Ce travail s’inscrit dans le cadre de la recherche relative au développement de biosenseurs à ADN électrochimiques. Des aspects fondamentaux, ainsi que des aspects d’application de la détection d’hybridation d’ADN sont envisagés.<p>Dans un premier temps, le comportement interfacial et le processus d’hybridation d’oligonucléotides d’ADN linéaires et ADN hairpin (structure en épingle à cheveux) nonmarqués sont étudiés en formant des monocouches auto-assemblées mixtes de monobrins d’ADN (ssADN) thiolés et d’un hydroxyalcanethiol (4-mercaptobutan-1-ol) par coadsorption spontanée sur des électrodes d’or polycristallin. L’immobilisation de monocouches mixtes ssADN/MCB est caractérisée par voie électrochimique et par spectroscopie des photoélectrons X. Des mesures de chronocoulométrie, en présence de [Ru(NH3)6]3+ (RuHex), permettent de déterminer la quantité d’ADN dans la monocouche mixte formée. Les résultats montrent que l’excès superficiel d’ADN linéaire est plus important que l’excès superficiel d’ADN hairpin sous des conditions de formation identiques.<p>La réaction de reconnaissance moléculaire d’hybridation est détectée par des mesures d’impédance en présence de [Fe(CN)6]3-/4-. L’hybridation se traduit dans le cas de l’ADN linéaire par une augmentation de la résistance au transfert d’électron Rct tandis que dans le cas de l’ADN hairpin, Rct diminue. Ces différences sont dues au plus faible recouvrement et au changement de conformation des molécules d’ADN hairpin lors de l’hybridation. Des mesures de réflectivité de neutrons nous ont permis de mettre en évidence l’augmentation de l’épaisseur du film d’ADN hairpin et de confirmer le changement conformationel ces sondes lors de la reconnaissance moléculaire.<p>Dans la seconde partie, nous présentons une nouvelle méthode électrochimique de détection d’hybridation, basée sur les interactions électrostatiques entre le complexe cationique RuHex et les groupements phosphates de l’ADN. Afin d’améliorer la détection des molécules de PNA (peptide nucleic acid) ont été immobilisées comme sondes de reconnaissance moléculaire. Après hybridation des sondes PNA avec le brin complémentaire, RuHex s’adsorbe sur l’ADN hybridé et un signal de réduction de ces complexes redox, enregistré par voltampérométrie alternative, constitue une signature claire de l’hybridation d’ADN à l’interface modifiée. Les interactions RuHex/PNA-ADN ont été étudiées. La constante d’adsorption de RuHex sur l’électrode modifiée PNA/MCB après hybridation est évaluée à 2,9 (±0,3) 105 M-1 en milieu Tris-HCl 0,01M, selon une isotherme de Langmuir.<p>Les performances analytiques de la méthode de détection (sensibilité, sélectivité et reproductibilité) ont été évaluées et optimisées pour la détection des séquences d’ADN du gène de l’ARNr 23S d’Helicobacter pylori. La méthode de détection électrochimique présentée est assez sélective pour permettre de discriminer les mutations ponctuelles A2143G et A2144C de la séquence de type sauvage. La diminution significative des signaux d’admittance enregistrés en présence des séquences mutées est attribuée à la capacité accrue de discrimination de mutations ponctuelles des molécules PNA.<p>La réponse de détection est linéaire en fonction du logarithme de la concentration de la cible d’ADN sur plus de quatre ordres de grandeur (10-6 M à 10-10 M). La limite de détection de l’oligonucléotide d’ADN complémentaire de 80 pM est très bonne. La méthode a été appliquée avec succès à la détection de fragments PCR complémentaires de 100 et 400 paires de bases, amplifiés à partir de souches SS1 d’H.pylori. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les biocapteurs sont des moyens d’analyse en plein essor à la fois rapides, sélectifs et peu coûteux applicables à des domaines extrêmement variés (environnement, santé, agroalimentaire,…). Dans ce type d’outil, un élément sensible de nature biologique (anticorps, enzyme, microorganisme, ADN…) doté d’un pouvoir de reconnaissance pour un analyte ou un groupe d’analytes est associé à un transducteur pouvant être de type électrochimique, optique ou thermique.Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au développement de trois biocapteurs pour la détection de substances biologiquement actives. Le premier permet la détermination simultanée de l’adénosine triphosphate (ATP) et du glucose par ampérométrie, le deuxième celle de la créatine kinase, et le troisième est un biocapteur conductimétique pour la quantification de l’ATP. Dans les deux premiers biocapteurs, deux enzymes (l’hexokinase et la glucose oxydase) sont immobilisées à la surface de microélectrodes constituées d’un disque de platine. Le troisième biocapteur est basé sur l’immobilisation de l’hexokinase sur des microélectrodes interdigitées en or. L’immobilisation est réalisée dans tous les cas par co-réticulation des enzymes en présence d’albumine de sérum bovin à l’aide de glutaraldehyde. Les caractéristiques