L'objectif de ce travail est de surmonter tous ces processus long et fastidieux comme la filtration et la centrifugation qui sont utilisées dans l'application in-vitro. En plus, ces particules qui sont appropriés pour une utilisation dans le laboratoire-sur une-puce et les biocapteurs systèmes sont produites. Les particules submicroniques magnétiques de latex (MLPs) avec la morphologie noyaucoque souhaité ont été préparées. L'huile dans eau (h/e) et l'émulsion magnétique (faitmaison) a été utilisé en tant que graine de polymérisation radicalaire en émulsion de styrène (St) en tant que monomère et agent de reticulation divenylbenzene (DVB) en présence de persulfate de potassium qu'initiateur. Les particules de la surface ont été fonctionnalisés avec du sulfate et des groupes carboxyliques en utilisant les initiateurs. Un nouveau biocapteur électrochimique de capacité basé sur de substrat de nitrure de silicium (Si3N4) combiné à des MLPs a été développé. MLPs avec terminaison acide carboxylique ont été liés de manière covalente à Si3N4 à travers des monocouches autoassemblées (SAMs) du silane-amine (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES). Enfin les anticorps anti-ochratoxine A ont été immobilisés sur les MLPs par liaison amide. Mesures électrochimiques ont été effectuées en utilisant une analyse Mott-Schottky pour la détection de l'ochratoxine A (OTA). L'utilisation de l'application de dosage compétitif grà¢ce à l'immobilisation des quantités fixe d'antigène (SA2BSA) et d'anticorps (Ab 155) a été mesurée respectivement contre différentes concentrations de sulfamides pyridine (SPY), avec et sans utilisation de MLPs avec une fonctionnalité de groupe carboxylique. La sensibilité de Biocapteur a augmenté quand MLPs ont été utilisés / Objective of this work is to overcome all those tedious and time consuming processes likefiltration and centrifugation which are used in in-vitro applications. Moreover, suchparticles which are suitable for use in lab-on-a-chip and biosensors systems are produced.Submicron magnetic latex particles (MLPs) with desired core-shell morphology wereprepared. Oil in water (o/w) magnetic emulsion (home-made) was used as seed of radicalemulsion polymerization of Styrene (St.) as a monomer and cross-linker divenylbenzene (DVB ) in the presence of potassium persulfate (KPS) and 4, 4'-azobis cyanopentanoic acid(ACPA) as an initiators. Particles surface was functionalized with sulfate and carboxylicgroups by using the initiators.A novel capacitance electrochemical biosensor based on silicon nitride substrate (Si3N4)combined with MLPs was developed. MLPs with terminated carboxylic acid werecovalently bonded to Si3N4 through a Self-Assembled Monolayers (SAMs) of the silaneamine(3- Aminopropyl) triethoxysilane (APTES). Finally anti-ochratoxin A antibodieswere immobilized on MLPs by amide bonding. Electrochemical measurements werecarried out using Mott-Schottky analysis for ochratoxin A (OTA) detection.Using application of competitive assay through immobilized fixed concentration of antigen (SA2BSA)and antibody (Ab 155) respectively was measured against different concentrations of sulfa pyridine(SPY), with and without use of MLPs with carboxylic group functionality. Biosensor sensitivityincreased, when MLPs were used

La recherche de biomarqueurs pour le dépistage, le diagnostique ou le traitement de maladie requiert le développement de dispositifs hautement sensibles alliant un faible coût d’analyse, un faible encombrement et une réponse rapide. Dans ce cadre, nous développons un biocapteur acoustique utilisant des ondes de volume pour permettre la détection d’analyte particulière dans un milieu biologique complexe. La géométrie retenue est une membrane résonante à excitation et détection piézoélectriques intégrées vibrant sur un mode de cisaillement d’épaisseur généré par un champ latéral. Le transducteur utilise les propriétés particulières de l’arséniure de gallium pour assurer une détection sensible et sélective, aussi bien grâce à ses propriétés piézoélectriques que ses possibilités de microfabrication ou de biofonctionnalisation. Dans un premier temps, nous avons dimensionné le dispositif et modélisé son comportement. Une sensibilité à un ajout de masse a pu être estimée à environ 0.1 ng.Hz-1. Nous avons ensuite envisagé la microfabrication du capteur en utilisant uniquement des techniques de microfabrication à faible coût (gravure humide et photolithogravure). Ceci a permis d’obtenir des membranes épaisses (50 μm) de géométrie et d’état de surface maitrisés. Nous avons ensuite envisagé la réalisation de la biointerface grâce au développement d’une interface chimique spécifique permettant d’immobiliser covalemment une monocouche dense de protéine à la surface du GaAs. Cette monocouche a été