Recent advances in molecular biology and nanotechnology have enabled scientists to study biological systems at molecular and atomic scales. This level of sophistication demands for new technologies to emerge for providing the necessary sensing tools and equipment. Recent studies have shown that terahertz technology can provide revolutionary sensing techniques for organic and non-organic materials with unprecedented accuracy and sensitivity. This is due to the fact that most of the macromolecules have vibrational and/or rotational resonance signatures in terahertz range. To further increase the sensitivity, terahertz radiation is generated and interacted with the bio-sample on a miniaturized test site or the so-called biochip. From the view point of generation and manipulation of terahertz radiation, the biochip is designed based on the same rules as in high frequency electronic chips or integrated circuits (IC). By increasing the frequency toward terahertz range, the conventional IC design methodologies and analysis tools fail to perform accurately. Therefore, development of new design methodologies and analysis tools is of paramount importance for future terahertz integrated circuits (TIC) in general and terahertz biochips in particular. In this thesis, several advancements are made in design methodology, analysis tool and architecture of terahertz and millimeter-wave integrated circuits when used as a biochip. A global and geometry independent approach for design and analysis of the travelling-wave terahertz photomixer sources, as the core component in a TIC, is discussed in details. Three solvers based on photonic, semiconductor and electromagnetic theories are developed and combined as a unified analysis tool. Using the developed terahertz photomixer source, a resonance-based biochip structure is proposed, and its operation principle, based on resonance perturbation method, is explained. A planar metallic resonator acting as a sample holder and transducer is designed, and its performance in terms of sensitivity and selectivity is studied through simulations. The concept of surface impedance for electromagnetic modeling of DNA self-assembled monolayer on a metal surface is proposed, and its effectiveness is discussed based on the available data in the literature. To overcome the loss challenge, Whispering Gallery Mode (WGM) dielectric resonators with high Q factor are studied as an alternative for metallic resonator. The metallic loss becomes very high at terahertz frequencies, and as a result of that planar metallic resonators do not exhibit high Q factor. Reduced Q factor results in a low sensitivity for any sensor using such resonators. Theoretical models for axially and radially layered dielectric resonators acting on WGM are presented, and the analytical results are compared with the measured data. Excitation of WGM through dielectric waveguide is proposed, and the critical coupling condition is explained through analytical formulation. The possibility of selecting one resonance among many for sensing application is also studied both theoretically and experimentally. A high sensitivity sensor based on WGM resonance in mm-wave and terahertz is proposed, and its sensitivity is studied in details. The performance of the proposed sensor is tested for sensing drug tablets and also liquid droplets through various measurements in mm-wave range. The comprehensive sensitivity analysis shows the ability of the proposed sensor to detect small changes in the order of 10−4 in the sample dielectric constant. The results of various experiments carried out on drug tablets are reported to demonstrate the potential multifunctional capabilities of the sensor in moisture sensing, counterfeit drug detection, and contamination screening. The measurement and simulation results obtained in mm-wave hold promise for WGM to be used for sensing biological solutions in terahertz range with very high sensitivity.