analytiques des biocapteurs ont été déterminées et différentes procédures ont été développées pour l’analyse d’échantillons réels. Les biocapteurs ont pu être appliqués avec succès à la quantification de l’ATP, du glucose et de la créatine kinase dans des préparations pharmaceutiques et du sérum sanguin / Biosensors are rapid, selective and inexpensive devices that combine a biological recognition element, the so-called bioreceptor (e.g. enzymes, antibodies, DNA or microorganisms) to a physical transducer (e.g. electrochemical, optical, thermal or piezoelectrical). They can be used to detect one specific analyte or one family of analytes for a wide range of applications (e.g. environment, food, health). In this work, the detection of biologically active substances was targeted. A biosensor system for simultaneous determination of adenosine triphosphate (ATP) and glucose, a biosensor for creatine kinase analysis, and a novel conductometric biosensor for ATP determination were developed. In the first two biosensors, two enzymes (hexokinase and glucose oxidase) were immobilized at the surface of platinum disc microelectrodes for amperometric detection. The third biosensor was based on hexokinase immobilized onto gold interdigitated microelectrodes for conductometric detection. In all cases, the enzymes were co-immobilized with bovine serum albumin by cross-linking using glutaraldehyde. Analytical characteristics of the biosensors were determined and different procedures were developed for real samples analysis. The biosensors could be successfully applied to the determination of ATP, glucose, and creatine kinase in pharmaceutical samples and blood serum

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent le développement d‘une approche originale permettant la détermination de plusieurs composés (principalement aflatoxines et pesticides organophosphorés), à l‘aide de biocapteurs électrochimiques basés sur l‘inhibition de l‘acétylcholinestérase. Dans un premier temps, un nouveau biocapteur potentiométrique utilisant des transistors à effet de champ sensibles au pH (pH-FETs) comme transducteurs a été développé pour la détermination de l‘aflatoxine B1 (AFB1) et différent paramètres d‘élaboration et de fonctionnement du biocapteur ont été optimisés. Le biocapteur proposé est caractérisé par une stabilité opérationnelle élevée and bonne reproductibilité du signal en cours d‘utilisation et de stockage. Le biocapteur a ensuite été évalué pour l‘analyse d‘échantillons réels (blé, sésame, noix et pois) et une simulation mathématique de la réponse du biocapteur potentiométrique à l‘AFB1 a été proposée pour la première fois et validée. Dans un deuxième temps, un biocapteur conductimétrique utilisant des microélectrodes interdigitées en or a été développé. La sensibilité de ce biocapteur aux aflatoxines ainsi qu‘à d‘autres classes de substances toxiques, tels que les pesticides organophosphorés, les métaux lourds, les glycoalkaloïdes, et les surfactants, a été déterminée. Une nouvelle procédure originale, permettant la détermination sélective de toxines multiclasses par application successive de solutions de réactivation visant spécifiquement des inhibiteurs irréversibles ou réversibles, a été finalement proposée. En utilisant cette méthode, il a été montré que les biocapteurs enzymatiques pouvaient être appliqués à l‘analyse des aflatoxines et des pesticides organophosphorés, ainsi qu‘à la détermination de la toxicité globale des échantillons / Investigations reported in this manuscript are focused on the development of an original approach for the detection of several toxic compounds, mainly aflatoxins and organophosphorus pesticides, using acetylcholinesterase (AChE)-based inhibitory electrochemical biosensors. In a first step, a new potentiometric biosensor using pH Sensitive Field-Effect Transistors (pH-FETs) as transducers was investigated for aflatoxin B1 (AFB1) determination and different elaboration and working parameters were optimized. The proposed biosensor was characterized by high operational stability and reproducibility of the signal during the work as well as during the storage. The biosensor was further evaluated for real samples analysis (wheat, sesame, walnuts and peas) and a mathematical simulation of the potentiometric biosensor response to aflatoxin B1 was proposed for the first time and validated. In a second step, a conductometric biosensor using interdigitated gold microelectrodes was developed. The sensitivity of the biosensor to aflatoxins and other classes of toxic substances, such as organophosphorus pesticides, heavy metals ions, glycoalkaloids, and surfactants, was determined. A new and original procedure, enabling the selective determination of multiclass toxins by applying successive reactivation solutions targeting either irreversible or reversible inhibitors, was finally proposed. Using this method, the electrochemical enzyme inhibitory biosensors could be applied to the analysis of aflatoxins and organophosphorus pesticides, as well as for the determination of total toxicity of the samples

