Le travail présenté dans cette thèse porte sur le développement de chimie de surface et de biocapteurs pouvant être utilisés dans le milieu hospitalier afin d’améliorer les méthodes de dépistages et de suivi de traitement de diverses maladies et cancers. Les méthodes actuelles de dépistage du cancer reposent principalement sur l’analyse histologique des cellules par des experts dans le domaine. Cela complique la transmission de l’information au patient et retarde le moment où un traitement approprié peut être entamé. Grâce à de nouvelles techniques d’analyses simples et peu coûteuses comme la spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR), il est possible de développer des tests qui pourront être effectués par le personnel de l’hôpital, en peu de temps et à peu de frais. Afin de pouvoir utiliser la SPR en milieu clinique, une chimie de surface appropriée doit être développée afin d’empêcher les matrices biologiques de masquer le signal des analytes d’intérêt. En effet, qu’il s’agisse de lysat cellulaire, de sérum ou de tout autre fluide biologique, le contenu protéique et lipidique peut s’adsorber de façon non-spécifique aux surfaces d’analyse, compromettant ainsi les résultats obtenus. Afin de pallier ce problème, le développement de chimie de surface a été effectué. Des monocouches de peptides et de liquides ioniques ont été utilisées afin de réduire l’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire non-dilué sur des capteurs SPR. Parmi les peptides, le plus efficace s’est avéré être le 3 MPA (His)2(Leu)2(Phe)2 OH, un peptide chargé positivement formé de 6 acides aminés plutôt hydrophobes. Grâce à cette surface, l’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire a pu être réduite jusqu’à 159 ± 27 ng/cm2, par rapport à 929 ± 186 ng/cm2 sur une surface d’or non protégée. Une étude en spectrométrie de masse a permis de mieux comprendre le phénomène d’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire et de confirmer que ce sont principalement des lipides qui s’adsorbent non-spécifiquement au capteur SPR lorsque celui-ci est exposé à du lysat cellulaire. Malgré la nette amélioration par rapport à un capteur non protégé, le phénomène d’adsorption non-spécifique était encore significativement présent avec les monocouches de peptides. L’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire a ensuite été drastiquement réduite grâce aux liquides ioniques hydrophobes et chargés. Le liquide ionique le plus performant a montré une adsorption non-spécifique d’à peine 2 ± 2 ng/cm2. Par la suite, un biocapteur permettant la détection de HER2, un biomarqueur de cancer du sein présent dans environ 30% des cas de cancers du sein agressifs, a été développé. Cela a permis de démontrer que le liquide ionique pouvait être utilisé pour la construction d’un biocapteur, ouvrant ainsi la porte à un large domaine d’analyses en lysat cellulaire. Finalement, les défis de l’analyse SPR avec des échantillons cliniques ont été explorés par le développement d’un biocapteur pour l’anti-asparaginase, permettant de faire le suivi de traitement de patients atteints de leucémie. L’asparaginase est administrée aux patients leucémiques, en combinaison avec plusieurs autres composés chimiothérapiques, afin de combattre ce cancer. Toutefois, plusieurs patients ont une réaction allergique à cette protéine de source bactérienne, mais ne démontrent pas de symptômes physiques. Le biocapteur développé visait donc à détecter les réactions immunitaires des patients afin de modifier leur traitement lorsque cela s’avère nécessaire. Un biocapteur pour la détection de l’anti-asparaginase dans le sérum non-dilué de patients leucémiques a donc été développé. Des échantillons cliniques ont été étudiés et les résultats obtenus pour le nouveau biocapteur SPR ont montré une bonne concordance avec les résultats obtenus en ELISA. / This thesis describes the development of clinical biosensors. These biosensors were developed with the aim of improving diagnostic and treatment monitoring methods. Actual monitoring methods often rely on histological analysis performed by experts. This complicates the transmission of the information to the patient and delays the onset of an appropriate treatment. It is envisioned to develop simple experiments at low cost, which will allow untrained personnel to perform the testing on-site with biosensing technologies such as surface plasmon resonance (SPR). In order to perform SPR in clinical analysis, appropriate surface chemistry must be developed to prevent nonspecific adsorption. Nonspecific adsorption is the fouling of surfaces with biomolecules contained in the sample matrix such as proteins or lipids of biofluids. This leads to false positive signals preventing the correct measurement of the analyte concentration. Peptide and ionic liquid monolayers have been studied in this thesis to prevent nonspecific adsorption of undiluted cell lysate. The most efficient peptide was the 3 MPA (His)2(Leu)2(Phe)2 OH peptide, a 6 amino acids hydrophobic and positively charged peptide. The nonspecific adsorption of cell lysate was reduced to 159 ± 27 ng/cm2, compared to 929 ± 186 ng/cm2 on a bare gold surface. Also, mass spectrometry was performed to better understand the cell lysate nonspecific adsorption phenomenon. This study showed lipids were mostly adsorbed on the sensor when exposed to cell lysate. Despite a significant reduction of nonspecific adsorption with peptides, it remained unoptimal and should be improved. The newly developed hydrophobic and charged ionic liquids nearly eliminated the nonspecific adsorption of undiluted cell lysate, with only 2 ± 2 ng/cm2 of nonspecific material adsorbed on the surface. Then, a biosensor of an aggressive breast cancer biomarker, HER2, was developed. This proved that the ionic liquids could be used in the development of clinical biosensors. Finally, the challenges of the analysis of clinical samples with SPR sensing were explored with the development of an anti-asparaginase biosensor for leukemic patients. Asparaginase is a chemotherapeutic drug administered to patients in combination with various other drugs to treat leukemia. However, many patients suffer from silent allergic reactions due to the bacterial source of this drug. Therefore, a biosensor was developed to detect the antibodies in undiluted serum produced against the drug, which could ultimately serve to modify the patient’s treatment when necessary. Clinical samples from leukemia patients were studied and the results were in good agreement with ELISA experiments.