Recent advances in molecular biology and nanotechnology have enabled scientists to study biological systems at molecular and atomic scales. This level of sophistication demands for new technologies to emerge for providing the necessary sensing tools and equipment. Recent studies have shown that terahertz technology can provide revolutionary sensing techniques for organic and non-organic materials with unprecedented accuracy and sensitivity. This is due to the fact that most of the macromolecules have vibrational and/or rotational resonance signatures in terahertz range. To further increase the sensitivity, terahertz radiation is generated and interacted with the bio-sample on a miniaturized test site or the so-called biochip. From the view point of generation and manipulation of terahertz radiation, the biochip is designed based on the same rules as in high frequency electronic chips or integrated circuits (IC). By increasing the frequency toward terahertz range, the conventional IC design methodologies and analysis tools fail to perform accurately. Therefore, development of new design methodologies and analysis tools is of paramount importance for future terahertz integrated circuits (TIC) in general and terahertz biochips in particular. In this thesis, several advancements are made in design methodology, analysis tool and architecture of terahertz and millimeter-wave integrated circuits when used as a biochip. A global and geometry independent approach for design and analysis of the travelling-wave terahertz photomixer sources, as the core component in a TIC, is discussed in details. Three solvers based on photonic, semiconductor and electromagnetic theories are developed and combined as a unified analysis tool. Using the developed terahertz photomixer source, a resonance-based biochip structure is proposed, and its operation principle, based on resonance perturbation method, is explained. A planar metallic resonator acting as a sample holder and transducer is designed, and its performance in terms of sensitivity and selectivity is studied through simulations. The concept of surface impedance for electromagnetic modeling of DNA self-assembled monolayer on a metal surface is proposed, and its effectiveness is discussed based on the available data in the literature. To overcome the loss challenge, Whispering Gallery Mode (WGM) dielectric resonators with high Q factor are studied as an alternative for metallic resonator. The metallic loss becomes very high at terahertz frequencies, and as a result of that planar metallic resonators do not exhibit high Q factor. Reduced Q factor results in a low sensitivity for any sensor using such resonators. Theoretical models for axially and radially layered dielectric resonators acting on WGM are presented, and the analytical results are compared with the measured data. Excitation of WGM through dielectric waveguide is proposed, and the critical coupling condition is explained through analytical formulation. The possibility of selecting one resonance among many for sensing application is also studied both theoretically and experimentally. A high sensitivity sensor based on WGM resonance in mm-wave and terahertz is proposed, and its sensitivity is studied in details. The performance of the proposed sensor is tested for sensing drug tablets and also liquid droplets through various measurements in mm-wave range. The comprehensive sensitivity analysis shows the ability of the proposed sensor to detect small changes in the order of 10−4 in the sample dielectric constant. The results of various experiments carried out on drug tablets are reported to demonstrate the potential multifunctional capabilities of the sensor in moisture sensing, counterfeit drug detection, and contamination screening. The measurement and simulation results obtained in mm-wave hold promise for WGM to be used for sensing biological solutions in terahertz range with very high sensitivity.

Les vésicules extracellulaires (VEs) sont des nanovésicules circulantes (30 à 100nm de diamètre) libérées dans l'espace extracellulaire par la plupart des cellules humaines, suite à leur activation ou à leur apoptose. Les VEs se divisent en 3 grandes catégories ; les exosomes (Exo), les microparticules (MPs) et les corps apoptotiques (cAPO). Les VEs sont présentes à l'état physiologique dans les différents fluides biologiques du corps humain et jouent un rôle majeur dans différents processus physio-pathologiques. De nos jours, plusieurs techniques, certaines en routine, sont utilisées pour étudier les VEs. Cependant, aucune d'entre elles ne permet de déterminer à la fois leur concentration, leur taille et leurs caractéristiques biochimiques. Un consensus existe sur la nécessité de combiner des techniques pour disposer enfin d'une caractérisation fine et complète des VEs. Il est d'un intérêt majeur de développer des plateformes analytiques dédiées à ces VEs en vue d'améliorer la qualification des échantillons biologiques et de découvrir de nouveaux biomarqueurs de pathologies humaines ou de bio-indicateurs de suivi thérapeutique.Notre projet consiste à développer une plateforme NanoBioAnalytique (NBA) combinant trois techniques : l'imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRi), la Microscopie à Force Atomique (AFM) et la Spectrométrie de Masse (MS). L'enjeu est de développer une interface biopuce-instruments qui permettra d'effectuer des investigations multiphysiques et multiéchelles apportant, en une stratégie globale, les informations plus complètes sur les différentes populations de VEs.