caractérisée par une analyse originale couplant la microscopie à force atomique (AFM) et la spectrométrie de masse MALDI-TOF. Enfin, les interfaces fluidiques et électriques ont été mises au point et ont permis de tester le dispositif par une mesure d’impédance. / The biomarkers detection for screening, diagnosis or treatment of disease requires the development of highly sensitive devices combining low cost of analysis, a small size and quick responses. In this context, we develop a biosensor using bulk acoustic wave to allow the detection of specific analyte in a complex biological medium. The geometry used is a piezoelectric resonant membrane using shear mode vibration excited by lateral field. The transducer uses the specific properties of gallium arsenide to provide a highly sensitive and selective detection thanks to its piezoelectric properties and also its microfabrication or biofonctionnalisation facilities. First, we dimensioned the device and modeled it behavior. A sensitivity to adding mass has been estimated at 0.1 ng.Hz-1. Then, we considered the sensor microfabrication using only low cost process (photolithography and wet etching). Through these processes, we obtained well formed thick membranes (50μm) with specific surface properties and microstructuration. Next, we realize the biointerface through the development of a specific chemical interface in order to immobilize a dense protein monolayer covalently attached to the GaAs surface. This monolayer was characterized by an original analysis coupling the atomic force microscopy and the mass spectroscopy MALDI-TOF. Finally, fluid and electrical interfaces have been developed and we tested the device by impedance measurements

La consommation de fruits est encouragée pour leur apport de composés bioactifs naturels. Ce travail a pour objectif de caractériser dix fruits indignes de la région amazonienne. La caractérisation a été effectuée initialement par des analyses bromatologiques, suivies de la détermination des minéraux Ca, Cu, Fe, Li, Mg, Mn, Na et Zn par spectrométrie d'émission optique ˆ plasma couplé par induction (ICP OES). Ensuite, la capacité antioxydante des fruits a été évalué à l'aide de différentes méthodes colorimétriques (DPPH, ABTS et NBT), ainsi que l'activité antiproliférative contre la lignée cellulaire du cancer du colon humain (caco-2). La composition phénolique a été déterminée par chromatographie en phase liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution. Considérant les inconvénients des méthodes conventionnelles de détermination de la capacité antioxydante, un biocapteur enzymatique ampérométrique a été mis au point en utilisant comme transducteur un systéme de trois électrodes sérigraphiées sur PVC, contenant du bleu de Prusse (PB) comme médiateur électrochimique. Une capacité antioxydante lipophile élevée a été observée dans les pulpes de biriba et de bacuri, alors les fruits abiu, inaja et monguba présentaient une capacité antioxydante hydrophile importante. L'activité antiproliférative des fruits de biriba, inaja, monguba et pajura a entrainé une inhibition significative de la croissance cellulaire de caco-2. L'analyse chromatographique des extraits de biriba, inaja et monguba, a permis de quantifier respectivement 11, 25 et 21 composés phénoliques dotés d'activités biologiques importantes. / Fruit consumption is encouraged for their contribution of natural bioactive compounds. This work aims to characterize ten indigenous fruits of the Amazonian region. Characterization was performed initially by bromatological analyzes, followed by the determination of Ca, Cu, Fe, Li, Mg, Mn, Na and Zn minerals by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). Then, the antioxidant capacity of the fruits was evaluated using different colorimetric methods (DPPH, ABTS and NBT), as well as the ant proliferative activity against the human colon cancer cell line (caco-2). The phenolic composition was determined by ultra high performance liquid chromatography (UHPLC) coupled with high-resolution mass spectrometry. Considering the disadvantages of conventional methods of determining antioxidant capacity, an amperometric enzyme biosensor has been developed using as a transducer a system of three screen-printed electrodes on PVC, containing Prussian blue (PB) as electrochemical mediator. A high lipophilic antioxidant capacity was observed in biriba and bacuri pulps, so abiu, inaja and monguba fruit had significant hydrophilic antioxidant capacity. The antiproliferative activity of the fruits of biriba, inaja, monguba and pajura resulted in significant inhibition of caco-2 cell growth. Chromatographic analysis of birib‡, inaj‡ and monguba extracts quantified respectively 11, 25 and 21 phenolic compounds with important biological activities.

Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts. / Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés. / Abstract : In spite of the growing number of available biosensors, many biochemical reactions and biological components have not yet been studied in detail. Among them, some require the combination of several detection techniques in order to retrieve enough information to characterize them fully. An unknown reaction based, for example, on DNA hybridization could be characterized with an electrochemical sensor, a mechanical sensor and an optical sensor, each giving a different type of information. The main objective of the work presented here is to design, fabricate and characterize a flexible integrated optical biosensor based on surface plasmon resonance, intended to be then combined with other detection techniques, and in particular, a microcalorimeter. Surface Plasmon Resonance (SPR) is well known to be a sensitive technique for surface-based biochemical detection. It has the advantage to be an unlabeled method and provides real time information on the kinetics of a reaction. The flexibility of the proposed SPR biosensor comes from the fact that it is designed for a large range of analyte refractive indices, from 1.33 to 1.48. These values are suitable for most biological entities and their ligand layers, and especially for hydrophilic polymer matrices used to trap DNA or protein entities and introduced in this work. As several biochemical studies require the simultaneous comparison of measurements to a reference or to another measurement, the second objective of this project is to study the potential of multi-analyte detection in an integrated SPR device on glass. The first three chapters of the thesis are focused on the main objective. The design based on two different models is presented, at the same time as the related simulation tools. The first model is based on the weak coupling approximation and permits to obtain most of the information for the device’s design. The second model, having no approximation, is used to validate the first model and complete and refine the design. The fabrication process of the glass chip is then introduced, as well as the characterization instruments and protocols. A device is obtained, with a volumetric sensitivity between 1000 nm/RIU and 6000 nm/RIU depending on the analyte refractive index. The 3D integration of the waveguide within the glass substrate makes the device extremely compact and adapted to the integration with the microcalorimeter in particular. The last chapter describes the study of several spectral multiplexing techniques adapted to an integrated SPR system using the glass technology. The goal is to provide at least two simultaneous measurements. Several detection techniques are examined and the related devices are designed, fabricated and characterized.