Les travaux de cette thèse reposent sur l’étude des processus hétérogènes à la surface desparticules minérales en présence d’irradiation UV-A. Nous savons que les poussièresminérales contiennent des oxydes métalliques pouvant absorber la radiation solaire et ainsiactiver une chimie très différente de celle observée à l’obscurité. Un réacteur à écoulementd’aérosols a été utilisé pour étudier les interactions des gaz (SO2, NO2 et O3) avec devéritables poussières minérales, évitant ainsi les artéfacts de mesure liés à la naturemacroscopique des films comme dans les études précédentes.La mise en suspension des poussières minérales a permis d’observer une formation inattenduede nouvelles particules ultrafines en présence de SO2. Le mécanisme proposé pour expliquerce phénomène de nucléation suggère une désorption de radicaux OH photoproduits à lasurface des minéraux vers la phase gazeuse. Ce mécanisme a pu être corroboré par descampagnes de mesure en atmosphère réelle. Nous avons étudié la chimie des échantillons de réelles cendres volcaniques issus de la dernière éruption du volcan Eyjafjallajökull en Islande (2010). Ceci nous a permis d’élaborerdes cinétiques de capture du SO2 sur des films macroscopiques de cendres aboutissant à descoefficients de capture de l’ordre de 10-7. Ces cinétiques couplées à des analyses chimiquesont permis de proposer un mécanisme réactionnel expliquant la formation de sulfate de fer àla surface des cendres. Finalement, nous avons étudié les interactions photochimiques de O3 et NO2 sur les poussièresminérales dans le réacteur à écoulement mettant en évidence un bon accord avec des étudesantérieures sur des surfaces macroscopiques / The objective of this work is to study the heterogeneous processes of mineral dust surfacesunder UV-A radiation. It is know that mineral dust containing metal oxides which can absorbsolar radiation and therefore activate a different chemistry compared to that observed in thedark. In order to avoid measurement artifacts related to the nature of macroscopic films, anaerosol flow tube was developed during this work and applied to study the interactions ofSO2, NO2 and O3 with real mineral dust.An unexpected formation of new particles in the presence of SO2 was observed. In order toexplain this phenomenon, we suggest the desorption of OH radicals from the mineral dustsurface to the gas phase. This mechanism has also been supported by field campaigns.Using real samples of volcanic ash from the last eruption of Eyjafjallajökull in Iceland (2010)allowed us study capture of SO2 on macroscopic ashes films with uptake coefficient around10-7. Associated kinetic experiments combined with chemical analysis allowed us to propose areaction mechanism explaining the formation of iron sulfate on the surface of ashes.Finally, we investigated the photochemical interactions of O3 and NO2 with minerals dustaerosols in the flow tube reactor showing a good agreement with previous data obtained onmacroscopic surfaces.