[...]Ces travaux ont montré la capacité de notre plateforme à détecter sélectivement, et simultanément, différentes sous-populations des VEs co-existantes dans un échantillon complexe tel que du plasma, en s'appuyant sur l'expression différentielle des marqueurs protéiques membranaires. Les taux de capture se sont avérés être directement corrélés à la concentration des vésicules dans l'échantillon injecté. L'analyse AFM a permis de déterminer la distribution en taille de différentes sous-populations de VEs et permettre une analyse différentielle de la distribution en taille sur la gamme 20 nm - 1000 nm. Enfin, des études protéomiques "sur-puce" ont été également engagées afin de caractériser la composition en protéines des VEs libérées sous différentes conditions. Cette analyse a permis d'établir des premiers profils protéomiques différentiels des VEs dans les échantillons étudiés.La plateforme NBA est une méthode efficace pour caractériser et quantifier les VEs, sans marquage et avec une grande sensibilité, sur une large gamme dynamique (environ 10(7) à 10(12) particules/mL) cohérente avec celle existante en fluide physiologique et sur une plage de taille couvrant 2 décades. Elle s'inscrit parmi les approches les plus prometteuses pour l'investigation des VEs en complément de la cytométrie en flux. La grande adaptabilité de cette méthode d'analyse des VEs ouvre de larges perspectives de déploiement dans les secteurs de la Santé, de l'Environnement et de l'Agro-alimentaire. / Extracellular vesicles (EVs) are small vesicles (30 to 1000 nm) released from different cell types, upon activation or apoptosis, and present in most body fluids (Blood, Urine….). Based on the current state of knowledge of their biogenesis and biochemical properties, EVs can be devided into three distinct populations: exosomes (EXO), microparticles (MPs) and apoptotic bodies (APOb). EVs have been found to play important biological roles and are also biomarkers of different pathologies. […] The first step consists of the injection of the samples containing EVs onto the biochip surface. This step is accomplished by SPR technique that allows label-free monitoring of EVs immunocapture onto the surface of a biochip presenting different specific bioreceptors. Following the capture of EVs, a nanometrological investigation of the biochip surface by AFM is engaged to characterize the physical properties of captured vesicles (size, morphology, etc..). Owning a nanometrical resolution, AFM can discriminate between individual EVs and vesicles or protein aggregates, leading to an accurate characterization of individual vesicles. The coupling of SPR technique with AFM was adapted to offer a representative global view of each array of bioreceptors and to measure the size of thousands of individual EVs. A proteomic investigation was also engaged to characterize the proteomic compositions of the different subpopulations of EVs. Such an investigation could contribute to the understanding of EVs biogenesis, biology and pathophysiology. To evaluate the potential of our platform to detect, quantify and characterize nanoparticles, two calibration particles, which cover the lower and upper size range of EVs, were chosen: (i) virus-like particles of 50 nm of diameter, also called CP50, and (ii) protein-functionnalized synthetic beads of 920 nm of diameter, called CP920. The capture tests in SPR showed a specific capture of these two calibration particles with their specific bioreceptors, immobilized onto the biochip surface, regardless the complexity of the media in which they were diluted. Also, a positive correlation was obtained between the capture level, measured by SPR, and the particle 9

Les travaux présentés dans cette thèse s’intéressent à l’immobilisation de biomolécules pour le développement d’outils d’analyse multiparamétrique pour la caractérisation d’échantillons biologiques et le diagnostic, sur un support de type biopuce couplé à une détection colorimétrique.Un premier axe de recherche concerne le développement de tests d’hybridation d’acides nucléiques et d’immunotests à haut-débit automatisés sur plaque de filtration. Cette méthode a permis la mise au point d’un test de génotypage automatisé pour le dépistage transfusionnel haut-débit (génotypage érythrocytaire étendu) en collaboration avec l’Établissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). Il permet d’analyser 96 échantillons en quatre heures, et de caractériser six génotypes par échantillon. Cet outil a fait l’objet d’une validation sur un panel de 293 donneurs.La seconde partie des travaux présentés s’intéresse au développement d’un procédé d’immobilisation d’oligonucléotides sur un polymère particulier (PolyshrinkTM) pour l’élaboration d’un système d’analyse miniaturisé. Plusieurs stratégies d’activation ont été envisagées et ont abouti à la mise au point d’une technique d’immobilisation d’oligonucleotides in situ dans des plots d’hydrogel. La méthode de fabrication permet d’obtenir une matrice de plots d’hydrogel de 60 µm de diamètre et d’une hauteur de 6 µm en moyenne. En outre, il a été démontré que les oligonucléotides immobilisés dans les plots pouvaient détecter de façon quantitative et sélective les cibles complémentaires présentes dans l’échantillon analysé en utilisant une détection par colorimétrie ou par chimiluminescence. / The work reported in this thesis focuses on biomolecules immobilization for the development of multiparametric analysis tools on a biochip coupled with a colorimetric detection, applied to the characterization of biological samples and to diagnosis.The first concern was the development of high-throughput automated hybridization tests and immunotests on a filtration plate. This method led to the elaboration of an automated platform for extended blood group genotyping in collaboration with the Etablissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). It enables to analyze 96 samples in four hours and to characterize six genotypes per sample. Its analytical performances were validated on a panel of 293 blood donors.The second part of this work aimed to elaborate a new strategy for oligonucleotide immobilization on an innovative polymer (PolyshrinkTM) for the development of miniaturized analysis systems. Several approaches were evaluated and led to an in-situ immobilization of oligonucleotides in hydrogel dots technique. This method leads to 6 µm hydrogel dots with a diameter of 60 µm. Moreover it was demonstrated that such immobilized oligonucleotides were able to detect targets specifically and quantitatively using either a chemiluminescent or a colorimetric detection.

