Depuis que l’optofluidique a été introduite au début des années 2000, beaucoup de dispositifs combinant à la fois l’optique et la microfluidique ont été développés. Ces travaux ont proposé de nombreuses voies originales pour l’analyse biologique et le diagnostique médical. Parmi ceux-ci, citons par exemple, les guides d’ondes liquide-liquide (également appelés guides d’ondes L2), les lentilles liquides adaptatives, les lasers multicolores à microgouttes, ou encore les microscopes optofluidiques sans lentilles.Ces systèmes offrent de nombreux avantages liés à la microfluidique comme leurs flexibilités et leurs accordabilités. Néanmoins, la plupart de ces systèmes reposent sur l’utilisation d’une source de pompage optique externe devant être couplée aux puces microfluidiques avec le plus grand soin.Le but de ces travaux de thèse est d’augmenter l’autonomie et la portabilité des systèmes optofluidiques en intégrant directement la source lumineuse sur les puces. Nous proposons donc ici d’exploiter la voie électrochimiluminescente comme méthode de pompage électrique. L’annihilation du luminophore 9,10-Diphenylanthracene permet ainsi d’obtenir une faible longueur d’onde d’émission dans le domaine du visible.Ainsi nous montrons dans ces travaux la mise en œuvre d’une nouvelle technologie de fabrication pour réaliser un circuit optofluidique d’une source lumineuse intégrée. La fabrication de cette puce a permis d’obtenir des résultats d’électrochimiluminescence sur puce montrant ainsi la compatibilité de cette approche. Les expériences effectuées pendant ces travaux ouvrent ainsi la voie au pompage électrique sur dispositifs optofluidiques. / Since optofluidics was introduced in the early 2000s, a lot of devices combining microfluidic and optic have been developed such as L2 waveguides, adaptive liquid lenses, microdroplet multicolour dye laser, or lensless optofluidics microscopes.These systems offer many advantages allowed by microfluidic like flexibility and accordability. However most of them generally need an external optical source carefully coupled to the microfluidic device.The purpose of this PhD thesis is to improve autonomy and portability of microfluidics systems integrating light source on the chip. Hence, we suggest here to use the electrochemiluminescence way to reach electrical pumping. 9,10-Diphenylanthracene annihilation allowed us to obtain a low wavelength in the visible domain.Therefore, we show here the implementation of a new fabrication technology to make an integrated on chip optical source. The chip fabrication allowed us to obtain on chip electrochemiluminescence results showing the compatibility of this approach. The experiments realised during these works open the way to electrical pumping way on optofluidic chips.

Cette thèse vise à développer de nouveaux matériaux hybrides pour les applications en électrochimiluminescence. Les propriétés électrochimiluminescentes de nouveaux complexes de Pt(II) et d’Ir(III) ont été explorés comme alternative aux marqueurs existants. En plus, la combinaison de complexes et de carbon nanodots portant des groupes primaires ou tertiaires à la surface comme espèces coréactives a abouti à une stratégie intéressante pour éliminer la TPrA. Les carbon nanodots dans un systéme lié par liaison covantent avec complexes métalliques sont non seulement un support innocent pour les espèces actives d’ECL, mais agissent également comme coréactif, se révélant être une plateforme auto-améliorante en ECL. Enfin, un véritable immunoessai pour la détection des marqueurs cardiaques a été mis au point avec une sensibilité et une stabilité accrues pour les applications de détection biologique et biomédicale. La même technologie peut alors être appliquée à une variété d’autres analytes, ouvrant ainsi le site à d’autres dosages. / This doctoral dissertation aim to develop new hybrid materials for ECL applications. In the field of metal complexes, the electrochemiluminescent properties of new Pt(II) and Ir(III) complexes were investigated as alternative of existing complexes. Passing to nanomaterials, the combination of labels and NCNDs bearing primary or tertiary groups on the surface as alternative co-reactant species resulted an interesting strategy to eliminate the toxic TPrA. In particular, NCNDs in covalently linked system with metal complexes is not only an innocent carrier for ECL active species, but act also as co-reactant in the ECL process, revealing itself an ECL self-enhancing platform. Finally, a real immunoassay for cardiac marker detection has been built with enhanced sensitivity and stability, which is of fundamental importance for biological and bio-medical detection applications. The same technology can be applied to a variety of other analytes opening the venue to other assays.

