le cadre de ce projet y compris celles dédiées à la caractérisation de systèmes nanoparticulaires sont présentées. Pour finir, les résultats obtenus pour le développement, la caractérisation et l'utilisation d'un nouveau biocapteur nanoparticulaire combinant le MEF et un polymère transducteur sont détaillés dans trois articles publiés récemment. Advisors/Committee Members: Boudreau, Denis.

▼ 

Les nouvelles stratégies pour la conception de nanomatériaux ont créé de nouvelles opportunités pour la recherche biomédicale et les applications cliniques. En raison de leur taille, les nanoparticules présentent des propriétés physiques et chimiques distinctives comparativement aux matériaux macroscopiques. Ces propriétés intéressantes ont poussé l’utilisation des nanotechnologies dans plusieurs applications biomédicales telles que l’imagerie cellulaire et la détection de molécules biologiques d’intérêt. Le marquage multiplex d’échantillons biologiques pour des expériences d’imagerie et de décompte cellulaire représente un avantage substantiel pour le diagnostic de maladies et d’infections. Dans le premier volet de ce projet, l’identification de différentes cellules a été réalisée par imagerie optique grâce à l’utilisation de nanocapteurs ayant des signatures spectrales distinctives. Les nanoparticules hybrides constituées d'un noyau métallique (Ag, Au ou In) entouré d’une coquille de silice fluorescente permettent une détection bimodale en produisant simultanément une signature de diffusion et un effet de couplage appelé « fluorescence exaltée par un métal ». Grâce à cette architecture composite, l’absorptivité, la luminosité et la photostabilité des chromophores organiques sont grandement améliorées. Par la suite, des anticorps spécifiques à un récepteur cellulaire d’intérêt ont été greffés à la surface des nanoparticules et la discrimination de différents nanocapteurs dans le même échantillon biologique a été réalisée. Dans le deuxième volet du projet, des nanoparticules or-silice ont été utilisées comme outil de diagnostic afin d’évaluer la qualité des produits sanguins. Le métabolisme des globules rouges demeurant actif pendant l’entreposage, des lésions précoces peuvent survenir et la qualité des produits utilisés pour de fins de transfusion peut en être affectée. De récentes études suggèrent que la prévalence de certains micro-ARNs serait modulée par les conditions d’entreposage des produits sanguins. Ainsi, le développement de nanocapteurs exploitant les micro-ARNs en tant que biomarqueurs pourrait permettre le suivi de la qualité des produits sanguins pendant leur entreposage.

Recent advances in the design of nanomaterials have created new opportunities in biomedical research and clinical applications. Due to their size, nanoparticles exhibit new physical and chemical properties compared to macroscopic materials. These remarkable properties have prompted the use of nanotechnologies in several biomedical applications such as cellular imaging and the detection of biological molecules. Multiplex cells labeling of biological media represents a substantial advantage for the diagnosis of diseases, infections, and cell abnormalities. In the first part of this project, the identification of different cells in biological products was achieved by optical imaging through the use of nanosensors having different spectral signatures. These hybrid nanoparticles composed of a metallic core (Ag, Au or In) surrounded by a…

Advisors/Committee Members: Boudreau, Denis, Brouard, Danny.

▼ 

Le développement de nouveaux matériaux pour augmenter les performances des capteurs biologiques est très important lorsqu'on sait que les signaux électriques constituent la base des évènements biologiques fondamentaux comme l’activité cérébrale, le battement du coeur ou la sécrétion hormonale. Ces signaux cellulaires sont souvent enregistrés avec des sondes qui nécessitent des modifications génétiques ou chimiques. Cependant, des signaux intrinsèques pourraient être exploités directement. Des matrices de microélectrodes extracellulaires (MEAs) et des transistors électrochimiques à base de polymères (OECTs) sont par exemple sensibles aux flux ioniques. Ils sont, de plus, non-invasifs et donnent des informations importantes sur l’activité cellulaire. Cependant, ils ne peuvent différencier les espèces ioniques impliquées dans les signaux pour l’obtention d’une image précise de l’activité électrique. Ce travail de thèse a ainsi consisté dans : le développement de polymères bivalents ion-sensibles et conducteurs électroniques, la démonstration de leur biocompatibilité avec des cellules bêta-pancréatiques, la fabrication de transistors OECTs intégrant ces matériaux et la preuve de concept de son applicabilité comme plateforme non-invasive pour la détection de flux ioniques.

