Le contrôle de la qualité des ressources en eau nécessite des outils de détection en continu et in situ. Dans ce contexte, les biocapteurs sont prometteurs dans le développement de nouveaux systèmes pour une détection précoce. On peut citer deux exemples dans des domaines aussi variés que la détection précoce de corrosion bactérienne ou la détection de la formation d'espèces biologiques responsables de maladies dégénératives.Ce travail propose la conception et la réalisation d'un biocapteur pour la détection de molécules d'intérêt biologiques. La réalisation de ce biocapteur est basée sur le dépôt de matériaux hybrides organiques/inorganiques à la surface d'un transducteur piézoélectrique.La première étape consiste à développer des matériaux fonctionnalisés innovants permettant l'encapsulation d'espèces biologiques. Pour cela deux voies ont été étudiées. La première passe par l'utilisation d'un acrylate type "acide aminé" le N-acryloyglycine (NAGly) permettant la synthèse de matériaux sous forme de film. La seconde utilise un autre type d'acrylate, le N-acryloxysuccinimide (NAS) couplé au 2-hydroxyethylacrylate (HEA) aboutissant un hydrogel fonctionnalisé. Les différentes mesures montrent que dans tous les cas, ces réseaux sont interpénétrés et permettent l'encapsulation de biomolécules.Pour la détection de ces espèces, un biocapteur piézoélectrique est développé dans la deuxième étape. Un dispositif expérimental développé au laboratoire assure la mesure et le suivi de l'évolution des propriétés viscoélastiques d'un matériau en contact avec un transducteur piézoélectrique. En effet, ces propriétés caractéristiques sont extraites à partir d'un modèle électrique original tenant compte simultanément des évolutions électriques et mécaniques du matériau. Ce capteur (transducteur + matériau déposé en surface) mis au contact avec les biomolécules permet leur détection et quantification.Les résultats montrent une corrélation entre le module visqueux du biocapteur et la concentration en biomolécules du milieu en contact. Cette corrélation est une première étape vers le développement d'un biocapteur piézoélectrique pour la détection et la quantification sélective de différentes espèces biologiques en solution. / The control of the quality of water resources requires tools for continuous and in-situ detection. In this context, biosensors are interesting in the development of new systems for early detection. For examples we can note the interest in the early detection of bacterial corrosion or the formation of biological species responsible of degenerative diseases.This work proposes the design and implementation of a biosensor for the detection of biological molecules. The realization of this biosensor is based on the deposition of organic/inorganic materials on the surface of a piezoelectric transducer.The first step is the development of innovative functionalized materials for encapsulation of biological species. For this, two approaches have been studied. The first involves the use of an "amino acid" acrylate, the N- acetylglycine (Nagly) for the synthesis of thin film. The second uses an other acrylate, the N- acryloxysuccinimide (NAS) copolymerized with 2- Hydroxyethyl acrylate (HEA) to form a functionalized hydrogel. The different measures show that in all cases, these networks are interpenetrating and allow the encapsulation of biomolecules.For the detection of these species, a piezoelectric biosensor is developed in the second step. An experimental device, developed in the laboratory, measures and monitors the evolution of the viscoelastic properties of a material in contact with a piezoelectric transducer. Indeed, these characteristics are extracted from an original electric model that take into account simultaneous electrical and mechanical changes in the material. This sensor (transducer and material deposited on the surface) in contact with biomolecules, enables the detection and quantification of these biomolecules.The results show a correlation between the viscous modulus of the biosensor and the concentration of biomolecules in contact. This correlation is a first step in the development of a piezoelectric biosensor for detection and selective quantification of different biological species in solution.