La chimiluminescence électrogénérée (ECL) est une technique analytique puissante exploitée pour la détection autant au niveau industriel que dans le domaine de la recherche scientifique ou du diagnostic clinique. La sensibilité élevée et la bonne sélectivité de cette technique font de l'ECL une méthode analytique de choix pour un large éventail d'applications, dont la plus importante est son utilisation commerciale dans un grand nombre de tests immunologiques à base de billes fonctionnalisées. Dans cette thèse, nous avons cherché à étudier le phénomène ECL et son application pour le développement de nouvelles techniques analytiques.Dans la première partie de ce travail, nous utilisons les techniques d'imagerie pour étudier les mécanismes ECL se produisant sur les billes utilisées pour les tests immunologiques. La cartographie de la réactivité au niveau d'une seule microparticule fonctionnalisée avec un complexe de ruthénium fournit une nouvelle stratégie visant à tester l'efficacité du co-réactif et montre des effets optiques associés de focalisation.Dans la deuxième partie, la conception d'un test immunologique pour la détection de l'anti-transglutaminase pour le diagnostic de la maladie coeliaque est présentée en utilisant des ensembles de nanoélectrodes comme plates-formes bioélectroanalytiques. Nous avons également étudié les caractéristiques de l'ECL générée par des réseaux de nanoélectrodes dopées au bore-diamant en tant que matériaux prometteurs pour des applications biologiques ainsi que l'efficacité ECL de deux co-réactifs sur ces réseaux.L'électrochimie bipolaire est un processus sans contact que nous avons exploité pour contrôler le mouvement d'objets conducteurs exposés à un champ électrique en l'absence de contact ohmique direct. Dans la troisième partie de ma thèse, nous présentons l'ECL couplée à l'électrochimie bipolaire pour le suivi d’objets autonomes luminescents. Nous avons élargi ce concept à la détection enzymatique dynamique de glucose en utilisant l'émission de lumière ECL comme signal analytique. / Electrogenerated chemiluminescence (ECL) is a powerful analytical technique exploited for clinical, industrial and research applications. The high sensitivity and good selectivity, makes ECL a tool-of-choice analytical method for a broad range of assays, most importantly for a large number of commercialized bead-based immunoassays. In the present thesis, we aimed to study the ECL phenomenon and its application in development of new analytical methods.In the first part of this work, we used an imaging technique to investigate the ECL mechanisms operating in bead-based assays. Spatial reactivity mapping at the level of a single functionalised bead provides a new strategy to test the co-reactant efficiency and shows associated optical focusing effects.In the second part, the design of a novel anti-transglutaminase ECL immunoassay for celiac disease diagnostic is shown using nanoelectrode ensembles as bioelectroanalytical platforms. We also studied the characteristics of ECL generated by arrays of boron-doped-diamond nanoelectrodes (BDD NEAs) as a promising materials for bioapplications. The ECL efficiency of two co-reactants at BDD NEAs was investigated.Finally, bipolar electrochemistry is a ‘‘wireless’’ process that was exploited for the controlled motion of conductive objects exposed to an electric field in the absence of direct ohmic contact. In the third part of the thesis, we report ECL coupled to bipolar electrochemistry for tracking the autonomous trajectories of swimmers by light emission. We further expanded this concept for dynamic enzymatic sensing of glucose concentration gradient using ECL light emission as an analytical readout.

Ce travail présente l'utilisation de réseaux d'électrodes de carbone sérigraphiés pour la réalisation de biopuces. Dans un premier temps, un modèle biopuce enzymatique basé sur la détection électrochimiluminescente et permettant le dosage de métabolites sanguins est présenté.<br />Puis, un principe novateur d'immobilisation de biomolécules aboutissant à leur fixation covalente sur les réseaux conducteurs est présenté. Cette méthode directe impliquant les propriétés d'électro-adressage des sels de diazonium est caractérisée. Elle est alors utilisée afin d'électro-adresser des anticorps, et de réaliser des détections immunologiques. Une biopuce à oligonucléotide est également réalisée selon ce modèle. <br />L'électrodéposition d'or à la surface des électrodes ainsi que son effet sur l'électro-adressage et sur la détection chimiluminescente sont présentés.<br />Une troisième partie expose l'électro-adressage de biomolécules sur des surfaces d'or afin de réaliser des détections en imagerie par SPR.

