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Cette thèse présente la conception, la caractérisation et l’utilisation d’un microsystème intégrant des fonctions terahertz (THz) guidées. L'interprétation des mesures conduit à la définition d'une métrologie des liquides aux fréquences THz.Ceci est possible par le développement de systèmes robustes, versatiles et sensibles couplant circuits microfluidiques et guides d’ondes THz intégrés. La création d'un procédé technologique compatible avec les processus microélectroniques de fabrication en « salle blanche », et le choix d’une filière silicium/polymère/verre ont permis d’obtenir une résistance à des pressions de plus de 35bar dans des canaux de 50µm de large. De plus, l’assemblage des substrats en amont de la gravure des canaux permet une conception indépendante des circuits électromagnétique et fluidique avec une définition de motifs inégalée pour ce type de microsystèmes. Les mesures réalisées avec ce dispositif ont permis d’atteindre une sensibilité aux protéines de l’ordre de 5mg/mL, état de l’art des dispositifs THz conventionnels, améliorant notablement les performances des dispositifs microfluidiques THz. Cette sensibilité a permis la caractérisation de l’hydratation de protéines en solution. Les calibrations in-situ, assurant l'obtention de mesures quantitatives, permettent d'atteindre leur nombre d’hydratation. Le couplage des mesures avec des techniques de chimiométrie conduit à l’analyse plus fondamentale de la structure et la dynamique de la couche d’hydratation, confrontée avec succès à des modèles numériques. Nous aboutissons à la définition d'un laboratoire sur puce, couplant modélisation, mesures calibrées et interprétation statistique dans le spectre THz, qui par ses caractéristiques propres, contribue à la compréhension des phénomènes d'hydratation. Le véritable apport de cette technologie réside dans ses perspectives pour le suivi des interactions dynamiques nécessaire à une meilleure compréhension du vivant. / This work presents the conception, characterization and use of a microfluidic microsystem dedicated to liquid metrology at THz frequencies. First part focuses on developing a versatile and sensitive microsystem, co-integrating microfluidic and THz integrated functions. A glass/polymer/silicon technological process (clean-room process) has been developed and leads to a robust microfluidic network, where 35bar pressures can be reached without leakage. Since wafer bonding is performed before microchannel etching, a strong versatility is obtained for the microsystem conception. Indeed, microfluidic and electromagnetic circuits can be modified independently without changing technological process parameters. Measurements with the microsystem have shown that a 5mg/mL sensitivity is obtained for protein solutions, which is about the state of the art of conventional THz spectroscopy and which increases performances of THz integrated systems. This sensitivity enables to quantify hydration around soluted proteins by computing their hydration number. Moreover, ethanol/water mixtures measurements with the microsystem coupled with chemometrics analysis leads to a better understanding of hydration phenomenon. Dynamics and structure of hydration shells have been characterized in good agreement with Molecular Dynamics models. Thus, the developed microsystem permits a quantitative analysis of liquids in the THz spectrum, dedicated to dynamics interaction understanding in biological processes.

En terme de performance, le biocapteur idéal doit avoir très grande sensibilité, basse limite de détection et temps d’analyse qui est extrêmement court. Les biocapteurs sans marquage à base de résonance de plasmons de surface (biocapteurs SPR) possèdent naturellement le temps d’analyse le plus court parmi différent types de biocapteurs. Leur limite de détection n’est cependant pas la plus impressionnante. Il y a donc un besoin pour augmenter considérablement la sensibilité intrinsèque des biocapteurs SPR afin de permettre de plus basses limites de détection. Quelques approches pour exalter la sensibilité optique des biocapteurs SPR dans la configuration « traditionnel » de Krestchmann telles que film SPR bimétallique, plasmons à longues portées et détection dans l’infrarouge proche sont examinées dans ce travail. Des configurations « non traditionnelles » comme guides optiques planaires avec couplage par réseau et structures sub-longueur d’ondes ont été aussi théoriquement étudiées. Nouvelle stratégie de fonctionnalisation de surface à base de graphène qui augmente la sensibilité de reconnaissance biomoléculaire et peut être appliquée à quasiment toute structure SPR a été également démontrée. / In terms of performance, the ideal biosensor should have high sensitivity, low limits of detection, and extremely short analysis time. Label-free surface plasmon resonance (SPR) biosensors naturally offer the shortest analysis time compared to other types of biosensors. On the other hand, the limits of detection of SPR biosensors are not the most impressive. The inherent sensitivity of SPR biosensors thus needs to be significantly improved to allow lower limits of detection. Several approaches for the enhancement of optical sensitivity of SPR biosensors in the “traditional” attenuated total reflection (ATR) Kretschmann configuration such as the use of bimetallic SPR film, long-range surface plasmons, and near-infrared operating wavelength have been investigated in this work. In addition, some “non traditional” configurations for SPR biosensors including grating-coupled planar optical waveguides and arrays of sub-wavelength structures have been theoretically studied. Novel graphene-based surface functionalization strategy with enhanced biorecognition sensitivity that can be applied to virtually any SPR structure has also been demonstrated.