L'objectif de cette étude consiste à développer des électrodes modifiées à base des nanomatériaux à visées électroanalytiques. Pour ce faire, différentes méthodes de modification des électrodes ont été proposées à savoir la fonctionnalisation chimique, par adsorption et par électropolymérisation, en se servant des interactions électrostatiques et covalentes entre les surfaces des électrodes et les nanomatériaux (les nanoparticules magnétiques, les nanoparticules d'or, les polyoxométallates et les nanotubes de carbone). Les électrodes modifiées préparées ont permis de réaliser des dispositifs de détection (capteurs et biocapteurs) caractérisés par des performances analytiques intéressantes en termes de sensibilité et limite de détection. Des biocapteurs d'urée, à base d'électrodes semiconductrices, fonctionnalisées par des nanoparticules magnétiques portant l'enzyme uréase, ont permis d'obtenir de grandes sensibilités de détection de l'urée. Des capteurs chimiques pour la détection sensible de l'ion nitrite ont été obtenus en fonctionnalisant des électrodes de carbone vitreux et de diamant dopé au bore par des polyoxométallates. La combinaison de deux types des nanomatériaux (nanotubes de carbone et polyoxométallates hybrides) a permis l'obtention d'une structure originale qui présente les propriétés conductrices des nanotubes et électrocatalytiques des polyoxométallates. Ces structures originales ont permis la réalisation de biocapteurs enzymatiques de haute sensibilité pour la détection du glucose et du catéchol / The objective of the study consists in the development of modified electrodes, based on nanomaterials for electroanalytical applications. In this aim, different methods of modification of the electrodes have been proposed: chemical functionalization, adsorption and electropolymerization, using the electrostatic and covalent interactions between electrode surfaces and nanomaterials (magnetic nanoparticles, gold nanoparticles, polyoxometallates and carbon nanotubes). The prepared modified electrodes have allowed the obtaining of detection devices (sensors and biosensors) characterized for their interesting analytical performances in terms of sensitivity and detection limit. Urea biosensors, based on semi-conducting electrodes, functionalized with magnetic nanoparticles coated with urease enzyme, have allowed the sensitive detection of urea. Chemical sensors for the sensitive detection of nitrite ion have been obtained through functionalization of glassy carbon electrodes and boron doped diamond electrodes with polyoxometallates. The combination of both types of nanomaterials (carbon nanotubes and hybrid polyoxometallates) have allowed the obtaining of an original structure that presents conductive properties of nanotubes and electrocatalytic properties of polyoxometallates. These original structures have allowed the fabrication of enzymatic biosensors with a high sensitivity for the detection of glucose and catechol

Dans ce travail, deux aptacapteurs électrochimiques ont été développés pour une détection sélective de la tétracycline (TET) et ses dérivés dans les environnements aquatiques. Les deux outils analytiques sont basés sur l’immobilisation d’oligonucléotides d’ADN sur des électrodes de carbone sérigraphiées : le premier est un capteur impédimétrique utilisant un aptamère de 8 nucléotides, tandis que le deuxième est un capteur voltammétrique basé sur l’inhibition de l’électroactivité intrinsèque d’un aptamère de 76 nucléotides. Une telle électroactivité n’ayant jamais été observée précédemment, une étude a été menée afin d’identifier la partie de la séquence responsable de cette activité et de déterminer en parallèle les sites de reconnaissance de la TET. Un autre volet du travail exploite cette électroactivité afin de cartographier par microscopie électrochimique à balayage la répartition des aptamères immobilisés sur l’électrode. / In this work, two electrochemical aptasensors were developed for selective detection of tetracycline (TET) and its derivatives in aquatic environments. The two analytical tools are based on the immobilization of DNA oligonucleotides on screen-printed carbon electrodes: the first is an impedimetric sensor involving an aptamer of 8 nucleotides, while the second is based on a voltammetric sensor based on the inhibition of the intrinsic electroactivity of an aptamer of 76 nucleotides. Since such electroactivity has never been observed previously, a study was conducted to identify the part of the sequence responsible for this activity and to determine in parallel the TET recognition sites. Another part of the work exploits this electroactivity to map the distribution of aptamers immobilized on the electrode by scanning electrochemical microscopy.