The generation of novel materials to harness the power of biological sensors is extremely attractive because precisely configured electrical activities form the base of key biological events such as brain activity, heart beat or vital hormone secretion. Cellular signals are often recorded using probes that require genetic or chemical manipulation. Intrinsic signals offer the huge advantage to harness these properties without further transformations. Extracellular microelectrode arrays (MEAs) and polymer-based organic electrochemical transistor arrays (OECTs) rely on the movement of ions, are non-invasive and provide some information on cell activity. However, they cannot resolve fluxes of specific species as targeted ions to obtain a precise picture of cell/organ activity. In this context, this work has consisted on the development of multimodal ion-sensing polymers, demonstration of their biocompatibility to beta-cells, the engineer of original OECTs incorporating these materials and demonstration of their viability as non-invasive platform of electrical cell activity and specific ion fluxes.

Advisors/Committee Members: Cloutet, Eric (thesis director), Lang, Jochen (thesis director).

▼ 

Nous avons développé un nano-fil conducteur, constitué uniquement de protéines et bio-inspiré des nano-fils bactériens conducteurs. Pour cela, une protéine chimère a été créée par l'association d'une protéine prion capable de s'auto-assembler en fibre et d'une métalloprotéine, une rubrédoxine, capable d'effectuer des transferts d'électrons. Comme montré par des techniques de microscopies et de spectroscopies (absorbance UV-visible et RPE), la protéine chimère est capable de former des fibres à la surface desquelles on retrouve les rubrédoxines. Les propriétés électroniques des nano-fils ont été caractérisées par des mesures courant-tension sur des échantillons secs et par électrochimie. Les mesures courant-tension ont montré que la conduction se faisait par plusieurs mécanismes. Les acides aminés aromatiques présents au centre du domaine prion semblent impliqués dans un des mécanismes de conduction. Les mesures électrochimiques ont quant à elles montré une conduction par sauts entre rubrédoxines. De plus, nous avons utilisé les nano-fils comme interface entre une enzyme, la laccase, et une électrode. Un courant électrocatalytique dû à la réduction de l'oxygène a été obtenu prouvant ainsi la capacité de nos nano-fils à agir comme médiateurs d'électrons. Les nano-fils conducteurs faits de protéines sont une structure intéressante pour comprendre le transport de charges dans les systèmes biologiques et sont également très prometteurs pour le développement de la bioélectronique et plus particulièrement de biocapteurs et de biopiles enzymatiques

The discovery of bacterial nanowires able to transport electrons on long range within biofilms and transfer them to electrodes is very promising for the development of bioelectronics and bio-electrochemical interfaces. However, their assembling process, their molecular composition and the electron transport mechanism are not fully understood yet. We took inspiration from bacterial nanowires to design conductive protein nanowires. We fused the sequence of a rubredoxin, an electron transfer iron-sulfur protein, to the sequence of HET-s(218-289), a prion domain that forms amyloid fibril by self-assembling under well-defined conditions. The resulting chimeric protein forms amyloid fibrils and displays redox proteins organized on the surface as shown by microscopy techniques and UV-Vis and EPR spectroscopy. Electron transfer mechanisms were studied in “dry state” current-voltage (I-V ) measurements and as hydrated film by electrochemistry. Dry state measurements allowed to evidence several conduction pathways with a possible role of aromatic residues in the conduction. Electrochemistry revealed electron transport by hopping between adjacent redox centers. This property allowed the use of our protein as mediator between a multicopper enzyme (laccase) and an electrode for electrocatalytic reduction of oxygen. These protein nanowires are interesting structures for the study of charge transport mechanisms in biological systems but are also very promising for the design of biosensors and…

Advisors/Committee Members: Forge, Vincent (thesis director).

