Cette thèse porte sur la conception et la réalisation de micros capteurs à électrodes interdigitées pour la caractérisation des milieux biologiques dans la gamme de fréquences : 100 kHz - 10 MHz. L'objectif principal de ce travail est l’optimisation géométrique de la structure d’un capteur à électrodes interdigitées afin d’élargir la plage fréquentielle de mesure en réduisant les effets de polarisation. Le premier chapitre synthétise les données fondamentales relatives au comportement électrique des tissus biologiques ainsi que leurs propriétés électriques notamment en basses fréquences. Le deuxième chapitre concerne une approche théorique pour l’optimisation du capteur pour élargir la bande de fréquence utile de mesure ; ce chapitre recommande également une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de la double couche à la surface en contact entre les électrodes et le milieu biologique. Dans le troisième chapitre nous proposons une modélisation tridimensionnelle du système d’électrodes chargé par un modèle du milieu biologique sous le logiciel ConventorWare®. Les résultats de simulation sont discutés. Les résultats obtenus nous permettent d’évaluer l'influence des paramètres géométriques de la structure interdigitée du capteur ainsi que les propriétés diélectriques du milieu sur l’impédance bioélectrique. Les facteurs d’influence en fonction de la fréquence sont ainsi maîtrisés lors de la conception d’u capteur interdigité destiné à la mesure de bioimpédance. Dans le quatrième chapitre, les dispositifs ainsi que la conception et la fabrication des composants développés au cours de cette thèse sont décrits. Dans le dernier chapitre, les mesures expérimentales effectuées avec de très faibles volumes de différentes solutions (solutions étalons, sang humain) par cinq micros capteurs à électrodes interdigitées. Les mesures sur les échantillons ainsi que la validation des théories d’optimisation ont été élaborées et discutées. Enfin nous avons comparé nos résultats à des valeurs publiées dans la littérature et nous avons justifié expérimentalement la théorie d’optimisation développée. / This thesis focuses on the design and realization of interdigitated sensors for the electrical characterization of the biological medium within the frequency range: 100 kHz - 10 MHz. The main objective of this thesis is to optimize the geometry of the sensor structure according to the specificities of the interdigitated electrodes structure. This optimization leads to widen the measurement frequency range by reducing the effects of polarization at low frequency. The first chapter synthesizes the basics and fundamentals relative to the electric behavior of biological tissues as well as to their electric properties. The second chapter concerns a theoretical approach for the optimization of the sensor to widen the useful frequency band of measurement; this chapter also presents a new method to determine the parameters of the double layer at the contact interface between the electrodes and the biological medium. A three-dimensional modelling of the system, the electrodes being loaded with a biological medium, is implemented using ConventorWare® software and the results discussed in the third chapter. The results obtained allow us to evaluate the influence of the geometrical parameters of the interdigitated structure of the sensor as well as the dielectric properties of the medium on the bioelectric impedance. In the fourth chapter, the devices developed during this thesis are described. The design and the manufacturing of components are presented. The last chapter deals with the experimental measurements obtained with very small volumes of the different solutions (standard solutions, human blood) using five micro sensors that we built in the laboratory. The measurements as well as the validation of the theoretical approach are discussed. Finally we have compared our results with published values in the literature and validated our experimental and theoretical approaches developed in this work.

Le travail décrit dans cette thèse a été mené à l'interface entre trois disciplines: l'électrochimie, la science des matériaux et la microbiologie. L'objectif de cette recherche était tout d'abord d'étudier l'activité de bactéries immobilisées dans un film de silice déposé par le procédé sol-gel à la surface d'électrodes. Les applications potentielles de ce travail fondamental sont les biocapteurs, les bioréacteurs ou biopiles. L'encapsulation bactérienne assistée par électrochimie a été développée en utilisant l'électrolyse du sol de départ pour immobiliser la bactérie Escherichia Coli dans une couche mince sol-gel hybride. La combinaison de précurseurs de silice, de chitosan, de poly(ehtylène glycol) et de tréhalose permet de préserver l'intégrité membranaire et l'activité métabolique. L'électrochimie a ensuite été utilisée comme moyen analytique. Shewanella putrefaciens et Pseudomonas fluorescens ont été encapsulées dans un film à base de silice et les réactions de transfert d'électron de la bactérie à différent médiateurs rédox ont été analysées. Des nanotubes de carbone fonctionnalisés par des espèces ferrocène et la protéine rédox cytochrome c ont été utilisés pour faciliter ce transfert électronique au sein de cette matrice de silice isolante, permettant l'obtention d'un biofilm artificiel. Ces deux types de médiateurs, chimique ou biologique, ont conduit à des sensibilités différentes de la bioélectrode à l'ajout du substrat pourvoyeur d'électron en raison des mécanismes différents impliqués pour transférer ces électrons. L'immobilisation de protéines rédox membranaires a également été considérée dans ces couches minces inorganiques pour favoriser la stabilité de la réponse électrocatalytique. Les protéines considérées impliquent des mécanismes de transfert électronique différents, soit direct pour le cytochrome P450 (CYP1A2), soit médié pour la mandélate déshydrogénase. Finalement, l'influence de l'encapsulation dans une matrice sol-gel hybride sur l'infectivité du bactériophage [phi]X174 a été étudiée, montrant l'effet protecteur de la polyéthylènenimine ou du glycérol / The work reported in this thesis has been developed at the interface between three disciplines, i.e., electrochemistry, material science and microbiology. The purpose of this research was first to study the activity of bacteria immobilized in silica-based films prepared by the sol-gel process on electrode surfaces. Potential applications concern biosensors, bioreactors and biofuel cells. Electrochemically assisted bacterial encapsulation has been developed, using sol electrolysis to immobilize Escherichia coli in a hybrid sol-gel layer. The combination of silica precursors, chitosan, poly(ethylene glycol) and trehalose allowed preservation of cell membrane integrity and metabolic activity. Electrochemistry was then considered as an analytical method. Shewanella putrefaciens and Pseudomonas fluorescens have been encapsulated in silica-based films and the electron transfer reactions from bacteria to different redox mediators have been monitored. Single-walled carbon nanotubes functionalized with ferrocene moieties and bovine heart cytochrome c have been considered as redox shuttles to facilitate the electron transfer in the non-conducting silica matrix, leading to the elaboration of artificial biofilms. Interestingly, these two classes of mediator, i.e. chemical and biological, led to different substrate sensitivity because of their different mechanism of interaction with the bacteria. Immobilization of membrane associated redox proteins in sol-gel films have been then considered and applied for electrocatalysis. Direct and mediated electrochemical communication has been investigated between the electrode surface and cytochrome P450 (CYP1A2) or mandelate dehydrogenase, respectively, showing the interest of sol-gel to stabilize the bioelectrocatalytic reaction. Finally, the influence of encapsulation in a hybrid sol-gel matrix on the infectivity of bacteriophage [phi]X174 has been studied and the protective effect of polyethyleneimine or glycerol was shown