L'analyse cinétique d'interactions de protéines offre une multitude d'informations sur les fonctions physiologiques de ces molécules au sein de l'activité cellulaire, et peut donc contribuer à l'amélioration des diagnostics médicaux ainsi qu'à la découverte de nouveaux traitements thérapeutiques. La résonance plasmonique de surface (SPR) est la technique de biodétection optique de référence pour les études cinétiques d'interaction de molécules biologiques. Si la SPR offre une détection en temps réel et sans marquage, elle nécessite en revanche des équipements coûteux et sophistiqués ainsi que du personnel qualifié, limitant ainsi son utilisation au sein de laboratoires de recherche académiques. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme de biodétection basée sur l'utilisation de nanofentes biofonctionnalisées combinées avec une détection par microscopie à fluorescence. Ce système permet l'observation en temps réel d'interactions protéines-protéines et la détermination des constantes cinétiques associées, avec des temps de réponse optimisés et une excellente efficacité de capture. La fonctionnalité du système a été démontrée par l'étude des cinétiques d'interaction de deux couples modèles de différentes affinités : le couple streptavidine/biotine et le couple IgG de souris/anti-IgG de souris. Une très bonne cohérence entre les constantes cinétiques extraites, celles obtenues par des expériences similaires réalisées en SPR et les valeurs rapportées dans la littérature montre que notre approche pourrait être facilement applicable pour l'étude cinétique d'interactions de protéines avec une sensibilité allant jusqu'au pM, sur une large gamme de constantes de dissociation. De plus, nous avons intégré un générateur de gradient de concentrations microfluidique en amont de nos nanofentes, permettant ainsi des mesures simultanées de cinétiques d'interactions à différentes concentrations d'analyte en une seule expérience. Ce système intégré offre de nombreux avantages, tels qu'une réduction de la consommation des réactifs et des temps d'analyse par rapport aux approches séquentielles classiques. Cette technologie innovante pourrait ainsi être un outil précieux non seulement pour les domaines du biomédical et de la médecine personnalisée mais aussi pour la recherche fondamentale en chimie et biologie. / Kinetic monitoring of protein-protein interactions offers fundamental insights of their cellular functions and is a vital key for the improvement of diagnostic tests as well as the discovery of novel therapeutic drugs. Surface plasmon resonance (SPR) is an established biosensor technology routinely used for kinetic studies of biomolecular interactions. While SPR offers the benefits of real-time and label-free detection, it requires expensive and sophisticated optical apparatus and highly trained personnel, thus limiting the accessibility of standard laboratories. In this PhD project, we have developed an alternative and cost-effective biosensor platform exploiting biofunctionalized nanofluidic slits, or nanoslits, combined with a bench-top fluorescence microscope. Our approach enables the visualization of protein interactions in real-time with the possibility to determine associated kinetic parameters along with optimized response times and enhanced binding efficiency. We have demonstrated the effectiveness of our devices through kinetic studies of two representative protein-receptor pairs with different binding affinities: streptavidin-biotin and mouse IgG/anti-mouse IgG interactions. Good agreement of extracted kinetic parameters between our device, SPR measurements and literature values indicated that this approach could be readily applicable to study kinetics of protein interactions with sensitivity down to 1 pM on a large scale of dissociation constants. In addition, we have incorporated a microfluidic gradient generator to our validated nanoslit device, which has allowed one-shot parallel kinetic measurements to be realized in a single-experiment. This integrated system provides advantages of diminished material consumption and analysis time over the conventional kinetic assays. We believe that this innovative technology will drive future advancements not only in the discipline of biomedical and personalized medicine, but also in basic chemical/biological research.

