The central topic of all the discussions in this manuscript is around acoustic-sensor based measurement systems. Throughout this document, \acoustic" means the propagation of a mechanical wave on, or within, a substrate. However, we will discuss many other physical principles applied for sensing techniques, whether optical, scanning probe microscopy, electrochemistry.

Depuis l'apparition du terme "biosensor" à travers un article de Lyons et Clark en 1962, les biocapteurs ont connu un véritable essor tant au niveau académique qu'industriel. Le principal objectif de ce travail de thèse était de créer une surface permettant l'immobilisation spécifique par liaison covalente de simple ou double brin d'ADN puis d'étudier les interactions pouvant exister entre une protéine donnée et l'ADN. Pour préparer la surface à cette immobilisation, nous avons opéré une réduction électrochimique de sel d'aryldiazoniums. Ce type de modification nous a permis de fixer de manière covalente sur la surface conductrice des fonctions de type Ar-SO2Cl. Par l'utilisation de la QCM et de l'AFM, nous avons pu par la suite détailler les mécanismes de fonctionnement de protéines (HsRad51 et Transposase) en interaction avec l'ADN simple ou double brin fixé, que ce soit d'un point de vue cinétique ou bien structural.

Depuis plusieurs ann??es, une attention toute particuli??re a ??t?? port??e ?? la conception de biocapteurs. Divers types ont ??t?? d??velopp??s (ex. optiques, ??lectriques) et ont men?? ?? une multitude d???applications. On en retrouve d??sormais dans des champs d???applications aussi vari??s que la d??tection d???explosifs et de toxines, la s??curit?? alimentaire, la d??tection et le dosage de polluants environnementaux ou la sant??. Le d??veloppement de telles technologies se base sur l???union de deux domaines scientifiques tr??s diff??rents. D???un c??t??, la partie ?? capteur ?? est con??ue en utilisant des m??thodes de microfabrication. Ces derni??res font appel ?? l???emploi de compos??s inorganiques (ex. m??taux, mat??riaux semi-conducteurs, verre et autres). De l???autre c??t??, on retrouve un assemblage de mol??cules organiques, prot??ines, enzymes ou r??cepteurs issus du domaine biologique. L???un des grands d??fis est d???unir la portion biologique au capteur (c.-??-d. substrat) sans alt??rer les propri??t??s de ces deux composants. Plusieurs m??thodes sont envisageables pour arriver ?? coupler le mat??riel biologique au substrat. L???objectif de la recherche de cette th??se est d?????tudier la liaison de mol??cules sur un substrat et de cr??er un syst??me biologique servant comme syst??me de d??tection pour un biocapteur. Le mod??le choisi pour ??tablir le concept de base est l???affinit?? variable entre l???avidine et la 2-iminobiotine. Il est connu que l???affinit?? de l???avidine ?? l???iminobiotine peut ??tre modifi??e en changeant les conditions de pH. La liaison form??e en milieu basique sera affaiblie en milieu acide menant ?? la s??paration de la prot??ine et du ligand. Contrairement ?? l???iminobiotine, la biotine poss??de un lien fort et stable avec l???avidine impossible ?? briser dans des conditions non d??naturantes. L???avidine ??tant une prot??ine t??tram??rique, quatre ligands peuvent s???y lier. On profite donc de cette propri??t?? pour lier l???avidine ?? un bras polym??rique, une chaine de poly??thyl??ne glycol (PEG) comprenant une biotine, lui-m??me attach?? ?? la surface. Ce bras, maintenant fonctionnalis??, devra permettre de garder pr??s de la surface une avidine, lui permettant de se lier ?? des iminobiotine aussi attach??es en surface ou s???en d??lier selon les conditions de pH. La premi??re partie de cette th??se est consacr??e ?? la fonctionnalisation des surfaces. La premi??re ??tape de la construction a ??t?? de faire un attachement pour cr??er une couche de mol??cules qui serviront de support et d???ancrage au m??canisme mol??culaire du biocapteur. L???attachement de mol??cules ??tant r??alisable sur les surfaces d??sign??es, une construction a ??t?? test??e. La strat??gie propos??e consistait en l???utilisation d???une mol??cule bifonctionnelle en forme de ?? Y ??. Cette mol??cule a ??t?? synth??tis??e sp??cifiquement pour l???attachement en deux ??tapes successives des deux composantes du syst??me mol??culaire modulable en pH. Sur la premi??re branche se trouve une iminobiotine. La seconde a ??t?? pr??vue afin d???y attacher le bras polym??rique. Cette construction a ??t?? faite et test??e par SPR. Enfin, une seconde strat??gie de construction a ??t?? ??tudi??e. Celle-ci impliquait l???utilisation d???une prot??ine (albumine de s??rum bovin, BSA) modifi??e comme base de la construction. Une premi??re BSA a ??t?? modifi??e avec de l???iminobiotine tandis qu???une seconde avec le PEG. Ces deux prot??ines modifi??es ont ??t?? mises ensemble en solution et d??pos??es sur un substrat SPR. Elles constituent ensemble les deux morceaux du syst??me pr??c??demment mentionn??. L???objectif de cette strat??gie ??tait de contr??ler la quantit?? relative des esp??ces n??cessaires en surface de fa??on ?? obtenir un signal SPR optimal. De plus, la pr??sence de ces prot??ines en surface devait bloquer l???adsorption non sp??cifique sur cette derni??re d???esp??ces non d??sir??es.

