Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique. / Over the last years, the research on the label-free biosensor topic has experienced a very rapid growth because of the need to develop high-performing methods to detect and measure low concentrations of specific molecules in various fields. Among all the methods proposed, photonic crystals (PhC) structures offers a good alternative due to their sensitivity. Moreover, the use of diamond as material make the proposed device more attractive due to its optical properties, high chemical stability and efficiency of surface functionalization. In this context, this PhD thesis propose a new design of optical bio-sensor based on diamond two-dimensional photonic crystals, working at the wavelength near 800 nm.An original geometry of circular air holes arranged in squared lattice was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures to refractive index changes on their surface. It was analytically proven that modes with low group velocity are more sensitive to these variations. Numerical methods gave the necessary information to determine the optimal geometrical parameters of the PhC. The proposed design is based on measuring the shift of the angular reflectivity of a low group velocity guided mode resonance (GMR) PhC when probed with a single frequency light.Polycrystalline diamond films were grown on two different substrates, with thicknesses ranging from a few hundreds of nanometers to several micrometers. The technological processes required for the realization of PhC on polycrustalline diamond were developed or optimized, such as surface planarization by inductively coupled plasma (ICP) dry etching, diamond film transfer onto new substrate by wafer bonding process, diamond films thinning and surface patterning with PhC using Electronic Beam Lithography (EBL) and ICP methods.The samples realized in clean-room facilities were optically measured and the theoretical assumptions were validated. A GMR with a c/100 group velocity at a wavelength of 800 nm was measured and its sensitivity is estimated to be in the order of 500 degrees/ refractive index unit (°/RIU), a value that is one order of magnitude higher than the typical values encountered for sensors based on 2D PhC. These results represents a first step towards a highly sensitive bio-sensor, including a diamond surface functionalization for specific target recognition.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la validation d'un capteur pour la mesure d'impédance en cytométrie de flux associée à un dispositif microfluidique pour des cellules sanguines dans la gamme de fréquences (100 kHz-10 MHz). Un premier chapitre introduit les propriétés électriques et diélectriques des tissus vivants. Les effets de chaque élément des cellules sur l'impédance globale mesurée sont décrits, ainsi que les modèles associés. Un état de l'art, sur les mesures de l'échelle macroscopique à la mesure unitaire de cellules, est exposé dans le second chapitre. Les mesures en cytométrie de flux et l'utilisation possible des actionneurs à ondes acoustiques de surface (SAW) y sont aussi étudiées. Le troisième chapitre concerne la modélisation analytique et la simulation par la méthode des éléments finis de cellules unitaires par des microélectrodes de différentes géométries. Les résultats de cette section ont permis de déterminer les meilleures géométries, leurs sensibilités, et leurs réponses. La fabrication du capteur est étudiée dans le quatrième chapitre. Les contraintes liées à la faisabilité par les techniques de micro-fabrication et la biocompatibilité des matériaux y sont développées. Des premiers tests de validation sur les écoulements y sont effectués. Le cinquième et dernier chapitre est centré sur la mesure de cellules et particules. Des tests de calibration ont été réalisés pour déterminer le facteur de forme des électrodes et les impédances parasites. Les mesures suivantes sur des cellules et particules ont permis de valider les résultats obtenus en simulation, ainsi que la discrimination des particules testées en fonction de leurs dimensions / This thesis focuses on the implementation and validation of a microfluidic bioimpedance sensor for cytometric measures in the frequency range ( 100kHz - 10MHz ) of biological cells ( blood cells) combined with a microfluidic device. The first chapter introduces the electrical and dielectric properties of living tissues and summarizes the state of the art. The effects of each element of the cells on the overall measured impedance are described, as well as the associated models. A state of the art, on the bioimpedance macroscopic measurements unit cell is outlined in the second chapter. Measurements by flow cytometry and the possible use of surface acoustic wave (SAW) devices as actuators are also studied. The third chapter deals with analytical modeling and simulation by the finite element method of unit cells by microelectrodes of different geometries. 