Le développement de nouvelles voies synthétiques permettant l’accès à des sondes à applications biologiques connaît un intérêt accru. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Ils portent particulièrement sur les colorants « Push-pull » qui se caractérisent par leur sensibilité aux changements de leur environnement, leur faible cytotoxicité et leur photostabilité élevée. En outre, la synthèse de ces fluorènes est très exigeante. Nos travaux ont abouti à : 1) Des approches synthétiques concises pour accéder à des composés aromatiques aminés difficiles à synthétiser, celles-ci via des systèmes Pallado-catalysés optimisés impliquant une amination sélective et une synthèse séquentielle en « one pot », 2) La synthèse d'une bibliothèque vaste de fluorènes avec la diversification des groupements accepteur et donneur. 3) Des relations structure- propriétés photophysiques. 4) La synthèse de trois colorants avancés engendrant la première sonde de fluorènes spécifique aux membranes : un outil puissant pour étudier la structure et les dynamiques biophysiques de ces membranes. Le colorant optimal surpasse les caractéristiques des sondes couramment utilisées montrant : une absorption décalée vers le rouge attenant 405 nm en diode laser, une luminosité plus élevée diminuant la concentration du colorant pour la coloration de ~ 10-15 fois, une haute photo-stabilité, une forte sensibilité aux domaines liquides des membranes des cellules. 5) La Synthèse de 4 phosphoramidites marqués et leurs incorporations dans les oligonucléotides attestant une grande sensibilité aux milieux protiques et au pH. En duplex d'ADN, le colorant est efficace pour la différenciation des bases opposées. Une application du marqueur d'ADN fluorescent l’a testé comme un donneur pour le déplacement de Stokes dans une paire de FRET émissive en combinaison avec l’accepteur Dy681. Le FRET a démontré une augmentation ratiométrique dans la région proche infrarouge avec un décalage de 300 nm / Extensive research focuses on finding straightforward synthesis and prospective probes for biological applications. Push-pull dyes are of particular interest for various uses as biosensors for membranes and nucleic acids. These dyes are highly responsive to changes of their environments. Specifically, push-pull fluorenes exhibit low cytotoxicity and high photostability, but are not yet reported in the two mentioned applications. Furthermore, their synthesis is highly demanding. In this context, our work presents: 1) Step-economic and concise approaches to access challenging aminoaromatics via optimized air-stable Pd catalytic systems involving selective mono/di-amination and sequential one-pot synthesis, 2) Synthesis of a fluorene library varying the acceptor and the donor groups, 3) Structure-photophysics relationships, 4) Synthesis of three advanced dyes and concluding the first plasma membrane-specific fluorene probe that can be a powerful tool for studying the structure and biophysical dynamics of membranes. The optimal dye surpasses the features of commonly used probes showing: red-shifted absorption matching the 405 nm diode laser, higher brightness decreasing the dye concentration for staining by ~10-15 folds, high photostability, comparably strong sensitivity to liquid domains of cell membrane, and 5) Synthesis of 4 fluorene-labeled phosphoramidites and their site-specific ODN incorporations evidencing high sensitivity to protic media and pH. Labeled sequences exhibited a far-red emission with modest quantum yields in line with their strong charge transfer character. In DNA duplexes, the dye efficiently base-discriminated opposite cytidine and thymidine. A preliminary application of the DNA fluorescent marker involved testing it as a mega-Stokes shift donor in an emissive FRET pair in combination with Dy681 acceptor. The FRET demonstrated a ratiometric turn-on in NIR region with a shift of 300 nm

La biophotométrie sur fibre est une technique puissante utilisée en neuroscience pour surveiller les fluctuations dynamiques des niveaux de calcium en corrélation avec des événements neuronaux, tels que la génération de potentiel d’action, l’exocytose de neurotransmetteurs, des modifications de la plasticité synaptique et la transcription de gènes dans les structures cérébrales profondes d’animaux de laboratoire vivants. Cette approche permet également d’étudier la corrélation entre les processus neuronaux et le comportement de modèles animaux vivants afin de percer les mystéres du cerveaux et de nombreuses maladies comme la maladie d’Alzheimer. Les appareils de biophotométrie sur fibre de table classiques utilisent une fibre optique attachée pour émettre de la lumière et récupérer les signaux de fluorescence, ce qui présente un risque de rupture, de contrainte et de blessure potentielle. Ces systèmes sont également encombrants et nécessitent des tensions de fonctionnement élevées. Par conséquent, leur utilité dans les études sur des animaux vivants est limitée. Le but de ce projet est de mettre en place une interface neuronale optique sans fil pour effectuer la détection de fluorescence avec des modèles animaux vivants sans restreindre leurs mouvements ni induire de stress dû au câble. Nous avons conçu un système de biophotométrie