Le travail de cette thèse intitulée "Nanomatériaux luminescents pour des applications en diagnostic" consiste en la synthèse, la caractérisation et les applications en bioimagerie des nanomatériaux. Des nanoparticules de silicium ont été synthétisées et modifiées avec des groupements fonctionnels (amino, carboxylate, sucre et complexes de platine(II)) sur la surface et appliquées dans l'imagerie cellulaire avec des cellules HeLa. En outre, l'ensemble des nanoparticules de silicium modifiées avec des complexes de platine(II) présentent un effet d’émission d’agrégation induite (AIE) intéressant. Par ailleurs, une série de complexes d'iridium(III) ont été synthétisés permettant d’obtenir une émission allant du jaune au rouge. Ces complexes d'iridium(III) ont en outre été utilisés pour une application en électrochimiluminescence (ECL). L’ECL est un outil d'imagerie qui génère des émissions sans excitation lumineuse et qui attire de plus en plus l’attention dans les analyses biologiques. Des nanosytèmes de « carbon dots » et des nanoparticules de silicium modifiés avec des complexes métalliques ont également été étudiés pour des propriétés en ECL. / The work of this thesis titled “Luminescent Nanomaterials for diagnostic applications” is synthesis, characterization and bioimaging applications of nanomaterials. Silicon nanoparticles were synthesized and modified with different functional groups such as amino, carboxylate, sugar and platinum(II) complex on the surface, and applies for cellular imaging at HeLa. Moreover, the assembly platinum(II) complexes modified silicon nanoparticles exhibit an interesting aggregation induced emission (AIE) effect. In addition, a series of iridium(III) complexes were synthesized with tunable emission color from yellow to red. Those iridium(III) complexes were further used for electrochemiluminescence (ECL) application. ECL is an imaging tool that generate emission without light excitation and has gained more attention in many bioassays. Besides, nanosystem of metal complex modified carbon dots and silicon nanoparticles were also investigated the ECL properties.

Ce travail de thèse a pour objectif l’étude de l’électrochimiluminescence (ECL) et son application pour le développement de nouvelles techniques analytiques. De par son importante sensibilité, l’ECL est une technique performante pour des applications telles que les diagnostics cliniques ou la chimie environnementale (présence d’agents contaminants dans l’eau ou la nourriture). L’immobilisation du luminophore ECL est réalisée généralement sur une phase solide. Cette étape constitue une phase essentielle pour obtenir une méthode d’immobilisation rapide, simple, flexible et efficace de ces luminophores ECL, tout en permettant une utilisation pour des systèmes variés. La première partie de ce travail présente l’optimisation de la déposition électrochimique de films de métallopolymère de ruthénium et son application pour la détection enzymatique. Un film d'épaisseur micrométrique de cet hydrogel redox a été préparé par voltamétrie cyclique. Cet hydrogel immobilisé a permis la détection d’un substrat modèle (le glucose) en utilisant l'enzyme glucose déshydrogénase. La seconde partie se concentre sur le développement d’une nouvelle méthode de photodéposition d’un polymère. Celle-ci permet l’immobilisation de centres actifs sur des régions sélectives. En utilisant les techniques de photolithographie, les figures du masque sont projetées sur la surface des électrodes. Cela permet la réalisation de spots micrométriques dont la taille, forme et épaisseur sont modulables. Les propriétés électrochimiques des films nanométriques obtenus sont comparables à ceux obtenues par électrodéposition. De même, les spectres ECL réalisés avec polymères immobilisés par ces deux stratégies sont identiques. Ces résultats montrent que les états excités induits lors de l’ECL sont identiques avec les deux techniques d’immobilisation. Le développement d'un tel procédé constitue une alternative prometteus pour la réalisation de réseaux de spots ECL différenciés et permettant la détection multipléxée par imagerie ECL. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons associé la spectroélectrochimie et l'imagerie ECL pour contribuer à l’étude des mécanismes ECL au niveau d'une bille micrométrique fonctionnalisée par des complexes de ruthénium. En combinant microscopie de fluorescence et imagerie ECL, la distribution des sites électroactifs et des sites ECL a pu être mise en évidence. A partir de cette étude, nous pouvons clarifier les mécanismes conduisant à l'émission ECL au niveau de ces billes fonctionnalisées. / The main goal of this thesis was to study electrogenerated chemiluminescence (ECL) and its application in development of new analytical techniques. Due to its high sensitivity, ECL presents a powerful method for applications in clinical diagnostic and environmental chemistry (presence of contaminants in water or food). The immobilisation of an ECL luminophore is usually performed on a solid phase. This step is an essential