Notre thèse vise la conception d'un biocapteur ultra-sensible à base d'Arthrospira platensis pour la détection des substances toxiques (métaux lourds et pesticides) pour un contrôle environnemental. Cette étude concerne, dans un premier lieu, le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à des puces en Polydimethylsiloxane (PDMS) et fonctionnalisés par des cellules d'Arthrospira platensis immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer ». L'étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers une étude acoustique (suivi en temps réel), électrochimique et microscopique (microscopie à force atomique (AFM) en milieu sec ou liquide et microscopique électronique à balayage (MEB)). Dans un deuxième lieu, cette étude présente les systèmes conductimétriques basés sur l'inhibition des activités enzymatiques de la cyanobactérie par les polluants. Différents modes d'immobilisation sur des microcapteurs interdigités (IDF) en or, ont été étudiés : immobilisation via les monocouches auto-assemblées « Self Assembled Monolayers », immobilisation via les nanoparticules d'or revêtues par du PAH et co-réticulées à l'albumine à l'albumine de sérum bovin sous vapeur saturée de glutaraldéhyde. Ce principe de détection consiste à inhiber l'Activité Phophatase Alcaline (APA) par les métaux lourds et l'Activité Estérase (AChE) par les pesticides. Des limites de détection excellente (10-20 M) ont été obtenues. Un biocapteur bi-enzymatique a été élaboré avec le même biorécepteur (Arthrospira platensis) pour une multi-détection des polluants. Ce capteur a été testé sur des échantillons d'eaux prélevés sur des effluents hospitaliers et urbains (eaux brutes et traitées) / This thesis focuses on the design of an ultra-sensitive biosensor based on Arthrospira platensis for the detection of toxic substances (heavy metals and pesticides) for environmental monitoring. This study deals with, first, the development of impedimetric and Love acoustic wave systems, associated with Polydimethylsiloxane (PDMS) chips and functionalized with Arthrospira platensis cells immobilized on polyelectrolyte multilayers deposited by the “Layer and Layer” method. Electrochemical, acoustic and microscopic interactions with cadmium and mercury (atomic force microscopy (AFM) in dry or liquid medium and studies of scanning electron microscopy (SEM)) have been performed. This work focuses also on conductometric system based on the inhibition of enzymatic activities of cyanobacteria by pollutants. Different modes of immobilization on gold interdigitated microsensors (IDTs) were studied: immobilization via self-assembled monolayers, immobilization with gold nanoparticles coated with PAH and co-reticulated with bovine serum albumin under saturated vapor of glutaraldehyde. They were based on the inhibition of Alkaline Phosphatase activity (APA) by heavy metals Esterase Activity (AChE) by pesticides. Excellent detection limits (10-20 M) were obtained. A bi-enzymatic biosensor was developed with the same bioreceptor (Arthrospira platensis) for polluants multi-detection. This sensor has been tested on water samples of urban and hospitals effluents (before and after treatment)

L’objectif de mon doctorat, réalisé dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire des protéines et nanotechnologies en sciences séparatives (institut Galien Paris-Sud) et le groupe Micro et Nano Système (institut d’électronique fondamentale) était d’étudier l’influence des monocouches autoassemblées, sur l’activité biologique du bio-récepteur dans une perspective de développement de biocapteur. Dans ce projet, nous avons choisi les organo-silanes qui peuvent se lier de manière covalente sur le silicium. Deux silanes (7-octenyl trichlorosilanes et le (3-aminopropyl)triethoxysilane) ont été étudiés, leur impact en terme de nature et de stabilité sur la fonctionnalité du bio-récepteur, des immunoglobulines G de souris, ont été évalué. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalité des anticorps greffés sur une mono couche auto-assemblée composée de 7-octenyltrichlorosilane (OTS) présentant à sa surface un groupement carboxylique. Une caractérisation spectroscopique par XPS et infra-rouge à transformé de Fourrier (FTIR) a tout d’abord été effectuée afin de vérifier la présence de ces groupements carboxyliques. L’homogénéité de la surface a été évaluée par AFM. Nous avons ensuite immobilisé ces anticorps, sur ces supports, de manière covalente et une étude topographique par AFM a été menée pour mesurer la répartition de ces anticorps. L’orientation des anticorps greffés a été évaluée à l’aide d’immuno-essais. Ensuite, nous avons comparé l’APTES, permettant l’obtention de plaques de silicium fonctionnalisé avec des groupements aminés à leur surface, avec l’OTS. Nous avons notamment comparé la capacité de capture des anticorps immobilisés sur ces deux types de silanes. Dans la dernière partie, l’impact du vieillissement d’un support immunologique préparé chimiquement en utilisant l’APTES a été évaluée sur le plan physico-chimique et biologique. / The aim of my PhD thesis, conducted as part of a collaboration between the laboratory of protein separation sciences and nanotechnology (Paris-Sud Galen Institute) and the Micro and Nano System (basic electronics institute) group was to study the influence of self-assembled monolayers on the biological activity of bioreceptor toward biosensor development. In this project, we choose the organosilanes that can bind covalently to the silicon. Two silanes (7-octenyl trichlorosilane(OTS) and 3- aminopropyltriethoxysilane (APTES)) were studied., Their impact on the stability and the functionality of bio- receptor , model mouse immunoglobulin G (IgG), were evaluated. Spectroscopic characterization by XPS and infra- red Fourier transformed (FTIR) was first carried out to assess that the silanized surface exhibit carboxylic groups. The homogeneity of the surfaces was measured by AFM. Then, IgG were immobilized on these supports, covalently and a topographic AFM study was conducted to measure the distribution of these antibodies. The orientation of the grafted antibody was investigated by immune-enzymatic assays. We have also evaluated the binding capacity of the IgG immobilized on both surfaces. Then, the impact of aging on APTES surface was evaluated by spectroscopics and biological methods.