Ce travail de thèse a porté sur le développement de réseaux de micro- et nanocapteurs opto-électrochimiques pour la bioanalyse. Ils répondent à la demande grandissante dans le domaine de la recherche et du diagnostic pour des outils permettant de réaliser de multiples analyses simultanément avec des échantillons de faibles volumes. Ces nouvelles biopuces de haute densité sont fabriquées à partir de faisceaux cohérents de fibres optiques. Une des deux faces est micro- ou nanostructurée par une attaque chimique, puis fonctionnalisée avec une sonde biologique. La première biopuce est un réseau de nanocapteurs fluorescents à ADN où les sondes ont été immobilisées grâce aux propriétés d’électropolymérisation du pyrrole. La lecture est réalisée à distance au travers du faisceau d’imagerie. En combinant la technique d’immobilisation avec des microleviers électrochimiques, plusieurs sondes différentes ont pu être adressées sur le même réseau nanostructuré. La seconde biopuce permet d’effectuer des immunodosages multiplexés en utilisant l’imagerie électrochimiluminescente résolue à l’échelle d’une microsphère. Le développement de cette technique permet de combiner les avantages de l’électrochimiluminescence avec des immunodosages multiplexés. L’élaboration de ces réseaux allie différentes techniques physico-chimiques, notamment électrochimiques, pour obtenir des biopuces avec un fort potentiel, grâce à une densité et un degré de multiplexage importants. / This work presents the development of optoelectrochemical micro- and nanosensor arrays for bioanalytical applications. These platforms respond to the growing need in research and diagnostic for tools allowing multiple and simultaneous analysis in small-volume samples. These new high density biochips are made from coherent optical fiber bundles: one face is micro- or nanostructured by chemical etching and then functionnalized with biological probes. The first biochip is a fluorescent DNA nanosensor array where probes have been immobilized by electrodeposition of a polypyrrole thin film. The detection of the hybridization is remotely performed through the imaging fiber. Different probes were succesfully addressed onto the same nanostructured array thanks to electrochemical cantilevers. The second biochip allows multiplexed sandwich immunoassays using electrochimiluminescent imaging resolved at the single bead level. In particular, the development of this new readout mechanism allows extending electrochemiluminescent detection for multiplexed immunoassays. Design and implementations of both platforms take advantages of different physical and chemical techniques, especially electrochemical, to obtain biochips with a great potential through high density and high multiplexing level.