La création d 'un microsystème d'analyse biochimique, capable de livrer des diagnostics préliminaires sur la quantification d'éléments pathogènes, est un défi multidisciplinaire ayant un impact potentiel important sur la majorité des activités humaines en santé et sécurité. En effet, un dispositif intégré, peu dispendieux et livrant des résultats facilement interprétables, permettrait une vulgarisation des capacités de biodétection à travers différents domaines d'applications sociétaires et industriels. Le présent document se concentre sur l'intégration monolithique d'une méthode de biocaractérisation dans le but de générer un transducteur miniaturisé et efficace, élément central d'un microsystème de détection. Le projet de recherche ici présenté vise l'étude de l'applicabilité d'un capteur plasmonique intégré par l'entremise de nanostructures semi-conductrices aux propriétés quantiques et luminescentes. L'approche présentée est globale; c'est-à-dire qu'on vise à répondre aux questions fondamentales impliquant la compréhension des phénomènes photoniques, le développement et la fabrication des dispositifs, les méthodes de caractérisations possibles ainsi que l'application d'un transducteur SPR intégré à la biodétection. En d'autres termes : dans quelles circonstances et comment un transducteur plasmonique intégré doit-il être réalisé pour l'application à la détection délocalisée d'éléments pathogènes? Dans le but d'engendrer un instrument simple à l'échelle de l'usager, l'intégration de la connaissance à l'échelle du design est donc effectuée. Ainsi, des capteurs plasmoniques monolithiques sont conçus à l'aide de modèles théoriques ici présentés. Un instrument de mesure hyperspectrale conjuguée permettant de cartographier directement la relation de dispersion des plasmons diffractés a été construit et testé. Cet instrument est employé à la cartographie d'éléments de diffusion. Finalement, une démonstration du fonctionnement du dispositif, appliquée à la biocaractérisation d'événements simples, tels que l'albumine de sérum bovin et la détection d'une souche spécifique d'influenza A est livrée. Ceci répond donc à la question de faisabilité d'un nanosystème plasmonique applicable à la détection de pathogènes.

Ces travaux de recherche visent à associer la technologie des polymères à empreintes moléculaires à des dispositifs acoustiques à onde de Love afin de réaliser un biocapteur. L'objectif majeur était la mise au point d'un protocole de dépôt localisé de polymères non imprimés (NIP) et imprimés (MIP) en films minces compatibles avec la propagation de l'onde élastique. Une seconde partie des travaux a porté sur une caractérisation des films et des capteurs ainsi réalisés, par microscopie à balayage et mesures de détection sous gaz. Des éléments relatifs aux propriétés mécaniques (porosité, surface spécifique) des NIPs, des MIPs avant extraction de la molécule cible, puis après extraction et après recapture, ont permis de valider le principe du capteur, ouvrant la voie à l'application en milieu liquide dans le cadre de travaux débutés parallèlement.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l'Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage).