▼ La maladie d’Alzheimer est une pathologie neurodégénérative qui amène à une perte progressive de la mémoire et cause des changements comportementaux. Selon plusieurs théories, le développement de cette maladie est associé à l’accumulation du peptide amyloïde beta et de la protéine tau dans des zones précises du cerveau humain. A l’heure actuelle, les approches thérapeutiques testées sont fondées sur l’hypothèse de la cascade amyloïde, mais les résultats n’ont pas été jugés suffisamment efficaces. Pour augmenter les chances de succès des traitements thérapeutiques existants, de meilleures techniques pour un dépistage précoce de l’Alzheimer semblent nécessaires. De ce fait, dans cette thèse, des stratégies innovantes pour l’analyse d’un des biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer sont proposées. En particulier le projet porte sur l’analyse de la protéine tau avec des biocapteurs basés sur la Résonance de Plasmons de Surface (SPR). L’augmentation du niveau de ce biomarqueur dans le Liquide Céphalo-Rachidien (LCR) est déjà indicateur d’un processus de neurodégénérescence. De plus, si la mesure de la protéine tau est combinée à celle d’autres biomarqueurs de la pathologie (i.e. : amyloïde beta), les possibilités de dépistage sont fortement augmentées. Les travaux ont portés sur deux aspects : initialement l’interaction antigène-anticorps a été exploitée pour développer un immunocapteur pour la protéine tau. En utilisant cette technologie, nous avons pu caractériser les paramètres analytiques de l’essai direct (avec un seul anticorps) et ceux de l’essai sandwich (avec deux anticorps complémentaires). Dès ces premières approches, nous avons remarqué le besoin d’augmenter la sensibilité de la méthode SPR développée. En effet la limite de détection pour l’essai sandwich était de l’ordre du nM, alors que les niveaux de tau dans le LCR sont de l’ordre du pM. L’utilisation de nanotechnologies, en particulier des nanotubes de carbone, a permis d’atteindre des niveaux proches du pM, avec de bonnes performances en terme de répétabilité de l’essai.Une approche alternative a été conçue dans la deuxième partie du projet. Elle était consacrée à la sélection d’un aptamère pour la protéine tau, afin d’exploiter les avantages de cette classe de récepteurs par rapport aux anticorps. Pour accomplir cet objectif, deux stratégies de sélection ont été mises en place. Premièrement la sélection traditionnelle (SELEX, Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) a été appliquée en utilisant l’Electrophorèse Capillaire (EC) comme moyen de séparation. Bien que de nombreuses conditions aient été modifiées, avec le SELEX traditionnel nous n’avons pas observé une évolution significative de l’affinité entre les séquences d’ADN et la protéine tau. Dans la deuxième approche nous avons utilisé la même méthode de séparation pour mener la sélection à travers l’EC-Non-SELEX. En utilisant cette méthode, où les étapes de PCR étaient réduites, une évolution positive a été observée après seulement trois rounds. En effet cinq séquences parmi celles… Advisors/Committee Members: Peyrin, Eric (thesis director), Minunni, Maria (thesis director).

▼ 

Le diamant dopé bore (BDD) est un matériau extrêmement prometteur pour applications biomédicales par son unique combinaison de propriétés. Cette thèse a visé le développement de nouvelles structures de micro-électrodes en BDD et l'étude de leur intérêt et leurs performances pour des applications électroanalytiques et électrophysiologiques. En dépit de leurs propriétés électroanalytiques très supérieures à d'autres matériaux d'électrodes plus conventionnels, les électrodes BDD sont sujettes au «fouling», i.e. l'apparition d'un film à la surface du diamant qui réduit la réactivité électrochimique. Ceci est très compromettant dans des milieux complexes comme l'urine, les eaux stagnantes, des boissons, le plasma sanguin etc. Ici, un nouveau traitement d'activation a été développé pour nettoyer la surface des électrodes et recouvrir leur réactivité initiale, donc il permet leur usage pour de longues périodes d'enregistrement sans dégradation du signal. Ceci permet l'usage de ce type d'électrodes, pour des domaines d'applications, pour le suivi continu d'analytes, sans entretien spécifique, en solutions complexes. La grande originalité de ces techniques d'activation est qu'elle peut être menée directement dans l'analyte lui-même. En comparaison avec leurs équivalents en macro-électrodes, les microélectrodes permettent d'obtenir de plus grandes sensibilités, des courants résiduels moindre, des pertes ohmiques moindres, et donc des rapports signal à bruit meilleurs. Un procédé robuste et fiable a été optimisé pour la fabrication de réseaux de microélectrodes (MEA MicroElectrode Arrays) et d'ultra micro-électrodes, permettant par lithographie sur 4 pouces d'offrir une large flexibilité de fabrication. Par exemple, parmi d'autres prototypes, des microélectrodes BDD ont été utilisées pour applications de biocapteurs pour quantifier l'acide urique en temps quasi-réel. Bien que le diamant possède une très bonne biocompatibilité et des propriétés électrochimiques excellentes, la faible relative capacité de double couche limite leur application pour des applications électrophysiologiques. Des procédés de nanostructuration ont ainsi été mis au point pour accroitre les limites d'injection de charge. Parmi les approches, des procédés hybrides à base de polypyrrole se sont révélés prometteurs, de même que des procédés de gravure pour former de la «nano-herbe» diamant, très intéressantes pour la fabrication de MEAs en BDD. Ces matériaux à fort rapport d'aspect apparaissent comme d'excellents candidats pour applications d'interfaces neuronales et notamment pour la fabrication d'implants rétiniens.STAR

Boron doped diamond (BDD) electrodes are extremely promising in the field of biomedical applications as they exhibit a unique combination of properties. The thesis aims at developing new types of BDD microelectrodes and exploring their interests for electro-analytical and electrophysiological applications. Despite their superior electro-analytical properties, BDD electrodes are prone to fouling, which leads to a loss of electrode…

Advisors/Committee Members: Mailley, Pascal (thesis director), Bergonzo, Philippe (thesis director).

