Le présent mémoire porte sur le développement d'une approche générale en vue de la préparation et de l'utilisation de canaux ioniques artificiels pour la réalisation de biosenseurs. Cependant, l'utilisation de ces nanostructures peptidiques dans des dispositifs pratiques nécessite des modifications. Nous rapportons ici la modification sélective des extrémités de nos canaux ioniques par des groupements permettant leur attachement à une surface électro-attractive et la reconnaissance d'analytes biologiques. La première partie consiste en une description générale des biosenseurs, ainsi qu'en une revue des principaux modèles proposés dans la littérature de protéines «canal» d'origine naturelle ou artificielle comme composantes des ces outils de biodétection. Le second chapitre présente notre approche générale, les molécules cibles utilisées pour faire l'ingénierie de notre système modèle, de même que les méthodes de synthèse employées pour l'élaboration et la modification sélective des extrémités de nos nanostructures peptidiques. La troisième partie est consacrée à l'attachement du peptide à des surfaces d'or. La quatrième partie présente les différentes techniques utilisées pour la caractérisation des canaux ioniques et des nanoparticules d'or.

Afin de veiller à la sécurité des patients lors de transfusions sanguines, les banques de sang doivent tester les donneurs et les receveurs afin de s’assurer de la compatibilité du sang. Les méthodes de génotypage sanguin utilisées à l’heure actuelle sont complexes et fastidieuses ne permettant pas la caractérisation complète de tous les dons de sangs. Ce projet vise le développement de nouvelles stratégies de génotypage sanguin à l'aide de nanoparticules composites super luminescentes. Ce type de biocapteur pourrait être utilisé afin de faciliter ces opérations en offrant une méthode qui permettrait d’éviter l’étape d’amplification enzymatique qui limite la cadence des analyses. Ce faisant, elle serait beaucoup plus rapide et moins coûteuse que les méthodes traditionnelles. Dans ce mémoire, les différentes étapes de la synthèse de nanoparticules cœur-coquille fluorescentes, la fonctionnalisation de surface ainsi que la caractérisation des performances analytiques du système développé seront abordées. Les nanoparticules utilisées sont formées d'un cœur d'argent afin d'exploiter leurs propriétés plasmoniques. Elles sont ensuite recouvertes d'une couche de silice qui permet de rehausser la stabilité de la suspension colloïdale et qui peut être dopée avec des fluorophores. Par la suite, des brins d’ADN sonde sont greffés à la surface des nanoparticules afin de capturer spécifiquement les cibles d’ADN complémentaires, une tâche qui sera facilitée par la surface de silice des nanoparticules qui donne accès à plusieurs stratégies de fonctionnalisation utilisant la chimie des silanes. Pour terminer, un polymère transducteur est couplé à la sonde d’ADN et permet la reconnaissance de la réaction d’hybridation par un mécanisme de transfert d’énergie résonant (FRET, «Förster Resonant Energy Transfer»). / To ensure patient safety during blood transfusions, blood banks must test donors and receivers to ensure the compatibility of blood. Blood genotyping methods used presently are complex and fastidious and do not allow the complete characterization of all donated blood. This project involves the development of new strategies for blood genotyping using super luminescent composites nanoparticles. Such biosensors could be used to facilitate these operations by providing a method that would avoid the enzymatic amplification step which limits the analysis throughput. In doing so, it would be much faster and cheaper than traditional methods. In this master's essay, the synthesis of core-shell fluorescent nanoparticles, surface functionalization and characterization of the colloids will be presented. Also, the analytical performance of the system developed will be discussed. The nanoparticles are made of a silver core in order to exploit their plasmonic properties. Thereafter, they are covered with a silica layer doped with fluorophores by using a modified Stöber method in order to be stable and fluorescent. Subsequently, DNA single stranded probes are grafted to the surface of these nanoparticles to specifically capture the complementary DNA targets, a task that will be facilitated by the silica surface which provides access to a range of functionalization strategies using silane chemistry. Finally, a polymer transducer is complexed to the DNA probe and allows recognition of hybridization by Förster Resonant Energy Transfer (FRET).