Les travaux présentés dans cette thèse font suite à celle de Melle LE GOFF. Ils se concentrent sur la technologie HIFI brevetée et développée pendant ses travaux. Une première partie du travail présenté dans ce manuscrit concerne le test HIFI Blood 96™ et plus particulièrement les améliorations et les évolutions apportées au test afin d'en faire un véritable outil de génotypage, multiparamétrique et haut-débit pouvant être installé dans les banques de sang dans le but de constituer des inventaires de sang génotypé de façon étendue, participant ainsi à améliorer la sécurité transfusionnelle. Il permet de caractériser 96 échantillons sur 15 polymorphismes (divisés en deux panels) associés aux groupes sanguins en approximativement 4h30. Cette plateforme a fait l'objet d'une étude de validation à moyenne échelle sur 583 donneurs pour le panel 1 et 190 donneurs pour le panel 2. La deuxième partie des travaux décrit l'adaptation de la technologie HIFI appliquée au diagnostic des pathologies respiratoires, avec le développement d'une autre plateforme, ReSynPlex, en partenariat avec 3 équipes de recherche de Grenoble / The work reported in this thesis follows the one undertaken by Ms LE GOFF. It is focused on HIFI technology, which is patented and developed during her thesis. The first part of this work concerns the HIFI Blood 96™ test, and particularly the improvements and developments adduced to the test to make it a real diagnostic tool, multiparametric and high-throughput which can be implemented in blood banks in order to constitute negative antigen inventories, thus contributing to improve blood safety. It allows to characterize 96 samples on 15 polymorphisms (divided in two panels) associated to blood group systems in approximately 4.5 hours. A mesoscale validation study has been conducted on 583 samples for panel 1 and 190 samples for panel 2. The second part of this work describes the adaptation of HIFI technology applied to diagnosis of respiratory tract infections, with the development of another platform, ReSynPlex, in partnership with 3 research teams in Grenoble

La microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) est une technique inventée au mans, il y a une dizaine d’années. Elle permet de visualiser des objets de taille nanoscopique entre polariseur et analyseur croisés en utilisant les propriétés non dépolarisantes de surfaces multicouches. Jusqu’au début de la thèse, seules des observations à l’air étaient possibles. Le but de cette thèse a consisté à adapter cette technique à l’observation in-situ d’objets en immersion dans l’eau.Pour cela, il a fallu inventer de nouvelles surfaces propres à ce nouveau milieu. Les calculs ont montrés que des surfaces fines d’or révélaient un bon contraste pour des objets de 1 nm en immersion dans l’eau. Expérimentalement, nous avons montré que pour exploiter au maximum le contraste SEEC, il est nécessaire de modifier l’éclairage. En parallèle de ces travaux expérimentaux, de nouveaux calculs ont montrés que l’utilisation d’épaisseurs encore plus fines permettait de visualiser ces objets avec un bon contraste et sans aucune modification de l’éclairage. Nous avons appelé cette nouvelle technique : la microscopie CONE. Nous avons découvert deux modes de mesure. Après avoir réalisé des fonctionnalisations homogènes et hétérogènes des surfaces d’or. Ces surfaces ont été utilisées en résonance plasmonique de surface (SPR) pour l’étude de fixation de protéine (adsorption et immobilisation) puis d’interaction protéine/protéine. Ces expériences ont ensuite servies de référence pour évaluer les microscopies SEEC et CONE. Par cela, nous avons prouvé que ces microscopies présentent de forts intérêts pour la détection in-situ de protéines avec un faible coût. / This thesis was supported by National Agency for Research with the project: ANR PNANO-07 SEEC. The Surface Enhanced Ellipsometric Contrast (SEEC) microscopy has invented in 2000 at Le Mans (France). This technique allows the visualization of nanoscopic object between crossed analyzer and polarizer. It’s possible if some special multilayer surfaces are used. There surfaces must have the particularity to not change the polarization of light during the reflection. Until the beginning of the project the SEEC microscopy was useful only for air observations. The goal of the thesis was to adapt this technique to observe on gold surfaces immerged in water and to compare the performance of the SEEC microscopy with Surface Plasmonique Resonance (SPR) in that configuration. The SPR is a biomolecular interaction study reference technique. SEEC microscopy lateral resolution was evaluate by fluorescence microscopy. Next, we realize two model experiments monitor in parallel by SEEC microscopy and by SPR: BSA immobilization and biotinylated IgG fixation by immobilized streptavidine. To compare measurements efficiently we did a huge preparation work (surface functionalizations and microfluidic) to have exactly same conditions in both techniques.Our results show SEEC microscopy cannot replace SPR for biomolecular interaction studies but it can be used as cheap immunological diagnostic technique. This work gives the path to follow on that direction.