▼ Abstract: The study, detection and identification of pathogens is a major issue for food safety and medicine. However, bacterial pathogens present at low concentrations often require a period of more than 36 hours to be identified by standard methods. This delay is extremely constraining for areas where rapid diagnosis is a key factor. There is therefore a strong demand for the development of tools to better understand bacterial behavior and thus develop faster and more efficient detection techniques. SPR imaging systems are widely used for the analysis of molecular interactions, as they allow parallel, real-time and unlabeled measurement, while being easy to use and compatible with complex media. This technique has proven effective in the study and detection of bacteria using molecular interactions with antibodies, but detection times remain penalizing. In this context, a new imaging system allowing the study and specific detection of high- performance bacterial pathogens is being developed, taking advantage of recent advances in SPR imaging optimized in resolution. Our system improves pathogen detection times in model environments through its ability to detect individual bacteria. It can also be used to study the interaction between bacteria and specific surfaces. Initial tests show that our instrument is capable of characterizing the bacterial behaviour of several bacterial strains in interaction with surfaces functionalized by different chemical species. Advisors/Committee Members: Charette, Paul G. (advisor), Livache, Thierry (advisor), Leroy, Loïc (advisor), Canva, Michael (advisor).

▼ 

Ce travail concerne l'extraction d'enzymes de la famille des polyphénol oxydases à partir de champignons, leur caractérisation biochimique et leur immobilisation dans des matrices solides. Ces enzymes ont tout d'abord été extraites du champignon de Paris (Agaricus bisporus) puis partiellement purifiées. Une étude de leur activité enzymatique, de leur domaine de stabilité et de leur comportement thermique a été effectuée, ainsi que l'identification d'inhibiteurs. Cette approche a été étendue à la polyphénol oxydase de la truffe de désert (Terfezia leonis Tul.). Ces deux enzymes ont ensuite été piégées dans des gels de silice pour le dosage de la dopamine par un biocapteur optique et dans un gel d'alginate pour la dégradation du phénol.

This work is devoted to the extraction of enzymes belonging to the polyphenol oxidase family from mushrooms, their biochemical characterization and their immobilization in solid hosts. These enzymes were first extracted from Paris mushrooms (Agaricus bisporus) and partially purified. A study of their enzymatic activity, stability conditions and thermal behavior was performed, together with the identification of inhibitors. A similar approach was applied to polyphenol oxidase extracted from desert truffle (Terfezia leonis Tul.). These enzymes were then trapped in silica gels for dopamine determination using an optical biosensor and in an alginate gel for phenol degradation.

Advisors/Committee Members: Benmansour, Abdelhafid (thesis director), Coradin, Thibaud (thesis director).

▼ 

Ce travail de thèse porte sur la conception d’un « laboratoire-sur-fibre » original dédié à l’analyse moléculaire à distance, sans marquage et in vivo compatible dans l’avenir avec les examens endoscopiques et dédié à l’assistance aux diagnostiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de faisceaux de fibres microstructurés. Lorsqu’ils sont correctement conçus et recouverts d’une couche d’or, ces assemblages de fibres présentent des propriétés plasmoniques intéressantes. Dans un premier temps, le modèle numérique utilisé pour atteindre une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l’optimisation de la sensibilité des capteurs est expliqué. Les simulations, basées sur l’optique géométrique, ont été utilisées pour optimiser la géométrie des pointes et l’épaisseur de la couche d’or dans le but d’améliorer les performances analytiques et permettre ainsi des détections d’interactions biochimiques. Le processus de fabrication des capteurs est ensuite expliqué depuis leur structuration par gravure chimique effectuée à l’ISM (Bordeaux) jusqu’à leur métallisation réalisée au CEA Grenoble. Une comparaison entre les comportements théoriques et expérimentaux et alors menée pour comprendre l’influence de l’hétérogénéité du dépôt d’or et des surfaces gravées sur la sensibilité optique. Ces propriétés optiques sont ensuite exploitées jusqu’à la preuve de concept d’analyses biochimiques déportées. Cette étape a été réalisée en deux temps : d’abord la sensibilité à l’indice local a été démontrée en détectant l’adsorption d’une couche organique auto-assemblée et ensuite un suivi de l’interaction spécifique entre deux brins d’ADN complémentaires a été effectué. Le manuscrit s’achève par une analyse des aspects plus complexes liés à la nature peu multimodale des fibres présentes dans le faisceau. La théorie des guides d’ondes est alors utilisée pour expliquer l’influence du caractère modal de la propagation de la lumière sur les réponses des fibres optiques.