La tomographie par émission de positons (TEP) est une technique d'imagerie médicale largement utilisée en oncologie. Cette technique peut, par exemple, fournir des informations sur la localisation de tumeurs dans le corps humain, et le développement de nouvelles méthodes pour la production automatisée de radiotraceurs spécifiques reste un domaine d’actualité. Dans ce contexte, un nouveau type de précurseurs silylés pouvant être fluorés en dernière étape a été développé. La fluoration de ce nouveau motif imidazole-silylé par du [19F]F- puis par du [18F]F- a été validée sur différents bioconjugués. Le greffage de ce motif a ensuite été testé selon plusieurs méthodes. En particulier, une des voies de synthèse a pu montrer que la fluoration de bioconjugués portant ce motif et greffés sur une résine était possible au [19F]F-. Enfin, le produit radiomarqué au [18F]F- a pu être détecté au cours d’essais préliminaires, permettant ainsi de valider la stratégie choisie. / Positron Emission Tomography (PET) is a medical imaging technique widely used in oncology. For example, this technique can provide information on the localization of growing tumors in the human body, and the development of news methods for the automated production of specific radiotracers is still required. In this context, a new silylated precursor, which can be fluorinated in the last step, has been developed. The fluorination of this new imidazole-silylated unit with [19F]F- and with [18F]F- has been validated on various bioconjugates. The grafting of this moiety has been tested following different strategies. In particular, one of the synthetic pathway showed that the fluorination of bioconjugates with resin grafted moiety was possible with [19F]F-. Finally, the [18F] radiolabeled product was observed during preliminary [18F]F- fluorination experiments, thus validating the chosen strategy.

Alors que la découverte de matériaux conducteurs de faible dimension fait progresser la mi- niaturisation des composants électroniques, les transistors à effet de champ (FET) peuvent désormais incorporer des éléments à molécule unique comme canal ou grille. Ces petites architectures permettent, entre autres, l’étude de molécules uniques, notamment par l’ob- servation de leur dynamique de repliement-dépliement ou de liaison. Ces études ont été principalement réalisées avec des transistors à effet de champ à base de matériaux unidimen- sionnels (1D) tels que les nanotubes de carbone (CNT) ou les nanofils de silicium. Du fait de leur dimensionnalité réduite, ces matériaux offrent un bon contrôle de leur interaction avec les molécules 0D, et donc de leur intégration au circuit. Cependant, ces matériaux 1D présentent des problèmes de reproductibilité et de mise à l’échelle, du fait qu’ils sont difficiles à croître et/ou à assembler dans les dispositifs FET. Cette thèse s’intéresse à l’utilisation d’un matériau carboné à deux dimensions, le gra- phène, comme alternative pour la fabrication de dispositifs pour l’étude de dynamiques de molécules uniques. En effet, le graphène est un matériau à deux dimensions composé d’un ré- seau hexagonal d’atomes de carbone, avec une excellente conductivité électrique ainsi qu’une chimie à base de carbone permettant l’ancrage de molécules biologiques à sa surface, ce qui en fait un candidat de choix pour la détection électrique de molécules individuelles. Sa di- mensionnalité est aussi compatible avec des procédés de microfabrication à grande échelle, ce qui offre la possibilité d’études statistiques sur de grands nombres de dispositifs. Ainsi, la détection de molécules biologiques utilisant des transistors à effet de champs à base de graphène (GFET) a connu un développement et un engouement important au cours de la dernière décennie, mais plusieurs aspects restent à résoudre, notamment la mise à l’échelle de la fabrication, le contrôle de la chimie de fonctionnalisation, et la miniaturisation du canal à l’échelle de la molécule unique. Dans cette thèse, des contributions sur ces trois aspects sont présentées. Premièrement, je décris une méthode de mise à l’échelle du transfert de graphène dans une optique d’indus- trialisation, par la conception et l’implémentation d’un montage de transfert de graphène permettant l’automatisation et l’augmentation du rendement de la fabrication de GFET. Je m’intéresse ensuite à la fonctionnalisation des dispositifs de graphène avec une molécule d’ancrage communément utilisée dans le cas des biodétecteurs basés sur des GFET, afin de révéler les cinétiques associées à l’adsorption et à l’accumulation de la molécule à la surface du graphène. Enfin le dernier chapitre décrit la conception d’une architecture de GFET pour l’accueil d’une molécule unique d’ADN, basée sur des nanoconstrictions mises en place dans le canal de graphène. Ces constrictions ont été obtenues à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons (EBL) et gravure ionique réactive profonde (DRIE), qui nous permet de modeler des structures à haute résolution de quelques dizaines de nanomètres dans le canal de graphène. Des nanopuits perpendiculaires à la constriction sont par la suite ouverts dans de la résine, favorisant