La compréhension des fonctions du cerveau a toujours fasciné les scientifiques travaillant dans différents domaines de recherche et reste un sujet de recherche très vaste et complexe dont la maîtrise requière non seulement une étude approfondie des neurosciences mais aussi des outils facilitant cette étude. La conception de ces outils, tout comme le reste du matériel nécessaire aux études scientifiques, a connu de grands progrès suite aux avances technologiques des différents domaines d'ingénierie. Cependant, certaines molécules, notamment les neurotransmetteurs, qui sont impliquées dans le bon fonctionnement du cerveau et dont le dysfonctionnement est souvent associé aux pathologies neuropsychologiques restent très difficiles à discerner avec précision parmi d'autres molécules avec des propriétés physicochimiques semblables et surtout à cause de leur trop faible concentration dans les liquides physiologiques. Ce problème est encore plus en plus critique pour des applications in situ qui nécessitent une réponse rapide avec un minimum de matériel. Plusieurs méthodes de séparation et de détection moléculaire utilisées dans les autres domaines de recherche, malgré leur succès dans la détection de la plus part des neurotransmetteurs, ne conviennent pas au développement d'un outil de détection compact et réutilisable. Parmi ces méthodes, les plus représentatives sont basées sur des techniques telles que : 1. l'imagerie tomographique, la chromatographie en phase liquide à haute performance et les méthodes analytiques, qui utilisent la dérivatisation et dont la technologie actuelle ne permet pas la miniaturisation. 2. l'électrochimie, dont la sensibilité et la sélectivité sont limitées et dont surtout l'application se limite aux molécules actives aux réactions redox. 3. La colorimétrie, utilisant principalement des marqueurs non-cyclables. Pour des analyses ex situ qui ne nécessitent pas une réponse immédiate, ces techniques peuvent convenir pour réaliser la détection d'un neurotransmetteur donné. Cependant, pour comprendre le fonctionnement du système nerveux au niveau cellulaire, les recherches en neurosciences et en pathologie neuronale bénéficieraient d'un système autonome permettant de faire des mesures continues in situ. Même si ces méthodes fonctionnent au niveau cellulaire, le défi réside dans le fait elles sont difficilement miniaturisables avec les technologies actuelles. Cette thèse de doctorat comporte deux volets de recherche et ses contributions ont été présentées dans cinq conférences internationales et trois articles de journaux publiés ou soumis. L'objectif du premier volet de recherche est de développer une méthode de détection de neurotransmetteurs basée sur la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon de nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées avec un aptamère spécifique à la molécule cible. L'objectif du deuxième volet de recherche est de concevoir un système compact basé sur la spectroscopie visible pour la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon des nanoparticules d'or utilisées comme biocapteurs de la molécule cible. Les deux volets ont alors pour objectifs spécifiques de : 1. Échantillonner un volume prédéterminé d'une solution inconnue, la mélanger avec un volume adéquat de nanoparticules d'or fonctionnalisées et détecter de façon autonome la concentration de dopamine dans la solution inconnue 2. Réutiliser les nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées pour des utilisations futures. À ce jour, mis à part mes travaux de recherche, aucune méthode de détection de neurotransmetteurs ou autre molécule, atome ou ion n'utilise des nanoparticules d'or ou autre nano-objets plasmoniques réutilisables. La contribution majeure de ce projet, réalisé dans le premier volet de recherche, est la mise au point d'une méthode de détection moléculaire basée sur des nanoparticules d'or ultrastables et réutilisables qui ne s'agrègent pas dans conditions non supportables par d'autres types de nanoparticules d'or. Pour concrétiser l'objectif de détection de la dopamine in situ, le système optofluidique a été développé dans le deuxième volet de recherche et, en plus d'avoir une résolution spectrale comparable à un spectrophotomètre commercial, son module fluidique permet un échantillonnage automatique dans un volume 11 × 9 × 6 cm³. / Understanding the functions of the brain has always fascinated scientists working in different domains and it remains a very broad and complex subject of research requiring not only a depth study of neuroscience but also adequate tools to facilitate this study. The design of these tools, as well as the rest of the scientific equipment, has known great advances due to technological advances in the various fields of