point to obtain a technique for fast, simple, flexible and effective immobilisation of ECL luminophores with possibility of applications in various configurations. The first part of this work presents the optimisation of the electrochemical deposition of a ruthenium metallopolymer and its application in enzymatic detection. A redox hydrogel film with micrometric thickness was prepared using cyclic voltammetry. This immobilised hydrogel allows the detection of model substrate (glucose) using enzyme glucose dehydrogenase. The second part of this thesis is focused on the development of a new photodeposition method for the ECL polymer immobilisation. This method allows region-selective immobilisation of active centres. Using photolithographic methods, the figures from the mask are projected on the electrode surface. This allows the formation of micrometric spots which size, shape and thickness is modulated. Electrochemical properties of obtained nanometric films are comparable with those of electrodeposited films. Also, ECL spectra recorded with both immobilisation strategies are identical. It shows that the ECL excited state is the same. The obtained photopatterns were imaged using ECL. The development of such process presents an alternative for realisation of different ECL spot arrays and allows multiplexed detection by ECL imaging. In the third part of this work we have associated spectroelectrochemistry and ECL imaging to study the ECL mechanisms at the level of a single microbead, functionalised with ruthenium complex. Combining fluorescence microscopy and ECL imaging, the distribution of electroactive and ECL sites have been highlighted. From this study we can clarify the mechanism that leads to ECL emission at the level of functionalised beads.

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Les microgels sont des particules colloïdales de polymère réticulé gonflées par un solvant. Déformables et poreuses, elles peuvent changer d’état de gonflement lors de l’application d’un stimulus. Ce travail de thèse a pour but de développer de nouveaux concepts tirant profit des propriétés stimulables et de la déformabilité intrinsèque des microgels tout en approfondissant les connaissances sur le comportement de ces objets en solution et aux interfaces. Les microgels de poly(N-alkylacrylamide) sont utilisés comme modèles. Dans un premier temps, notre travail a porté sur l’étude d’un nouveau type de microgels électrochimiluminescents grâce à l’incorporation d’un complexe métallique de ruthénium dans la matrice polymère. A la transition de phase, ces microgels présentent une exaltation de l’intensité ECL jusqu’à 2 ordres de grandeur, en lien avec la distance entre les sites redox. Le concept est ensuite transposé à des microgels sensibles aux saccharides et à des systèmes comportant deux luminophores, un donneur ECL et un accepteur d’énergie pouvant donner lieu à un transfert d’énergie par résonance. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’adsorption de microgels à une interface liquide-liquide plane, en vue de mieux comprendre l’origine de la stabilité des émulsions stabilisées par ce genre d’objets. De façon analogue aux protéines flexibles, les microgels changent de conformation à l’interface, passant d’un état étendu à un état comprimé, à l’origine de variations de l’élasticité interfaciale. Les microgels ainsi adsorbés sont fonctionnalisés de façon régiosélective dans l’eau et permettent de produire des microgels non symétriques, dits Janus, susceptibles de s’auto-assembler. / Microgels are colloidal particles made of cross-linked polymer swollen by a solvent. Soft and porous, they can adapt their swelling degree in response to a stimulus. The main objective of this work is to develop new concepts taking advantage of microgels’ stimuli-responsive properties and intrinsicsoftness while deepening understanding of their properties in solution and at interfaces. Poly(Nalkylacrylamide) microgels are used as a model. Initially our work focused on the study of a new type of electrochemiluminescent (ECL) microgels thanks to the incorporation of a ruthenium complex in the polymer matrix. At the volume phase transition, these microgels exhibit an amplification of the ECL intensity up to 2 orders of magnitude, related to the decrease of the distance between redox sites. This concept is then transposed to saccharides-sensitive microgels and systems bearing two luminophores, an ECL donor and an energy acceptor in order to give rise to resonance energy transfer. The second part of this manuscript is devoted to adsorption of microgels at a planar liquid-liquid interface, to improve knowledge on the origin of the stability of emulsions stabilized by such objects. Such as flexible proteins, microgels can change their conformation at the interface, from an extended to a compressed state, causing variation in the interfacial elasticity. When microgels are adsorbed they can also be functionalized regioselectively in water to produce non-symmetrical microgels, called Janus, able to self-assemble.