le confinement de la chimie d’immobilisation de la molécule unique en un seul point. J’explore ensuite la liaison d’un brin unique d’ADN sur la nanoconstriction, et l’étude dynamique de son repliement. Cette thèse présente donc des résultats innovants en termes d’architectures et de procédés de mise à l’échelle de GFET à des fins de biodétection. / With the discovery of low-dimensional conductive materials advancing the miniaturization of electronic components, field-effect transistors (FET) can now incorporate single-molecule elements as a channel or gate. Among their applications, these small architectures allow single-molecule studies, for instance by observing their folding-unfolding or binding dy- namics. These studies were mainly carried out with field-effect transistors based on one- dimensional (1D) materials such as carbon nanotubes (CNT) or silicon nanowires (SiNW). Due to their reduced dimensionality, these materials offer good control on their interaction with 0D molecules, and therefore of their integration into the circuit. However, these 1D materials present reproducibility and scaling issues, due to the fact that they are difficult to grow and/or assemble in FET devices. This thesis focuses on the use of a two-dimensional carbon-based material, graphene, as an alternative for the fabrication of devices for studying the dynamics of single molecules. Graphene is a hexagonal network of carbon atoms that offers an excellent electrical conduc- tivity as well as a carbon-based chemistry for anchoring biological molecules on its surface, this makes it a prime candidate for the electrical detection of individual molecules. Above all, its dimensionality is compatible with large-scale microfabrication processes, which offer the possibility of statistical studies on a large number of devices. Thus, the detection of biological molecules using graphene-based field-effect transistors (GFET) has experienced significant development over the past decade, but several aspects remain to be resolved, including scale- up of the manufacturing, control of the functionalization chemistry, and miniaturization of the channel at the single molecule scale. In this thesis, I present contributions on these three aspects. First, I describe a method for scaling up graphene transfer in an industrialization perspective, by designing and implementing a graphene transfer setup allowing automation for increasing the yield of GFET fabrication. I then focus on the functionalization dynamics of graphene devices with an anchor molecule named PBASE (1-Pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester) commonly used in the case of GFET-based biosensors, which reveals the adsorption and accumulation kinetics of the molecule on the graphene surface. Finally, I describe the design of a GFET architecture based on nanoconstrictions implemented in the graphene channel, designed to host a single molecule. These constrictions were obtained using electron beam lithography (EBL) and deep reactive ion etching (DRIE), which allows the modeling of high-resolution features of a few nanometers in the graphene channel. Nanowells were opened in the resin perpendicular to the constriction, promoting single-point, single-molecule chemistry. I then explore the immobilization of a single strand of DNA on nanoconstriction, and the dynamic study of its folding. This thesis therefore presents innovative results in terms of architectures and scaled implementation processes of GFET for biodetection purposes.

La fragmentation d'agrégats atomique et moléculaire suite à un dépôt d'énergie représente un intérêt fondamental pour la physique d'interaction particule-matière ou rayonnement-matière. Des expériences réalisées à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon ont montré que cette fragmentation se fait selon plusieurs canaux, incluant l'évaporation, la dissociation ou la multifragmentation. Ces différents canaux mettent en jeu plusieurs mécanismes selon le degré d'excitation ou d'ionisation ou de multi-ionisation, qui révèlent un caractère individuel (Excitation rotationnelle ou vibrationnelle des constituants de l'agrégat) ou un caractère collectif tel que la réactivité intramoléculaire.<br /><br />Dans cette thèse, nous avons élaboré et développé un code de simulation Monte Carlo dans le but d'étudier ces différents canaux et mécanismes de dissociation des agrégats H3+(H2)m (1 ≤ m ≤ 18) par impact d'atomes d'hélium à une énergie de 60 keV/uma. Cette simulation est basée au préalable sur la connaissance des structures géométriques des agrégats et des sections efficaces de dissociation individuelle des constituants H3+ et H2.<br />L'interaction est étudiée dans le centre de masse de l'agrégat grâce à une approche par cinématique inverse.<br />Les résultats obtenus permettent de remonter aux sections efficaces totales de dissociation ainsi qu'aux sections efficaces partielles de quelques canaux tels que : La capture électronique, la simple ionisation et la multi-ionisation.<br /><br />Cette simulation peut aussi servir à l'étude de l'évaporation et de la multifragmentation en incluant des routines tenant compte de ces phénomènes.