3D simulations were done showing the best configuration for the electrodes design. The results of this section were used to determine the best geometry, their sensibilities, and their answers. The sensor design is described in the fourth chapter. Technological constraints related to its micro- fabrication techniques feasibility and biocompatibility of materials are developed. Flows validation tests were done and are described. The fifth and final chapter focuses on the measurement of cells and particles. In a first step, calibration tests were carried out to determine the form factor of the electrodes and the parasitic impedances. Measurements on cells and particles were used to validate the results obtained in simulation, as well as discrimination based particles tested their dimensions

Parmi tous les polymères conducteurs, le polypyrrole est l’un des plus utilisés notamment à cause de ses propriétés telles que la facilité de préparation, la stabilité environnementale et la biocompatibilité qui permettent son utilisation dans de très nombreuses applications. Le polypyrrole peut être préparé par polymérisation chimique ou électrochimique, cette dernière méthode étant la plus appropriée si on souhaite entre autre contrôler l’épaisseur du film de polypyrrole déposé. Les nanostructures de polypyrrole sont généralement synthétisées en présence de gabarits (« soft-template » ou « hard-template »).Le but de cette thèse est orienté suivant deux axes. Il s’agit dans un premier temps de synthétiser des (nano)structures de polymère conducteur par voie électrochimique et sans emploi d’une matrice support. Puis dans un second temps, d’utiliser ces (nano)structures dans des applications de type (bio)capteurs.Le premier chapitre de cette thèse établit une revue de l’état de l’art concernant la synthèse, les propriétés et les applications des polymères conducteurs. Dans le deuxième chapitre de ce manuscrit, nous décrivons le matériel et les différentes techniques de caractérisation utilisées au cours de ce travail. Le troisième chapitre s’articule autour de la synthèse par voie électrochimique de films de polypyrrole suroxydé et de nanostructures de polypyrrole, alors que le quatrième chapitre présente les résultats de l’étude de l’influence de différents paramètres expérimentaux à savoir le potentiel appliqué, la durée de polarisation, le pH de la solution de pyrrole et la concentration en pyrrole et en anions d’acide faible. Dans le cinquième chapitre nous discutons les différents mécanismes de formation de (nano)structures de polypyrrole décrits dans la littérature en nous basant notamment sur les expériences de suivi du pH interfacial au cours de la polymérisation. Nous proposons également un mécanisme en accord avec les résultats obtenus avec des monomères de pyrrole ou d’EDOT. Le sixième et dernier chapitre est consacré aux applications étudiées à savoir les (bio)capteurs de glucose et de pH et la synthèse de polypyrrole sur des électrodes de titane et sur des fibres de carbone. / Polypyrrole is one of the most widely investigated conducting polymer notably due to its high conductivity under its doped oxidized form, its biocompatibility and good stability in air and aqueous media allowing its use for various applications. Polypyrrole can be synthesized either by a chemical oxidation (powder) or electrochemical oxidation (film coating). To control over the location and the thickness of the deposit, the electropolymerization can be considered as the main method. Polypyrrole nanostructures are usually synthesized in the presence of templates (hard-templates or soft-templates).The aim of this PhD thesis is oriented towards two directions. In the first one, we synthesized polypyrrole nanostructures by electropolymerization and without using a template. Then we used these nanostructures as a material for various applications including (bio)chemical sensors.The first chapter of this thesis establishes a review of the state of the art concerning the synthesis, properties and applications of conducting polymers. In the second chapter of this manuscript, we describe the equipment and various characterization techniques used in this work. The third chapter focuses on the electrochemical synthesis of overoxydized polypyrrole and polypyrrole (nano)structures, while the fourth chapter presents the results of the study of the influence of various experimental parameters. In the fifth chapter we discuss the different formation mechanisms of polypyrrole (nano)structures described in the literature based in particular on the experiences of interfacial pH monitoring during the polymerization. We also propose a mechanism in accordance with the results obtained with pyrrole or EDOT monomers. The sixth and final chapter is devoted to the applications studied namely the glucose and pH (bio)sensors and synthesis of polypyrrole on titanium electrodes and carbon nanofibers.