par fibre optique sans fil légère et compacte pour une utilisation chronique basée sur un capteur de fluorescence CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) intégré offrant une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée et une consommation d’énergie très faible. Le système de biophotométrie à fibre présenté incorpore tous les aspects d’un système de biophotométrie à fibres englobé dans un sans fil. Les principales contributions de ce travail ont été rapportées dans neuf conférences et trois articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans une divulgation d’invention. Les mesures de biophotométrie en fluorescence nécessitent un appareil de laboratoire à large plage dynamique (DR) et à haute sensibilité. Cependant, il est souvent très difficile de mesurer avec précision les petites variations de fluorescence en présence de bruit et d’autofluorescence de tissu de fond élevée. Une contribution importante de ce travail concerne le développement de biocapteurs optoélectroniques CMOS intégrés sur mesure et de circuits de traitement permettant de détecter les signaux de fluorescence très faibles et de les convertir en codes numériques de haute précision, afin de construire des dispositifs de détection du cerveau montables sur la tête de souris de laboratoire, très compacts et légers. Nous avons conçu une première puce de biocapteur CMOS haute précision offrant une plage de tension de fonctionnement basse, une basse consommation, une haute sensibilité et une gamme dynamique élevée basée sur une architecture basse tension intégrant un circuit frontal à détection différentielle avec heure [sigma delta] modulation avec un amplificateur de transconductance capacitif différentiel (ATCCD). / Ce nouveau système offre une mise en oeuvre simplifiée ainsi qu’une architecture à faible consommation utilisant une stratégie de partage du matériel. La détection différentielle et les photodiodes factices avec le ATCCD permettent d’atteindre une sensibilité élevée en supprimant les dark current de la photodiode, en utilisant un petit condensateur d’intégration dans le ATCCD. Les résultats de mesure sont présentés pour le capteur de biophotométrie proposé, fabriqué avec une technologie CMOS de 0.18 mm, consommant 41 mWd’une tension d’alimentation de 1.8 V, tout en atteignant une gamme dynamique maximale de 86 dB, une bande passante de 50 Hz, une sensibilité de 24 mV/nW et un courant minimum détectable de 2.6-pArms à un taux d’échantillonnage de 20 kS/s. Un autre défi critique pour un système de photométrie à fibre pour petits animaux concerne la gestion de la consommation de courant importante nécessaire à la source de lumière d’excitation pour fournir une puissance de sortie de lumière suffisante au tissu afin de déclencher la fluorescence. Par conséquent, des impulsions lumineuses d’excitation courtes doivent être utilisées par rapport à la période d’échantillonnage du signal de fluorescence (>10 ms), afin de réduire la consommation de courant moyenne et d’allonger la durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette exigence critique, nous avons amélioré notre conception avec un deuxième prototype de biocapteur utilisant de nouvelles techniques de circuit pour offrir une sensibilité élevée et une plage dynamique élevée avec un temps de conversion réduit permettant l’utilisation d’impulsions lumineuses à cycle de fonctionnement réduit et de consommation faible. Le biocapteur est basé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) à comptage étendu, et un convertisseur analogique-numérique de premier ordre SD, dont le fonctionnement est synchronisé avec les impulsions lumineuses d’excitation. Le biocapteur présente une gamme dynamique de 104 dB à un temps de conversion de 3 % de la période d’échantillonnage du signal de fluorescence et réduit la consommation électrique de la DEL de 97 %. Un dernier aspect critique concerne la flexibilité du biocapteur pour effectuer des tests fiables in vivo. Réaliser un test pratique in vivo nécessite d’ajuster la sensibilité du biocapteur et la puissance de sortie de la DEL du biocapteur afin de s’adapter à différents niveaux de fluorescence et différents environnements physiologiques à l’intérieur des tissus de l’animal vivant. Ainsi, nous avons conçu un troisième biocapteur incorporant une sensibilité et un temps de conversion programmables afin d’optimiser la consommation d’énergie de DEL et de permettre un très faible facteur de fonctionnement excitation/détection. Cette toute nouvelle architecture de capteurs utilise un CAN à temps discret [sigma delta] avec une technique de double échantillonnage numérique corrélée permettant la détection de photocourants inférieurs à 1 pArms. Cette conception a été utilisée comme module de base pour développer un prototype de headstage sans fil. Nous avons mis en place et testé in vitro avec succès ce système de biophotométrie à fibre, qui comprend la puce de biocapteur proposée, avec une tranche de cerveau de souris exprimant GCaMP6, un indicateur de calcium génétiquement codé. / Fiber biophotometry is a powerful technique in neuroscience to monitor the dynamic fluctuations in calcium levels correlated with neural events, such as action potential generation, exocytosis of