engineering. However, some molecules, such as neurotransmitters, which are involved in the adequate brain functions and whose dysfunction is often associated with neuropsychological pathologies remain very difficult to detect with precision among other molecules with similar physicochemical properties due to their very low concentration in physiological fluids. This problem is even more critical for in situ applications which require a quick response with limited equipment. Despite their success in the detection of most neurotransmitters, most molecular separation and detection methods used in other research fields, are not suitable for the development of compact and reusable detection systems. Among these methods, the most representative are based on techniques such as: 1. Tomographic imaging, high-performance liquid chromatography, and derivatization-based analytical methods that are not suitable for miniaturization with current technology. 2. Electrochemistry whose sensitivity and selectivity are limited and whose application is mainly limited to redox-active molecules. 3. Colorimetry based on non-reusable markers. For ex situ analyzes which do not require an immediate response, at least one of these techniques is suitable for the detection of a given neurotransmitter. However, to understand how the nervous system works at the cellular level, research in neuroscience and neuronal pathology may benefit from an autonomous system able to make continuous measurements in situ. Although these methods actually work at the cellular level, the challenge lies in the fact that they are difficult to miniaturize with current technologies. This project has two parts and its contributions have been presented in five international conferences and three published or submitted journal articles. The aim of the first part of the project was to develop a neurotransmitter detection method based on the measurement of the bathochromic shift of aptamer modified ultrastable gold nanoparticles' plasmon band as a response to the concentration of the target molecule. The aim of the second part is to design a compact system based on visible spectroscopy for the detection of the possible bathochromic shift of the plasmon band of the gold nanoparticles used as a probe for the target molecule. The specific objectives of this project include: 1. Sample a predetermined volume of an unknown solution, mix it with an adequate volume of functionalized gold nanoparticles and automatically detect the dopamine concentration in the unknown solution. 2. Reuse functionalized ultrastable gold nanoparticles for future uses. So far, apart from this project, there is any detection method for neurotransmitters or any other molecule, atom, or ion based on reusable gold nanoparticles or any other reusable plasmonic nano-objects. The major contribution, realized in the first part of this project, is the development of a new molecular detection method based on ultrastable and recyclable gold nanoparticles which do not aggregate under the most difficult conditions for other types of gold nanoparticles. Furthermore, to achieve the objective of detecting dopamine in situ, the optofluidic system developed in the second part of this project, not only has a spectral resolution comparable to the commercial laboratory spectrophotometer but also contain a fluidic module to allow automatic sampling and the whole system have a volume of only 11 × 9 × 6 cm³.

À l'heure actuelle, la détection efficace et abordable des maladies infectieuses est considérée par l'organisation mondiale de la santé comme l'enjeu du développement biotechnologique le plus critique pour l'amélioration de la santé humaine et animale. À ce propos, plusieurs approches ont été proposées mais la plupart d'entre elles se basent sur la technique communément appelée PCR (Polymerase Chain Reaction). Une méthode de détection développée dans notre laboratoire est basée sur la réponse d'un biocapteur le poly(3-alkoxy-4-méthylthiophène) à son environnement. La particularité de ce biocapteur réside dans sa susceptibilité à reconnaître l'événement d'hybridation d'une chaîne d'ADN et à le traduire en un signal mesurable (optique, électrochimique...). Parallèlement à nos travaux de détection de l'ADN, une étude plus approfondie a été menée sur certains facteurs inhérents aux molécules d'ADN tels que la longueur de la chaîne d'ADN (sonde et cible), ainsi que l'enchaînement de la séquence d'ADN. Cette étude a été réalisée principalement par des techniques de colorimétrie (UV-visible) et de mesure de la fluorescence. Cette dernière à montre que l'hybridation se fait très difficilement lorsqu'on a une différence de longueur entre les deux brins d'ADN et que l'intensité de fluorescence change d'une séquence à l'autre.