Les électrodes modifiées avec cyclodextrines ayant des grandes performances analytiques représentent une alternative intéressante pour le développement de (bio)capteurs électrochimiques dans un domaine attractif de la recherche pour différentes applications, et notamment les analyses pharmaceutiques et biomédicales. Le but de cette étude a été de développer de nouvelles électrodes modifiées avec β-cyclodextrine pour des applications biomédicales et pharmaceutiques. L'influence de la β-cyclodextrine a été étudiée en solution et à la surface d’électrodes.L'influence de la β-cyclodextrine en solution aqueuse sur le comportement électrochimique de certaines substances pharmaceutiques (l’acide ascorbique, l'acide urique, la caféine, la théophylline, l'aminophylline et l'acétaminophène) a été étudiée en utilisant des méthodes électrochimiques et spectrales, mettant en évidence la formation de complexes d'inclusion.Diverses techniques ont été utilisées pour la modification des électrodes avec β-cyclodextrine: l'incorporation de la β-cyclodextrine dans la pâte de carbone et le piégeage dans des films polymères de polyéthylèneimine. Ces capteurs ont permis la détermination simultanée de l'acide ascorbique et de l'acide urique. Les électrodes modifiées ont été aussi appliquées pour le dosage de l'acide ascorbique dans deux produits pharmaceutiques et pour l’évaluation quantitative de l'acide ascorbique et de l'acide urique dans l’urine humaine avec de bonnes performances.Deux types de biocapteurs basés sur une nouvelle nanostructure de graphène ont été élaborés avec de l'oxyde réduit de graphène, de β-cyclodextrine et de tyrosinase en utilisant la méthode couche par couche et l’électropolymérisation. Les nouveaux nanocomposites ont été caractérisés par des techniques spectrales, microscopiques et électrochimiques. Les biocapteurs optimisés ont été appliquées avec succès pour la détermination du catéchol et de la dopamine dans des produits pharmaceutiques et des échantillons biologiques avec une bonne récupération.La solubilisation dans l'eau de certains nouveaux fluorophores (quatre nouvelles tétrazines) en utilisant la -cyclodextrine et de nanoparticules d'or modifiées avec β-cyclodextrine a été signalée. Les assemblages supramoléculaires redox ont été caractérisés dans l'eau par analyses électrochimiques et de fluorescence. L'immobilisation de tétrazines sur différents types d'électrodes modifiées par polypyrrole-cyclodextrine a été également réalisée et examinée par techniques électrochimiques, spectroscopiques et microscopiques.Une autre contribution originale est la combinaison de la lithographie avec de nanosphères utilisant des billes de latex avec différents diamètres (900 et 100 nm), avec l’électropolymérisation du monomère pyrrole-Ru(II). Des micro et nanostructures très organisées ont été réalisées en présentant de meilleures6propriétés pour le film photosensible de poly [Ru(II)-pyrrole]. Par ailleurs, le film de poly [Ru(II)-pyrrole] a été modifié avec d'autres types de dérivés de pyrrole qui présentent de propriétés de complexation utiles pour l’immobilisation des biomolécules à la surface de l'électrode. / The cyclodextrin modified electrodes with enhanced analytical performances represent an attractive promise for the future development of electrochemical (bio)sensors and remain a very active field of research for a wide range of applications in many areas, including pharmaceutical and biomedical analysis. The aim of this study was to develop novel cyclodextrin modified electrodes for pharmaceutical and biomedical applications. The β-cyclodextrin influence was investigated both in solution and immobilized at the electrode surface.The influence of β-cyclodextrin on the electrochemical behavior of some pharmaceuticals (ascorbic acid, uric acid, caffeine, theophylline, aminophylline, and acetaminophen) in aqueous solutions was studied by using electrochemical and spectral methods, which highlighted the inclusion complexes formation.Various techniques were used for the electrode modification with β-cyclodextrin, such as: the incorporation in carbon paste and the entrapment in polymeric films (polyethylenimine). These sensors allowed the simultaneous determination of ascorbic and uric acids. The modified electrodes were also applied for the dosage of ascorbic acid in two pharmaceutical