neurotransmitters, changes in synaptic plasticity, and gene transcription in deep brain structures in live laboratory animals. This approach allows studying the correlation between neuronal processes and the behavior of live animal models in order to learn more about the brain function and its associated diseases. Conventional bench-top fiber biophotometry apparatus use a tethered optical fiber to deliver light and to retrieve fluorescence signals, which involves risk of breakage, stress, and potential injury. These systems are also bulky and require high operating voltages. Therefore, their usefulness to conduct studies with live animals is limited. The goal of this project is to implement a wireless optical neural interface to perform fluorescence sensing with live animal models without restraining their movement or inducing stress due to cable tethering. We designed a lightweight and compact size wireless fiber biophotometry headstage for chronic utilization based on a custom integrated Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fluorescence sensor providing high-sensitivity, high-dynamic range, and very low-power consumption. The presented head-mountable fiber biophotometry system incorporates all aspects of a conventional tethered fiber-based biophotometry system encompassed into a wireless headstage. The main contributions of this work were reported in nine conferences and three journal papers published or submitted, and in one invention disclosure. Fluorescence biophotometry measurements require wide dynamic range (DR) and high-sensitivity laboratory apparatus. But, it is often very challenging to accurately resolve the small fluorescence variations in presence of noise and high background tissue autofluorescence. An important contribution of this work concerns the development of custom integrated CMOS optoelectronic biosensors and processing circuits to detect very weak fluorescence signals, and to convert them into high-precision digital codes, for building very compact and lightweight head-mountable brain sensing devices for laboratory mice. We first designed a high-precision CMOS biosensor chip providing low operating voltage, low-power, high-sensitivity, and high-dynamic range based on a low-voltage architecture that embeds a differential sensing front-end circuitry with a continuous-time [sigma delta] modulation with a differential capacitive transconductance amplifier (DCTIA). This novel system offers a simplified implementation as well as a low-power architecture leveraging a hardware sharing strategy. Differential sensing and dummy photodiodes with the DCTIA enables to achieve high-sensitivity by suppressing the photodiode dark currents and using a small integration capacitor in the DCTIA. Measurement results are presented for the proposed biophotometry sensor fabricated in a 0.18-mm CMOS technology, consuming 41 mW from a 1.8-V supply voltage, while achieving a peak dynamic range of 86 dB over a 50-Hz input bandwidth, a sensitivity of 24 mV/nW and a minimum detectable current of 2.46-pArms at a 20-kS/s sampling rate. / Another critical challenge for a head-mountable fiber photometry system is when handling the large current consumption needed for the excitation light source to provide sufficient light output power to the tissue in order to trigger fluorescence. Hence, short excitation light pulses must be used, relative to the sampling period of the fluorescence signal (>10 ms), in order to decrease the average current consumption, and extend the battery lifetime. To address this critical requirement, we improved our design with a second biosensor prototype using novel circuit techniques to provide high-sensitivity and a high-dynamic range with a short conversion time to allow the utilization of low-duty cycle light pulses and low-power consumption. The biosensor is based on an extended counting ADC, first-order [sigma delta] and single slope ADC, whose operation is synchronized with the excitation light pulses. The biosensor presents a high-dynamic range of 104 dB at a conversion time of 3 % of the fluorescence signal sampling period and decreases the power consumption of the excitation light source by 97%. A last critical aspect concerns the flexibility of the biosensor to perform reliable tests in-vivo. Performing a practical test in-vivo requires to adjust the biosensor sensitivity and the excitation light source output power of the biosensor to adapt to different fluorescence levels and different physiological environments inside the live animal tissues. Thus, we designed a third biosensor incorporating a programmable sensitivity and a programmable conversion time to optimize the excitation light power consumption, and to enable very low excitation/sensing duty cycle. This completely new sensor architecture utilizes a discrete time SD ADC with digital correlated double sampling technique enabling detection of low photocurrents as low as 1 pArms. This design was used as a core module to develop a wireless head-mountable optical headstage prototype. We have implemented and sucessfully tested this fiber photometry headstage, which includes the proposed biosensor chip, in-vitro with a mouse brain slice expressing GCaMP6, a genetically encoded calcium indicator.