Les réseaux bidimensionnels de nanofils (NFs) d’oxyde de zinc (ZnO) aléatoirement orientés, ou nanonets (pour « nanowire networks »), constituent des nanostructures innovantes et prometteuses pour de nombreuses applications. L’objectif de cette thèse est de développer des nanonets de ZnO en vue d’applications à la détection de molécules biologiques ou gazeuses, en particulier de l’ADN, ceci selon une procédure bas coût et industrialisable. Dans ce but, il est essentiel de bien maitriser les différentes étapes d’élaboration qui sont : (i) le dépôt de couches minces de germination de ZnO sur des substrats de silicium par voie sol-gel, (ii) la croissance de NFs de ZnO sur ces couches de germination par synthèse hydrothermale, et (iii) l’assemblage par filtration sous vide de ces NFs en nanonets de ZnO. Des études approfondies de chacun de ces procédés ont donc été menées. Ces travaux ont permis d’élaborer des couches minces, des NFs et des nanonets de ZnO reproductibles et homogènes dont les propriétés morphologiques sont précisément contrôlées sur une large gamme. Deux protocoles de biofonctionnalisation des nanonets avec de l’ADN ont ensuite été développés et ont abouti à des résultats encourageants mais restant à optimiser. Les nanonets ont également été intégrés au sein de dispositifs fonctionnels et les premières caractérisations électriques ont fourni des résultats prometteurs. A terme, ce travail ouvre la voie à l’intégration collective de NFs de ZnO qui permettrait la réalisation d’une nouvelle génération de capteurs (de biomolécules, de gaz…) à la fois portables, rapides et très sensibles. / Two-dimensional randomly oriented zinc oxide (ZnO) nanowire (NW) networks, or nanonets, represent innovative and promising nanostructures for numerous applications. The objective of this thesis is to develop ZnO nanonets for the detection of biological or gaseous molecules, in particular DNA, by using a low cost and scalable procedure. To this end, it is essential to control the different elaboration steps which are: (i) the deposition of ZnO seed layer films on silicon substrates by sol-gel approach, (ii) the growth of ZnO NWs on these seed layer films by hydrothermal synthesis, and (iii) the assembly of these NWs into ZnO nanonets by vacuum filtration. In-depth studies of each of these processes were thus carried out. This work enabled to elaborate reproducible and homogenous ZnO thin films, NWs and nanonets whose morphological properties are precisely controlled over a wide range. Two DNA biofunctionnalization protocols were then developed for the nanonets and led to encouraging results which need however to be further optimized. The nanonets were also integrated into functional devices and the first electrical characterizations provided promising results. In the longer term, this work opens the way to the collective integration of ZnO NWs which would enable the development of a new generation of portable, fast and ultra-sensitive (bio- or gas-) sensors.

Au cours des dernières années, la possibilité de combiner la nanoélectronique et les biocapteurs a ouvert un champ très large et prometteur de la recherche, qui a le potentiel de révolutionner la biologie analytique et pour permettre le diagnostic envahissants et la médecine personnalisée. Plates-formes intégrées de biocapteurs nanoélectroniques peuvent fournir une compensation et l'étalonnage du matériel et des logiciels, une sensibilité améliorée en raison des très petites dimensions, parallélisme élevé, le coût remarquable et la réduction de la taille et les vastes marchés nécessaires à l'industrie des semi-conducteurs. Comme dans le cas de tous les capteurs intégrés nanoélectroniques, la conception fiable et abordable est possible que si des modèles précis sont disponibles pour élucider et quantitativement prédisent le processus de transduction du signal. Cependant, malgré les nombreux efforts, calibré modèles analytiques et numériques pour décrire avec précision la réponse du biocapteur sont encore souvent défaut. Animé par la volonté de combler cette lacune, dans ce travail, nous développons des modèles analytiques compacts et des outils complexes de simulation numérique pour l'étude de la chaîne de transduction dans des biocapteurs nanoélectroniques impédimétriques. En particulier, les ENBIOS simulateur 3D, entièrement développées et validées au cours de cette thèse, est un outil polyvalent qui peut être facilement étendu pour inclure de nouveaux effets physiques ou des descriptions plus sophistiqués d'électrolytes et analytes couplés à des dispositifs semi-conducteurs. Les modèles