Un grand intérêt est remarqué au sein de la communauté et les chercheurs scientifiques pour étudier le changement et le réchauffement climatique ainsi que pour évaluer les conditions environnementales actuelles et ses limites. Il est établi que la présence de micro-organismes sélectionnés dans un environnement spécifique peut prédire différents facteurs environnementaux dans un habitat donné. L'écologie microbienne étudie les relations existantes entre les micro-organismes et leur environnement. Comprendre les micro-organismes qui prospèrent dans ces régions nordiques peut grandement faire progresser nos connaissances sur ces habitats et les effets des changements climatiques. Ces microbes sont appelés bioindicateurs. Mais, à l'heure actuelle, les micro-organismes bioindicateurs qui se développent dans différents habitats qui sont les plus touchés par les changements climatiques, comme ceux des régions septentrionales du Canada, sont encore pour la plupart inconnus. Le programme transdisciplinaire Stratégie Sentinelle Nord de l'Université Laval vise à développer des technologies innovantes et à accroître la connaissance collective des habitats nordiques et de leurs impacts sur les êtres humains et leur santé. Sous l'égide de l'initiative Sentinel Nord, le projet EcoChip est un programme ambitieux qui vise à développer une technologie autonome de surveillance, de compréhension et de valorisation des microorganismes présents dans le Nord. La technologie EcoChip vise également à identifier des molécules uniques susceptibles d'être utilisées dans des processus biologiques et industriels. Ici, nous présentons la technologie EcoChip de nouvelle génération. C’est un système autonome qui permet de surveiller la croissance des micro-organismes dans les puits individuels sur le terrain. Il peut mesurer le taux de croissance des micro-organismes et leurs conditions environnementales in-situ grâce à une plate-forme de capteurs embarqués. Cette nouvelle version améliore de nombreux aspects du prototype précédent. Entre autres, il a un réseau d'électrodes EIS plaqué et intégré à la carte électronique, un nouveau boîtier hermétique personnalisé et a été fabriqué en utilisant une technologie de carte de circuit imprimé standard et peu coûteuse. / The community and scientific researchers have great interest in studying climate change and warming as well as to assess current environmental conditions and its limitations. Microbial ecology studies the existing relationships between microorganisms and their environment. The presence of selected microorganisms in a specific environment can predict different environmental factors in each habitat. These sentinel microbes are called bioindicators. Understanding the microorganisms that thrive in these northern regions can greatly advance our knowledge of these habitats and the effects of climate change. However, at present, the bioindicator microorganisms that thrive in different habitats that are most affected by climate change, such as those in northern regions of Canada, are still mostly unknown. The transdisciplinary Sentinel North Strategy program aims to develop innovative technologies and increase collective knowledge of northern habitats and their impacts on humans and their health. Under the aegis of the Sentinel North initiative, this project is an ambitious program, aims to develop an autonomous technology for monitoring, understanding and valuing the microorganisms present in the North. EcoChip technology also aims to identify unique molecules used in biological and industrial processes. Here we present the next generation EcoChip technology. It is a stand-alone system built to monitor the growth of microorganisms in individual wells in the field. It can measure the growth rate of microorganisms and their environmental conditions in-situ using an on-board sensor platform. The system can measure the impedance of microorganisms inside 96 wells using the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. Other parameters like temperature, humidity and luminosity are measured. The EcoChip has many improvements. Among other things, it has an EIS electrode array plated and integrated with the electronic board, a new customized hermetic package and was manufactured using standard and inexpensive printed circuit board technology.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / Dans l'optique de la création d'un vêtement intelligent original multi-capteur, et permettant la mesure de différents signes physiologiques, une nouvelle fibre électrode sèche et flexible, en PDMS et nanotube de carbone, est créée. Ce vêtement intelligent innovant aurait l'avantage de n'utiliser que la fibre électrode, qui est un capteur peu coûteux et relativement facile à concevoir. L'intégration au textile est facilitée par l'aspect filiforme du capteur, et également par le fait qu'aucune modification majeure du textile est nécessaire à son intégration. Les grandeurs que l'on cherche à acquérir sont les électrocardiogrammes, les électromyogrammes de surface, et le mouvement. La fibre ayant déjà été évaluée pour la mesure de la respiration, le couplage de toutes ces grandeurs permettrait d'obtenir