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 fonctionnement du cerveau repose sur la libération de molécules telles que les neurotransmetteurs et les métabolites dans le milieu interstitiel. L’étude de ces molécules est donc primordiale afin de mieux comprendre leur rôle physiologique et pathologique. Pour cela, les biocapteurs enzymatiques implantables sont un outil prometteur de par leurs capacités de détection quantitative, en temps réel et dans les tissus profonds. En fonction des dimensions du biocapteur, l’impact de l’implantation peut avoir des conséquences considérables sur la composition chimique du fluide interstitiel. De plus, chaque implantation induit localement une réaction inflammatoire dite « réaction au corps étranger ». La réduction de ces réactions est indispensable afin d’obtenir des estimations plus précises de la concentration des molécules présentes. Dans ce sens, ce manuscrit exposera deux voies de réduction de l’impact lésionnel dû à l’implantation de biocapteurs. Tout d’abord, il sera présenté la miniaturisation de biocapteurs enzymatiques jusqu’à des diamètres externes inférieurs à 15 µm. Et il sera démontré in vivo que ces biocapteurs ultra miniaturisés ont le potentiel d’être implantés dans le cerveau sans induire de dommages détectables aux tissus et aux vaisseaux sanguins. Ensuite, le développement d’une microsonde fabriquée à l’aide des technologies MEMS couplant une détection électrochimique et optique sera introduit dans le cadre du suivi du fluide interstitiel péri- et intratumoral de glioblastomes modifiés pour émettre de la fluorescence. En intégrant deux types de détection sur une unique micro-aiguille, cette microsonde permet de réduire le nombre d’implantations. Ces deux voies de miniaturisation ouvrent la possibilité de suivre la composition chimique du fluide interstitiel de manière moins invasive, et donc de mieux préserver la physiologie des tissus étudiés dans le cerveau. / Brain function is based on the release of molecules such as neurotransmitters and metabolites into the interstitial fluid. The study of these molecules is essential to better understand their physiological and pathological role. For this purpose, implantable enzymatic biosensors are a promising tool because of their quantitative, real-time and deep tissue detection abilities. Depending on the dimensions of the biosensor, the impact of implantation may have considerable consequences on the chemical composition of the interstitial fluid. In addition, each implantation induces a local inflammatory reaction called "foreign body reaction". The reduction of these reactions is crucial in order to provide more accurate estimations of molecules concentrations present in the interstitial fluid. In this sense, this manuscript will expose two ways of reducing the lesional impact due to the implantation of biosensors. First of all, it will be presented the miniaturization of enzymatic biosensors up to external diameters less than 15 µm. And it will be demonstrated in vivo that these ultra miniaturized biosensors have the potential to be implanted in the brain without inducing detectable damage to tissues and blood vessels. Then, the development of a microprobe fabricated using MEMS technologies combining electrochemical and optical detection will be introduced as part of the monitoring of peri- and intratumoral interstitial fluid from glioblastomes modified to fluoresce. By integrating two types of detection on a single micro-needle, this microprobe reduces the number of implantations. These two miniaturization approaches open up the possibility of following the chemical composition of the interstitial fluid in a less invasive way, and thus of better preserving the physiology of the tissues studied in the brain.