soulignent l'existence de deux fréquences de coupure pertinentes régissant le biocapteur réponse impédimétriques, ils révèlent les dépendances de la réponse du biocapteur à l'analyte et des conditions environnementales et ils révèlent la présence de signatures bien définis dans le signal d'impédance. Les outils analytiques et numériques sont soigneusement vérifiées et ensuite utilisés pour examiner plusieurs études de cas. La première que nous considérons est un réseau de impédimétriques nanoélectrode biocapteur. En collaboration avec l'Université de Twente, nous étudions sa réponse aux micro-particules conductrices et diélectriques dans des conditions expérimentales bien contrôlées. Nous montrons que les résultats de simulation sont en très bon accord avec les mesures et nous donnent un aperçu des conditions optimales de détection. En étudiant la réponse du biocapteur à de petites particules, comme des protéines, des virus ou de l'ADN, nous confirmons ensuite par simulation les avantages de la spectroscopie d'impédance à haute fréquence, en particulier la capacité des signaux de courant alternatif à une fréquence au-dessus de relaxation diélectrique de la fréquence de coupure de l'électrolyte pour surmonter la Debye criblage et de sonder le volume de l'électrolyte avec une sensibilité presque indépendante de la position et de la charge des particules et de concentration en sel. Dans un deuxième exemple notable nous considérons le cas d'une Silicon Nanowire (SiNW) biocapteur. Nous effectuons les mesures et simulations sur SiNWs dans le régime AC en collaboration avec le CEA / LETI et laboratoires de l'EPFL / CLSE. Nous démontrons le fonctionnement de SiNWs AC en particulier pour les applications de détection pH. Nous confirmons enfin avantage potentiel d'un biocapteur SiNW travailler à haute fréquence, afin d'augmenter la réponse à l'égard de l'opération DC. / In recent years the possibility to combine nanoelectronics and biosensing has opened a very broad and promising field of research, which holds the potential to revolutionize analytical biology and to enable pervasive diagnostics and personalized medicine. Integrated nanoelectronic biosensor platforms can provide compensation and calibration hardware and software, improved sensitivity due to the very small dimensions, high parallelism, remarkable cost and size reduction and the vast markets needed by the semiconductor industry. As in the case of all integrated nanoelectronic sensors, reliable and affordable design is possible only if accurate models are available to elucidate and quantitatively predict the signal transduction process. However, despite the numerous efforts, calibrated analytical and numerical models to accurately describe the biosensor response are often still lacking. Animated by the will to bridge this gap, in this work we develop compact analytical models and complex numerical simulation tools for the study of the transduction chain in impedimetric nanoelectronic biosensors. In particular, the 3D simulator ENBIOS, entirely developed and validated during this thesis, is a general-purpose tool that can be easily expanded to include new physical effects or more sophisticated descriptions of electrolytes and analytes coupled to semiconductor devices. The models point out the existence of two relevant cut-off frequencies governing the biosensor impedimetric response, they reveal the dependencies of biosensor response to the analyte and environmental conditions and they disclose the existence of well-defined signatures in the impedance signal. The analytical and numerical tools are carefully verified and then used to examine several case studies. The first one we consider is an impedimetric nanoelectrode array biosensor. In collaboration with Twente University, we study its response to conductive and dielectric micro-particles under well controlled experimental conditions. We show that the simulation results are in very good agreement with the measurements and we provide insight on optimum detection conditions. By studying the biosensor response to small particles, like proteins, viruses or DNA, we then confirm by simulation the advantages of high frequency impedance spectroscopy, in particular the ability of AC signals at frequency above electrolyte's dielectric relaxation cut-off frequency to overcome the Debye screening and to probe the electrolyte volume with sensitivity almost independent of the particle position and charge and of salt concentration. As a second notable example we consider the case of a Silicon Nanowire (SiNW) biosensor. We perform measurements and