un aperçu global de l'état de santé de l'utilisateur. Une problématique d'étude de la fatigue musculaire est également levée, et l'analyse poussée du mouvement par l'utilisation de la fibre de manière simultanée à la mesure des électromyogrammes serait un atout pour cette dernière. Le circuit imprimé conçu pour la mesure des électromyogrammes de surface et du mouvement est miniaturisé, portatif, autonome et sans fil. Celui pour la mesure des électrocardiogrammes fonctionne en filaire, et doit encore être miniaturisé. Les circuits électroniques sont donc conçus spécialement pour être à l'interface entre la fibre électrode et l'utilisateur. Ils sont décrits et évalués tout au long de ce projet. Des tests de ces circuits seront présentés avec des électrodes de référence en Ag/AgCl, puis avec la nouvelle fibre PDMS. / With the aim of creating an original multi-sensor smart garment, and allowing the measurement of different physiological signs, a new dry and flexible electrode fiber, made of PDMS and carbon nanotube, is created. This innovative smart garment would have the advantage of using only the electrode fiber, which is an inexpensive and relatively easy to design sensor. The integration to the textile is facilitated by the thread-like aspect of the sensor, and also by the fact that no major modification of the textile is required for its integration. The parameters we are looking to acquire are electrocardiograms, surface electromyograms, and motion. The fiber having already been evaluated for the measurement of breathing, the coupling of all these quantities would make it possible to obtain an overall view of the health of the user. A problem of studying muscle fatigue is also raised, and the advanced analysis of the movement by using the fiber simultaneously with the measurement of electromyograms would be an asset for the latter. The circuit board designed for the measurement of surface electromyograms and movement is miniaturized, portable, autonomous and wireless. The one for the measurement of electrocardiograms is wired, and still needs to be miniaturized. The electronic circuits are therefore specially designed to be at the interface between the fiber electrode and the user. They are described and evaluated throughout this project. Tests of these circuits will be presented with Ag/AgCl reference electrodes, then with the new PDMS fiber.

Dans ce mémoire, nous présentons de nouvelles architectures de différents biocapteurs électrochimiques discrets et intégrés appelés potentiostats. Tous les potentiostats développés sont basés sur une structure entièrement différentielle pour une meilleure sensibilité et une meilleure précision. Deux conceptions discrètes à un et quatre canaux ont été proposées. La conception discrète à un canal détecte la molécule de dopamine avec un courant de l’ordre du nA et une consommation électrique de 120 mW. Cette architecture a été développée sur une carte de circuit imprimé (PCB) de 20 mm x 35 mm. L’architecture discrète à quatre canaux est la version améliorée de la précédente en termes de superficie, de sensibilité et de consommation électrique. Une autre version du potentiostat, implémentée sur un PCB de 15 mm x 15 mm, peut mesurer les courants d’oxydoréduction dans la plage du pA avec une consommation de puissance de 60 mW. L’avantage de la structure à multicanaux est qu’elle offre des sensibilités différentes allant du pA au mA pour chaque canal. Une chambre microfluidique de 7,5 mm x 5 mm avec deux entrées et une sortie a été déposée sur le PCB. Une solution saline tampon au phosphate (PBS) avec une solution de ferrocyanure a été utilisée pour tester la fonctionnalité du système réalisé. La voltampérométrie cyclique a été utilisée comme technique de détection. Un comportement linéaire a été observé lorsque la concentration des neurotransmetteurs change. De plus, un potentiostat intégré a été proposé et fabriqué en technologie CMOS 180 nm, basé sur une structure entièrement « différentiel de différence » (Fully Differential Diffrence Amplifier FDDA) pour une faible consommation de puissance et un système à haute sensibilité. Cette nouvelle configuration a été conçue pour la détection des neurotransmetteurs en très faible concentration avec un faible bruit et une plage dynamique élevée. Cette architecture intégrée peut détecter les courants dans une plage inférieure au pA avec un bruit d’entrée faible de 6,9 μVrms tout en consommant seulement 53,9 μW. Le potentiostat proposé est dédié aux dispositifs implantables à faible consommation de puissance et à sensibilité et linéarité élevées. / In this thesis, we present different discrete and integrated electrochemical biosensors. All these designed potentiostats are based on fully-differential architecture to enhance sensitivity and accuracy. Two complete single channel and four-channel discrete designs were fabricated. The single channel discrete design imaged the dopamine neurotransmitter with the sensed current of approximately low nano-ampere and power consumption of 120 mW implemented on a 20 x 35 mm PCB. The four-channel discrete design was the improved version of previous one in terms of area, sensitivity and power