This Ph.D. thesis focuses on the design of an original “lab-on-fiber” tool for remote, label-free in vivo molecular analysis that could be dedicated in the future to endoscopic diagnosis. Our approach is based on functionalized microstructured optical fiber bundles. When appropriately designed and covered by a gold layer, those fibers exhibit interesting plasmonic properties. First, the numerical model used to reach a better understanding of the physical phenomena involved in the optimization of the sensor’s sensitivity is explained. The simulations based on ray optics were then used to optimize the fiber tip geometry and gold coating thickness to enhance the analytical performances and ultimately allow biochemical detections. The fabrication process of the sensor is then explained going from the chemical etching done by the ISM team (Bordeaux) to the metallization of the tips performed at the CEA Grenoble. A comparison between theoretical and experimental behaviors is then conducted to assess the influence of the heterogeneity of both the gold deposit…

Advisors/Committee Members: Buhot, Arnaud (thesis director), Leroy, Loïc (thesis director), Engel, Elodie (thesis director).

▼ 

Les traumatismes crâniens (TC) représentent la première cause de décès ou de handicap avant l'âge de 45 ans, avec une incidence en Europe de 235/100 000 habitants. Chez les patients survivant à un TC, les séquelles sont fréquentes allant de l'état végétatif chronique au syndrome post-concussionnel compliquant principalement la réinsertion socio professionnelle et familiale des victimes. Cependant la nature des lésions cérébrales provoquées par un TC est encore mal connue et les thérapies susceptibles d'empêcher la progression des lésions neurologiques sont très limitées. Un TC provoque d'abord des lésions directement dues à l'impact (lésions primaires). D'autres mécanismes secondaires vont avoir lieu dès les premières minutes suivant le TC et peuvent évoluer sur plusieurs jours. Elles sont susceptibles d'être atténuées par une thérapeutique appropriée et sont donc l'objet de la plupart des efforts de recherche actuels. Néanmoins, notre connaissance de ces phénomènes d'agression primaires et secondaires, est incomplète et ne permet pas d'expliquer correctement l'évolution des TC. Les dépolarisations corticales envahissantes (DCE) ou cortical spreading depolarizations””sont un des évènements délétères contribuant aux lésions secondaires consécutives au TC. Les DCE sont des vagues de dépolarisation massive associées à un mauvais pronostic. Elles sont caractérisées par une dépression de l'activité electrocorticographique et une dépolarisation des neurones corticaux et des astrocytes qui se propagent sur le cortex. Les DCE s'accompagnent d'une augmentation des besoins métaboliques visant à restituer au tissu son état d'homéostasie neurochimique et de polarisation cellulaire. Les conséquences des DCE sur le métabolisme cérébral sont encore mal connues aussi bien sur un tissu sain qu'après agression cérébrale. Il existe des arguments pour penser que l'incidence, le nombre et la durée des DCE sont associés à un moins bon pronostic chez l'homme après agression cérébrale. Cependant, les mécanismes par lesquels ces DCE auraient une toxicité directe reposent encore sur des arguments le plus souvent indirects et sont mal compris. L'objectif principal de ce travail de thèse a été de caractériser les conséquences neurochimiques et micro-vasculaires des DCE afin de mieux comprendre leur physiopathologie dans un cortex sain ou agressé par un TC sévère

“Traumatic brain injury” (TBI) encompasses a heterogeneous group of physio-pathological phenomenon. Prognosis, clinical course evaluation and treatment of brain trauma remain challenging. Brain damage results from both the initial physical insult (primary injury), and also continues to occur in the ensuing hours to days because of secondary brain aggressions. Among secondary injuries following TBI, Cortical Spreading Depolarizations (CSD) have emerged since the mid-90s. CSD are waves of depolarization propagating along the cortex at a speed of 1-5 mm/min that induced a massive energetic demand to repolarize the cells. CSD are participating to prognosis because their occurrence and…

Advisors/Committee Members: Marinesco, Stéphane (thesis director), Lieutaud, Thomas (thesis director).