Le phénomène d’électro chimiluminescence (ECL), également appelé chimiluminescence électrogénérée, consiste en la génération de l’état excité d’un émetteur suite à des réactions de transfert d’électrons se produisant initialement à la surface de l’électrode. L’état excité ainsi produit retourne à l’état fondamental en émettant de la lumière. Les réactions ECL se classent principalement en 2 grandes voies mécanistiques: les réactions d’annihilation et les réactions impliquant un co-réactif sacrificiel. Cette dernière voie a conduit à de très nombreuses applications en chimie analytique. Dans ce manuscrit, j’ai présenté mes travaux de thèse qui ont suivis 3 directions complémentaires depuis l’échelle moléculaire jusqu’à l’échelle macroscopique: la recherche de nouveaux luminophores ECL, l’étude de films d’hydrogels stimulables et le développement de nouvelles applications analytiques de l’ECL.Dans une première partie, j’ai étudié les propriétés ECL de 3 types de luminophores organiques. Ces composés ont montré des caractéristiques électrochimiques et ECL remarquables. L’efficacité ECL de ces luminophores organiques peut être modulée enjouant sur leurs structures respectives. Des luminophores de type spirofluorène ont produit une émission ECL très intense et les nanoparticules organiques correspondantes ont pu être utilisées comme nano-émetteurs ECL. L’étude des propriétés électrochimiques, photochimiques et ECL de luminophores cationiques de type triangulène et hélicène a été réalisée et présentée avec un formalisme montrant un «mur» ECL ou une cartographie ECL complète.Dans une seconde partie, la préparation de films d’hydrogels thermo-stimulables à base de poly(N-isopropylacrylamide) ou pNIPAM incorporant des centres redoxRu(bpy)3 a été réalisée sur des électrodes de carbone vitreux (GCE) et aussi sur des fibres de carbone par polymérisation radicalaire induite électrochimiquement. Les études ECL sur les GCEs modifiées ont montré que le facteur principal gouvernant les propriétés ECL est la distance entre les sites Ru(bpy)3. Le dépôt de tels films de pNIPAM-Ru(bpy)3 par électrochimie bipolaire ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de micro-objets stimulables hybrides. Dans une dernière partie, comme la chimie analytique constitue un des plus importants attraits de l’ECL, deux applications analytiques sont présentées en utilisant,d’une part, des co-réactifs de type amine modifié par l’acide phénylboronique, et,d’autre part, des faisceaux de fibres optiques recouverts d’or. La réaction de complexation de saccharides par le groupe phénylboronique modifie les propriétés électrochimiques du co-réactif amine en rendant son oxydation à l’électrode inefficace,ce qui provoque la diminution du signal ECL. En changeant la longueur de l’espaceur de ces co-réactifs qui portent deux groupements phénylboroniques, nous avons pu mesurer sélectivement la concentration de D-glucose et de D-fructose. Mon travail a enfin porté sur le développement d’un objet analytique basé sur un faisceau de fibresoptiques doré qui est adressé sans contact par électrochimie bipolaire. L’ECL ainsi générée du système Ru(bpy)32+/TPrA a permis de réaliser un outil activable à distance permettant une mesure déportée via le faisceau. Ce nouvel objet analytique original devrait permettre d’étendre les mesures ECL à des environnements confinés ou dangereux. / Electrogenerated chemiluminescence (ECL) involves the energetic electron