consumption. The 15 x 15 mm PCB was able to measure the reduction-oxydation currents in the range of high pico-ampere while consuming 60 mW. The advantage of the multichannel architecture is to provide a system with different sensitivity going from pA to mA for each channel. A microfluidic 7.5 x 5 mm chamber with two inlets and one outlet was bonded to the PCB. A phosphate buffered saline (PBS) with ferrocyanide solution was used to test the functionality of the implemented system. Cyclic voltammetry has been used as a detection technique. A linear behavior had been observed when the neurotransmitter concentration changed. An integrated CMOS potentiostat was designed and fabricated in 180 nm technology based on a fully-differential-difference architecture for a low power consumption and also high sensitivity system. This new architecture was designed in order to sense ultra-low concentration of neurotransmitters with low noise and high dynamic range. This integrated design was able to image currents in the range of sub-pA with low input-referred noise of 6.9 µVrms while consuming only 53.9 µW. The proposed potentiostat is dedicated for implantable devices with low power consumption and high sensitivity and linearity.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Une sous-catégorie importante des nanomatériaux est l’utilisation de nanoparticules (NPs) métalliques dans le design de biosondes optiques en spectroscopie Raman ou de fluorescence, application permise par le plasmon généré lors de l’interaction lumière-NPs. La plage spectrale utile permise peut être modulée selon la composition, la taille et le milieu environnant du cœur métallique. Ainsi, l’or et l’argent sont des métaux couramment employés dans ce domaine en raison de la simplicité de leur synthèse et de leur applicabilité dans le visible. Cependant, ces métaux sont inutiles pour effectuer des mesures de fluorescence intrinsèque de protéines dans l’UV, un type de mesure qui serait d’intérêt en sciences biomédicales mais qui est limité par le faible signal de fluorescences des biomolécules. Nous proposons de pallier à ce problème à l’aide de sondes plasmoniques d’indium, démontrées comme étant actives dans l’UV. Ce mémoire porte donc sur la préparation de structures cœur-coquilles en vue d’une utilisation future en biodétection. Les cœurs d’indium sont préparés à l’aide d’une méthode simple qui combine les caractéristiques d’une synthèse polyol et d’une synthèse par injection à chaud. Par de simples modifications synthétiques, des cœurs d’environ 9 et 70 nanomètres (nm) de taille peuvent être obtenues. Les cœurs plus gros, qui devraient permettre un meilleur effet d’exaltation de la fluorescence sont ensuite recouverte d’une écaille de silice via une simple réaction Stöber. Le contrôle des conditions, notamment la concentration en eau, la quantité de précurseur de silice et le niveau de dilution, permet de moduler l’épaisseur de la coquille de silice entre 4 et 40 nm. Une si petite coquille sur de tels cœurs d’indium demeure, au meilleur de notre connaissance, inédit. Les colloïdes obtenus sont caractérisés par spectroscopie UV-Vis, par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière. / A notable application of nanomaterials is the use of metallic nanoparticles (NPs) as optical bioprobes in Raman or fluorescence spectroscopy detection schemes. Such a use is permitted by the plasmonic properties shown by these NPs upon light irradiation; the spectroscopic properties of these colloids are tuned through careful selection of the core’s composition, size and environment. Gold and silver are the two most commonly used metals for biodetection as they are easily prepared in nanoscopic regimes with defined shapes and sizes, as well as for their intense optical interactions with visible light. These metals are however not applicable at higher energy UV regimes, which would allow, for instance, the enhancement of the intrinsic fluorescence of proteins, a field of interest in biodetection which is hindered by the extremely low fluorescence signal of these biomolecules. We propose for such an application the use of indium-based plasmonic probes, as this metal has been shown to be active in the UV regime. This master’s thesis thus focuses on the preparation of core-shell colloids for an eventual use in biodetection. The indium cores are prepared in a single step which combines both polyol and hot-injection methods characteristics. By shuffling various synthetic parameters, indium cores approximately 9 and 70 nanometers (nm) wide are obtained. The larger cores, which should demonstrate a stronger fluorescence enhancement effect, are then covered with a silica shell through a single Stöber-like step. Again, controlling different synthetic parameters such was water content, silica precursor concentration, and Stöber system dilution allows to modulate the silica’s thickness between 4 and 40 nm. Such a thin silica shell on such a relatively small indium core is, at the best of our knowledge, still unprecedented. The synthesized core-shell colloids are characterized with UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy and dynamic light scattering.