products and for the ascorbic and uric acids quantification in human urine with good performances.Two types of biosensors based on a new nanostructured graphene framework were developed with reduced graphene oxide, β-cyclodextrin and tyrosinase by using either layer by layer method or electropolymerization. These new nanocomposites were characterized by spectral, microscopic and electrochemical techniques. The optimized biosensors were successfully applied for catechol and dopamine determination in pharmaceutical products, serum and urine samples with good recoveries.The solubilization in water of some new fluorophores (four new synthesized tetrazines) by using -cyclodextrin and gold nanoparticles modified with β-cyclodextrin was reported. The redox supramolecular assemblies were characterized in water by electrochemical and fluorescence measurements. The immobilization of tetrazines onto various types of electrodes modified with polypyrrole-cyclodextrin was also achieved and examined by electrochemical, microscopic and spectroscopic techniques.Another original contribution is the combination of nanosphere lithography by using latex beads with different diameters (900 and 100 nm), with the electropolymerization of a Ru(II)-pyrrole monomer. The achievement of highly organized micro and nanostructures showed enhanced features for the photosensitive electrogenerated poly-[RuII-pyrrole] films. Furthermore, poly-[RuII-pyrrole] film was modified with other types of pyrrole derivatives presenting complexation properties in order to immobilize biomolecules at the electrode surface.

Le contrôle des propriétés physicochimiques et de l’état de surface des solides constituent un enjeu majeur pour le développement des biotechnologies, et notamment des bio-capteurs. Pour des applications en analyse et diagnostic biologique, la fonctionnalisation des surfaces à base de silicium peut être réalisée grâce à la formation d’un nano-film organique appelé SAM (Self-Assembled Monolayer). L'objectif de ce travail de thèse est ainsi de synthétiser des monocouches sur des substrats de silice afin de les rendre biofonctionnels en vue de développer une plateforme de biodétection polyvalente.Pour ce faire, deux types d'agents de couplages ont été envisagés : l'un possédant un motif azoture et l'autre une biotine. L’obtention de ces deux types de molécules a fait l’objet d’un travail de synthèse permettant d’aboutir à de nouveaux organosilanes fonctionnels directement greffables sur des surfaces de SiO2. La biofonctionnalité est introduite sur le substrat par la biotine, soit directement lors de la formation de la SAM, soit par chimie click sur les monocouches fonctionnalisées par des azotures.Les différentes surfaces obtenues ont ensuite été caractérisées par Spectroscopie Infrarouge de Réflexion–Absorption par Modulation de Polarisation (PM-IRRAS) et par Microscopie de Force Atomique (AFM). La bioactivité des SAMs biotinylées a enfin été évaluée par un protocole mettant en jeu une streptavidine modifiée par une enzyme (la HRP) capable de catalyser des réactions d’oxydoréduction de molécules chromogènes. / Control of surface physicochemical properties is a key aspect for the development of many biotechnological tools, such as biosensors. For analysis and diagnostic, the functionalization of silica-based surfaces may be carried out through the creation of an organic nano-film named a Self-Assembled Monolayer (SAM). The main goal of this PhD work is thus to synthesize monolayer on SiO2 substrates in order give them biofunctionality, aiming at developing a versatile biodetection platform.In order to do so, we focused on the synthesis of two types of coupling agents, either bearing an azide moiety or a biotin. This organic synthesis work led to two new sorts of functional organosilanes which can be directly grafted onto silica surfaces. Biofunctionality itself is introduced by the biotin, either through the formation of the monolayer or through click chemistry on azide-functionalized SAMs.Said surfaces were then fully characterized using Polarization Modulation Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (PM-IRRAS) an Atomic Force Microscopy (AFM). Bioactivity of biotinylated surfaces was then monitored using streptavidin conjugated with HRP in order to catalyze the redox reaction of chromogenic substrates.