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Les capteurs basés sur la résonance plasmonique de surface (SPR) sont devenus des outils très importants pour une détection sensible, sans marquage et en temps réel des interactions biochimiques et biologiques. Dans cette thèse, différents aspects de la plasmonique ont été étudiés tels que la configuration du système de détection et la façon dont les molécules sont attachées aux interfaces SPR. Dans la première partie de ce travail, l’intérêt d’un banc SPR en configuration "goutte" est présenté. Ce banc a permis d’étudier expérimentalement, pour la première fois, l’excitation des plasmons de surface par une "lame à réseaux", un dispositif intégré sans prisme. Dans la deuxième partie, différentes stratégies de fonctionnalisation de surface ont été développées sur différents types d’interfaces SPR hybrides. Une lame d’argent couverte par un film fin de silicium amorphe carboné (Ag/a-Si0.63C0.37) a été modifiée avec de l’acide nitrilotriacétique (NTA) terminé amine pour chélater les ions Cu2+. L’interaction avec les peptides his-tagués peut être suivie, d’une façon simple, par le banc SPR en "goutte". L’intérêt de l’interaction glycane-lectine a motivé le développement des interfaces SPR modifiées avec des glycanes. En utilisant l’approche de la chimie "click", les sucres mannose/lactose terminés alcyne ont été attachés d’une façon covalente sur une lame d’or/oxyde de silicium (Au/SiOx) fonctionnalisée azide. La détection de deux différents lectines (Lens culinaris et Peanut Agglutinin) par ces puces à glycanes a été validée. En parallèle, le greffage des sucres mannose/lactose "non modifiés" à l’interface Au/SiOx modifiée par l’acide tetrafluoro-azidobenzoïque (ATFBA) via le photocouplage a été analysé. Cette stratégie a montré une efficacité dans la reconnaissance spécifique des lectines comparable à celle obtenue dans le cas de la chimie "click". / Surface plasmon resonance (SPR) based biosensors have become very important tools for a sensitive, label-free and real-time detection of biochemical and biological interactions. Different aspects for plasmonic-based sensor have been investigated in this thesis such as the detection system configuration and the way molecules are linked to the SPR interfaces. In the first part of this thesis, the interest of a droplet-based SPR set-up was shown. This approach has allowed studying experimentally, for the first time, the excitation of surface plasmons by a diffraction grating chip, without integrated prisms. In the second part, different surface functionalization strategies have been developed on different thin film of a hybrid SPR interfaces. It was shown that silver-based SPR interfaces post-coated with amorphous silicon-carbon alloy (Ag/a-Si0.63C0.37) could be modified with amine-terminated nitrilotriacetic acid (NTA), a strong chelating agent for Cu2+ ions. The interaction with his-tagged peptides could be followed, in an easy manner, by the droplet-based SPR set-up. Motivated by the interest of the glycane-lectin interaction, glycan-modified SPR chips were developed. Alkynyl-terminated mannose/lactose were covalently linked to azide functionalized gold/silicon oxide (Au/SiOx) interfaces using a "click" chemistry approach, the sensing of two different lectins (Lens culinaris and Peanut Agglutinin) was validated. In parallel, "unmodified" glycans were covalently linked to azide-tetrafluorobenzoic acid by a photocoupling strategy. This strategy showed high efficiency in the specific recognition of lectins comparable to the one obtained in the case of "clicked" sugar.

Dans ce travail de thèse, de nouvelles méthodes de préparation d’interfaces recouvertes de nanoparticules d’or (Au NPs) et/ou d’oxyde de graphène réduit (rGO) ont été développées. La méthode de dépôt des nanoparticules d’or repose sur la technique dite « three phase junction » ou « jonction à trois phases ». Différentes conditions de dépôt par voltampérométrie et chronoampérométrie ont été utilisées pour optimiser la taille et la forme ainsi que la stabilité de ces nanostructures sur l’électrode. Les propriétés catalytiques des électrodes modifiées par les nanostructures métalliques ainsi obtenues ont été exploitées pour l’oxydation du glucose et la réduction d’oxygène. Ces interfaces ont montré une activité catalytique comparable à celle décrite dans la littérature pour d’autres électrodes. Ces interfaces ont été aussi investiguées comme substrats pour la spectroscopie SERS et pour la microscopie en fluorescence. La deuxième partie de la thèse a porté sur la mise au point d’une méthode simple pour la réduction et la fonctionnalisation de feuillets de GO. Deux molécules aromatiques (la dopamine et le tétrathiafulvalène, TTF) ont été utilisées pour la préparation de matériaux nanocomposites : rGO/dopamine et rGO/TTF. Les nanocomposites obtenus ont été caractérisées par différentes techniques d’analyse de surfaces et mesures électrochimiques. Les applications potentielles de ces nanocomposites ont été démontrées dans le domaine de capteurs et interrupteurs chimiques. Finalement, l’influence des Au NPs et/ou de rGO ainsi synthétisées sur les propriétés de fluorescence de biomolécules a été investiguée sur des interfaces modifiées par ces nanoobjets. / In this thesis, new methods for the preparation of interfaces covered with gold nanoparticles (AuNPs) and/or reduced graphene oxide (rGO) based materials are introduced. An electrode|aqueous electrolyte|gold precursor solution in toluene three-phase junction was applied for AuNPs electrodeposition. Nanoparticles obtained in various conditions, with cyclic voltammetry or chronoamperometry, were investigated to find optimal conditions for their electrodeposition. To characterize the properties of AuNPs deposited at the electrode surface, electrochemical, spectroscopic and microscopic methods were employed. These modified surfaces were applied as a new catalytic and bioelectrocatalytic material, as well as sensing platform for surface-enhanced Raman spectroscopy and fluorescence microscopy. This allowed to demonstrate some potential applications of AuNPs deposited at the three-phase junction. In the following part, a new and simple method for GO reduction and simultaneous functionalization was proposed. Selected aromatic molecules were employed as reducing agents in reactions carried out under mild conditions. To characterize the new composites, electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques were used. These composites were also investigated as potential substrates for sensors and (electro)chemical switches. Finally, AuNPs and/or rGO were applied as new sensors in fluorescence microscopy. Using these materials separately and afterwards hybrid coatings containing both structures, allowed exploring interactions between them. This strategy was also applied to explore fluorescence properties of a selected biomolecule and the influence of both materials on it.