Le présent mémoire porte sur le design, la synthèse et la caractérisation de nanostructures peptidiques longues de 21 acides aminés pouvant servir de composantes moléculaires dans l'élaboration de biosenseurs ultrasensibles. Ces nanostructures utiliseront une biotine comme élément de reconnaissance et toute la structure servira de canal ionique pour la transmission des phénomènes de complexation. Le premier chapitre est consacré à l'introduction, à la description et aux applications de telles molécules dans un système de biosenseurs. Le second chapitre portera sur les concepts et l'élaboration de notre système modèle. La synthèse de nos molécules sera l'objet du troisième chapitre. Finalement, les réalisations et les perspectives futures seront abordées dans le quatrième chapitre.

Les méthodes actuelles pour détecter et identifier des microorganismes dans un échantillon sont lentes et complexes. Les techniques d'identification bactérienne, par exemple, nécessitent généralement une étape de culture bactérienne, introduisant des délais pouvant dépasser les 48 heures. Dans plusieurs domaines, telles la recherche arctique, la santé et l'industrie agroalimentaire, la lenteur des analyses bactériologiques peut avoir de lourdes conséquences humaines ou financières. Il existe donc un réel intérêt pour la conception de capteurs sensibles permettant d'outrepasser l'étape de culture bactérienne. Par le passé, notre groupe de recherche a développé une technique de biodétection basée sur les modes de galerie de multiples microsphères fluorescentes en suspension libre dans un échantillon. La sensibilité et la robustesse de cette approche permettent d'envisager son intégration dans un biocapteur rapide et portatif. Cependant, la technologie n'est pas assez mature sous sa forme actuelle pour permettre cette intégration. L'objectif de nos travaux de recherche était donc d'intégrer notre technologie dans un système de laboratoire efficace. Pour ce faire, une nouvelle instrumentation optofluidique est proposée. Cette dernière joint un microscope à fluorescence et un système microfluidique conçu pour mélanger une solution de microsphères avec un échantillon contenant des bactéries. Le mélange est réalisé par un micromélangeur utilisant des rainures dont l'orientation et la position sont optimisées pour favoriser la dispersion de particules solides en suspension dans un fluide. Différentes méthodes d'apprentissage machine servant à analyser les modes de galerie de microsphères fluorescentes sont également décrites. En termes de rapidité, ces dernières surpassent de loin l'algorithme IMARI originellement proposé par notre groupe. Au final, l'instrumentation optofluidique et les méthodes d'analyses présentées dans ce mémoire ont permis de détecter la présence de deux types de picocyanobactéries nordiques. Les avancées réalisées pendant la maîtrise confirment donc le potentiel de notre approche et son intégration éventuelle dans un capteur portatif. / The detection and the identification of microorganisms in a liquid sample is, more often than not, a slow and complex process. The current bacterial identification methodologies, for instance, typically require bacterial growth on culture media, a step which introduces delays of 48 hours or more. In fields such as arctic research, healthcare or food production, these delays can beget serious human and financial consequences. Thus, there is a growing interest for sensitive biosensors capable of bypassing the bacterial growth step. Our research group as previously presented a biodetection scheme based on the analysis of the whispering gallery modes of multiple fluorescent microspheres free-floating in the solution under test. The sensitivity and the robustness of this approach promote its eventual use in a fast and portable biosensing device. However, under its current form, our technology still lacks the appropiate maturity to be integrated in such a device. The research presented in this thesis thus aimed at integrating our technology in an effective laboratory system. To that end, an improved optofluidic instrumentation is proposed. It joins a fluorescent microscope to a microfluidic chip capabe of mixing a solution of microspheres with a sample containing bacteria. The mixing if achived via a staggered herringbone mixer with a groove orientation optimized to promote the dispersion of solide microparticles in suspension. Several machine learning algorithms are also proposed to analyse the whispering gallery modes of our free-floating fluorescent microspheres. In terms of analysis speed, these methods outperform, by a great margin, the IMARI algorithm previously proposed by our group. In the end, the proposed instrumentation and algorithms were used to sucessfully detect the presence of two types of arctic picocyanobacteria. The contributions presented in this thesis thus confirm the potential of our biodetection scheme and further pave the way towards portable biosensors.