simulations on SiNWs in AC regime in collaboration with the CEA/LETI and EPFL/CLSE laboratories. We demonstrate the operation of SiNWs in AC in particular for pH sensing applications. We finally confirm potential advantage of a SiNW biosensor working at high frequency, in order to increase the response with respect to the DC operation. / Negli ultimi anni la possibilità di combinare nanoelettronica e biosensoristica ha apertoun campo di ricerca molto vasto e promettente, che ha il potenziale di rivoluzionare labiologia analitica e di consentire diagnostica pervasiva e medicina personalizzata. Lepiattaforme di biosensori nanoelettronici integrati sono potenzialmente in grado di fornirecompensazioni e calibrazioni hardware, firmware programmabili, una maggiore sensibilitàa causa delle ridotte dimensioni, elevato parallelismo, riduzione notevole dei costi e delledimensioni e i vasti mercati necessari per il settore dei semiconduttori. Come nel casodi tutti i sensori nanoelettronici integrati, un progetto affidabile e conveniente è possibilesolo se sono disponibili modelli accurati per comprendere e prevedere quantitativamente ilprocesso di trasduzione del segnale. Tuttavia, con l’eccezione di alcuni pionieristici sforzi,mancano ancora spesso modelli analitici e numerici calibrati per descrivere accuratamentela risposta della maggior parte dei concept di biosensori.Animati dalla volontà di colmare questa lacuna, in questo lavoro sviluppiamo modellianalitici compatti e complessi strumenti di simulazione numerica per lo studio della catenadi trasduzione in biosensori nanoelettronici impedimetrici. In particolare, il simulatore3D ENBIOS, interamente sviluppato e convalidato durante questa tesi, è uno strumentogenerale che può essere facilmente ampliato per includere nuovi effetti fisici o descrizionipiù sofisticate di elettroliti e analiti accoppiati ai dispositivi a semiconduttore. I modellirilevano l’esistenza di due frequenze di taglio rilevanti che regolano la risposta impedimet-rica del biosensore, rivelano le dipendenze della risposta del biosensore all’analita e allecondizioni ambientali e l’esistenza di firme ben definite nel segnale di impedenza.Gli strumenti analitici e numerici sono attentamente verificati e poi utilizzati per esam-inare diversi casi di studio. Il primo che consideriamo è un biosensore impedimetrico amatrice di nanoelettrodi. In collaborazione con l’Università di Twente, studiamo la suarisposta a micro-particelle conduttive e dielettriche in condizioni sperimentali ben con-trollate. I risultati della simulazione sono in ottimo accordo con le misure e ci fornisconoinformazioni sulle condizioni di rilevamento ottimali. Studiando la risposta del biosensorea piccole particelle, come proteine, virus o DNA, confermiamo quindi tramite simulazionii vantaggi della spettroscopia di impedenza ad alta frequenza, in particolare la capacitàdei segnali in AC a frequenza superiore alla frequenza di taglio di rilassamento dielettricodell’elettrolita di superare lo screening di Debye e di sondare il volume dell’elettrolita conuna sensibilità quasi indipendente da posizione e carica della particella e dalla concen-trazione salina.Come secondo esempio notevole consideriamo il caso di un biosensore a Nanofilo diSilicio (SiNW). Eseguiamo misure e simulazioni su SiNWs in regime AC in collaborazionecon i laboratori CEA / LETI ed EPFL / CLSE. Dimostriamo il funzionamento dei SiNWsin AC, in particolare per applicazioni di misura del pH. Infine, confermiamo i vantaggipotenziali di un biosensore a SiNW operante in alta frequenza, al fine di aumentarel’intensità della risposta rispetto al caso di funzionamento in DC.

La biocompatibilité d'un implant est principalement contrôlée par l'interface entre le biomatériau et le tissu environnant. Afin de contrôler cette interaction et de favoriser l'adhésion des cellules sur l'implant, nous avons créé à la surface d'alliages de titane des domaines nanométriques concentrés en séquence Arginine-Glycine-Acide Aspartique (RGD) reconnue pour ses propriétés adhésives. Après avoir modifié la chimie de surface par un agent de liaison aminosilane, nous avons utilisé les méthodes de synthèse de dendrimères ou liés des nanoparticules à l'aminosilane afin de démultiplier le nombre de amines primaires par site. Ces amines primaires étant ensuite utilisées pour attacher la séquence RGD à la surface du matériau. L'adhésion d'ostéoblastes sur les matériaux préparés a été étudié par acoustique picoseconde. / Abstract

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL. / Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.