L'étude porte sur une électrode à butyrylcholinestérase immobilisée, destinée à la détection de pesticides et insecticides inhibiteurs de cette enzyme, en particulier les organophosphorés et les carbamates. Les conditions optimales de mise au point et d'utilisation de cette électrode sont étudiées, ainsi que son comportement en présence d'inhibiteurs solubles dans l'eau, représentés, par le paraoxon. La détection d'inhibiteurs insolubles dans l'eau est effectuée dans un mélange tampon phosphate-éthanol ou méthanol. Le champ des interférences connues est élargi aux sels d'halogénures, et les possibilités de régénération de la butyrylcholinestérase inhibée optimisées. La détection en routine d'inhibiteurs dans les eaux exposées à des risques de pollution accidentelle est mise au point grâce à un ensemble automatisé, dont le fonctionnement est explicité. Un modèle théorique permet d'expliciter certains résultats de l'expérience.

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider. / The need for biosensors with high sensibility but simple preparation and use has been increasing, especially in the biomedical field. Crystalline colloidal arrays (CCAs) formed by polymer microspheres have already demonstrated great potential for biosensing applications, combining the polymer properties to the visible light diffraction caused by their periodic structure. However, a better understanding of the behavior of such structures is essential in the objective to develop efficient and versatile biosensors. This work proposes to investigate the formation and properties of CCAs created by the self-assembly of polymer microspheres in aqueous medium. For that purpose, particles with different features have been synthesized and studied to highlight the correlation between the properties of the particles and the behavior of the CCAs. First, anionic and cationic cross-linked polystyrene microspheres have been prepared by surfactant-free emulsion polymerization. Different sizes, shapes, polydispersities and surface charge densities have been obtained by the use of various amounts of charged comonomers, either vinylbenzyltrimethylammonium chloride or sodium styrenesulfonate. Indeed, an increasing amount of the ionic comonomer leads to a decreasing particle size because of the ability to electrostatically stabilize more surfaces. However, above a certain concentration, the polymerization of the comonomer in solution increases the polydispersity of the particle size. When allowed by a low polydispersity, the charged microspheres can self-assemble into CCAs with intense visible light diffraction, even for particles not quite spherical. It appears that the electrostatic repulsions created by the charges help in the formation of the periodic structure over a wide range of particle concentrations and improve their stability towards ionic strength. Secondly, the need for a sensitive component brought us to investigate core-shell structures. These microspheres, synthesized by a two-step surfactant-free emulsion polymerization, are made of a polystyrene core and a hydrogel shell. Different hydrogels have been used to achieve different properties: poly(acrylic acid) for pH-sensitivity, poly(N-isopropylacrylamide) for thermosensitivity and poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) for double sensitivity to both stimuli. Above a certain critical concentration, and over a wide range of concentrations, these microspheres also form CCAs with visible light diffraction. The resulting crystalline structures also display a response to the stimuli, visible through changes in the diffraction spectra, but the response appears to be dependent on the microsphere concentration. This behavior seems to be the result of a change in the interactions between particles rather than the outcome of the volume change of the particles. Attractive van der Waals and repulsive steric interactions are clearly affected by the temperature-induced volume phase transition of poly(N-isopropylacrylamide) microspheres. In the case of pH-sensitive, electrostatic interactions are also to be considered. The effect of concentration can then related to the range of the interactions. Finally, in the objective to develop glucose sensors, the previous microspheres have been functionalized with 3-aminophenylboronic acid to make them responsive to glucose. The effects of the functionalization and complexation with glucose on the particles and their CCAs have been investigated. The crystalline structure is clearly affected by the presence of glucose, even though the mechanism involved remains to be clarified.