transfer reactions at the electrode with the generation of excited state of emitter, which then relax to the ground state and emit light. These ECL reactions can be divided into two main pathways: the annihilation and sacrificial co-reactant reactions. The latter has found a lot of applications in analytical chemistry. In this thesis, ECL studies towardt hree complementary directions are presented, ranging from the molecular scale tomacroscopic scale : the research of new ECL luminophores, the study of stimuli-responsive hydrogel films, and the development of new ECL assays.Firstly, I have studied three types of organic dyes for ECL investigations. These organic dyes exhibit interesting electrochemical and ECL properties. ECL efficiencies of the organic dyes can be tuned by the modification of the structures. Spirofluorene dyes show strong ECL emission, and thus its fluorescence organic nanoparticles(FONs) prepared in water were used as ECL nano-emitters. We also established an energetic ECL “wall” representation and then move forward creating ECL “map”upon electrochemical, photoluminescence and ECL studies on cationic triangulenes and cationic helicenes dyes, respectively.Secondly, the preparation of thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide)(pNIPAM) hydrogel films covalently incorporating Ru(bpy)3 redox centers were achieved on glassy carbon electrode (GCE) or carbon fiber by electrochemically induced free radical polymerization. ECL studies on the modified GCEs have provided the main factor (the average distance of Ru(bpy)3 sites) that governs the ECL process, leading to deciphering the enhanced ECL in the films. The deposition of the films on carbon fiber by bipolar electrochemistry (BPE) has opened new route to for the development of smart hybrid micro objects. Finally, analytical application is one of the most important features of ECL. We presented two different ECL assays using either the phenylboronic acid modified amine based co-reactants or gold coated optical fiber bundle. The binding of saccharides with boronic acid modified tertiary amines makes the oxidation of amines group inefficient, which decreases ECL signal response. By changing linker length of a bis-boronic acid amine co-reactant, we are able to determine D-glucose and D-fructose selectively. We also studied the ECL generation of Ru(bpy)32+/TPrA systemon the gold coated optical fiber bundle in a wireless manner by BPE, then transmission and remote detection at the opposite end of the same object. This methodmay extend the applicability of ECL assays in the confined or hazardous environments. / 电化学发光（ECL）的发生是由于在电极表面通过电子转移反应生成了发光体的激发态跃迁到基态，并伴随着发光。这些电子转移反应可划分为两种主要的途径：正负自由基湮灭反应和共反应物反应。而后者被广泛应用于分析化学领域。在本论文中，我们在电化学发光领域中进行了广泛的研究，具体有三个研究方向：新型电化学发光光团的研究、响应水凝胶膜的制备以及电化学发光分析的研究。首先，我们选择了三种不同类型的有机荧光分子用于电化学发光的研究。这些有机荧光分子展现出许多电化学和电化学发光特性。其中，螺芴荧光分子展现出了非常强的电化学发光。而且用它制备的荧光有机纳米颗粒（FONs）在水相中也可以产生电化学发光。基于对阳离子型三角烯和阳离子型螺烯的电化学、光谱学以及电化学发光的研究，我们分别建立了鉴别电化学发光“墙”和“图谱”。其次，利用自由基电聚合的方法，我们实现了在玻碳电极和碳纤维表面上制备热刺激-响应的聚异丙基丙烯酰胺（p-NIPAM）共价嫁接三联吡啶钌Ru(bpy)3 荧光分子的水凝胶膜。通过对玻碳电极上水凝胶膜的电化学发光的研究，我们发现了控制水凝胶膜中电化学发光的主要因素，从而揭秘了水凝胶膜中电化学发光增强的成因。而且，利用双电极化学（BPE）的方法，我们将此类水凝胶膜的制备应用于碳纤维上，以发展灵敏杂化微米级器件。最后，鉴于化学分析是电化学发光最重要的特征，我们构建两种不同的电化学发光分析体系：一种是基于硼酸化学修饰的三丙胺共反应物；另一种是利用镀金光导纤维。硼酸对糖类的结合弱化了三丙胺的电化学氧化效率，因此影响电化学发光的强度。通过改变双硼酸修饰共混物之间碳链的长度，我们实现了对葡萄糖和果糖的选择性检测。我们还研究了在镀金光导纤维上三联吡啶钌/三丙胺体系的 电化学发光。此研究是在双电极体系进行的，镀金光导纤维无需外部接线，镀金部位产生的发光透过光纤传输的光纤的远端，再进行检测，因此达到了电化学发光的远程检测。这一方法可应用于狭窄危险环境中的电化学发光分析。