Le but de ce projet, en collaboration avec Héma-Québec, était de développer une méthode point de service (POC) pour la quantification des immunoglobulines A (IgA) dans un petit volume de plasma humain. Les IgA jouent un rôle important au niveau de notre système immunitaire, surtout au niveau des bio fluides sur les muqueuses comme la salive. On peut les retrouver normalement dans le plasma à des concentrations plus grandes que 2000 ng/mL pour la majorité des gens. Dans le cas d’une personne immunosupprimée, une concentration plus basse que 500 ng/mL est observée. La déficience en IgA est souvent associée à des maladies auto-immunes comme la maladie de Crohn. Ces individus peuvent éprouver un choc anaphylactique à la suite d’une transfusion de sang, ce qui nous motive à utiliser la résonance des plasmons de surface (SPR) sur place à des collectes de sang et dans les milieux hospitaliers. Pour réaliser ce capteur d’immunodéficience en IgA, un anticorps primaire spécifique aux IgA fut lié à un peptide formant une monocouche auto-assemblée sur une surface d’or du capteur SPR. Un deuxième anticorps a été utilisé pour quantifier spécifiquement cet analyte dans une matrice humaine complexe. Plusieurs étapes ont été optimisées pour obtenir une limite de détection basse, soit l’étape d’immobilisation de l’anticorps de capture, le type d’anticorps, le pH pour l’immobilisation, la détection secondaire, la validation dans différentes matrices biologiques, parmi d’autres. Le capteur a été validé avec quelques échantillons cliniques et la réponse SPR fut comparée avec ELISA. Ainsi, nous anticipons que cette méthode pourrait être utile à des collectes de sang pour assurer les réserves de sang déficient en IgA. / The goal of this project, in collaboration with Héma-Québec, was to develop a point-ofcare (POC) method to quantify immunoglobulin A (IgA) in a small volume of human plasma. Immunoglobulin A play an important role in immunity, specifically in biofluids on mucosaes like saliva. It can generally be found in plasma at concentrations higher than 2000 ng/mL for most people. In the case of an immunosuppressed individual, a concentration under 500 ng/mL is observed. IgA-deficiency is often associated with autoimmune diseases, such as Crohn’s disease. These individuals may experience an anaphylactic shock following a blood transfusion, which motivated us to use surface plasmon resonance (SPR) on site at blood drives and in a hospital setting. SPR quantifies the interactions between biomolecules. It is a complementary technique to ELISA that can test more rapidly individuals susceptible of being IgA-deficient in a hospital setting or at blood drives. To develop an IgA SPR sensor, a specific capture antibody to IgA was bound to a peptide monolayer on the gold surface. A second antibody was used to specifically quantify IgA in a complex matrix. Multiple steps were optimized to achieve the low detection limits required for IgA detection, such as the capture antibody immobilisation step, type of antibody, pH of immobilisation buffer, secondary detection, validation in different biological matrices, among others. The SPR sensor was validated with a few clinical samples, and compared to ELISA, to demonstrate the potential. As such, we envision that this rapid method may be used at blood drives to ensure sufficient reserves of IgA-deficient blood.

Les mono-couches auto-assemblées (SAMs) sont des systèmes de choix pour le développement de plateformes moléculaires aux propriétés physico-chimiques contrôlées. Il s’agit de monocouches organisées de molécules bi-fonctionnelles. Ces molécules se composent d’une fonction terminale modulable, séparée d’un groupement d’ancrage par un espaceur adapté. Ainsi, les propriétés des SAMs peuvent être ajustées pour le développement de systèmes électroniques moléculaires ou de capteurs (bio)-chimiques. De plus, des structurations chimiques supplémentaires peuvent être induites par irradiation.Les méthodes d’irradiation les plus courantes impliquent des particules de haute énergie. Les dommages induits résultent de plusieurs mécanismes en compétition (ionisations, excitations, dissociations). Dans cette thèse, les électrons lents (0-20 eV) sont utilisés comme particules primaires, et les processus d’interaction électron-SAM sont étudiés afin d’identifier les résonances d’attachement électronique. Aux énergies concernées, des processus dissociatifs sélectifs et efficaces peuvent être mis à profit pour proposer des stratégies d’irradiation menant à des modifications chimiques contrôlées et optimisées.Des SAMs modèles de thiols sur or sont étudiées par une technique de spectroscopie vibrationnelle de forte sensibilité de surface, la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons lents (HREELS). Elle permet à la fois de caractériser les SAMs et de sonder les processus d'interaction électron-molécule. Les résultats obtenus concernent les : 1) SAMs aromatiques modèles de terphénylthiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), stabilisables par réticulation sous irradiation. Une caractérisation vibrationnelle poussée de la SAM avant et après irradiation, en portant une attention particulière au comportement des modes d’élongation ν(CH), a permis d’opposer les processus de réactivité induite à 1, 6 et 50 eV.2) SAMs d’acide mercaptoundécanoïque (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), les fonctions acides terminales permettant par exemple le greffage de peptides. L’interface SAM / environnement (COO-/COOH, eau résiduelle) a été caractérisée grâce à la forte sensibilité des modes d’élongation ν(OH) aux liaisons hydrogène. La démarche mise en place peut être facilement transposée à d’autres systèmes. / Self-Assembled Monolayers (SAMs) are good candidates to develop molecular platforms with controlled physico-chemical properties. A SAM is an ordered monolayer of bi-functionnal molecules. These molecules consist of an adjustable terminal function, separated from a headgroup by a chosen spacer chain. Thus, SAMs properties can be adjusted for the development of molecular electronic systems or (bio)-chemical sensors. Furthermore, additional chemical structuration can be induced by irradiation.Most current methods of irradiation involve high energy particles. The induced damages result from several competitive mechanisms (ionisations, excitations, dissociations). In this thesis, low energy electrons (0-20 eV) are used as primary particles, and the interaction processes between electrons and SAMs are studied in order to identify electron attachment resonances. At the associated energies, selective and effective dissociative processes can be induced to propose irradiation strategies leading to controlled and optimized chemical modifications.Model SAMs of thiols on gold are studied by a vibrational spectroscopy technique of strong surface sensibility, high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). It allows at the same time to characterize SAMs and to probe electron-molecule interaction processes. The result obtained deal with : 1) Aromatic model SAMs of Terphenyl-thiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), which can be stabilized by cross-linking under irradiation. Induced reactive processes at 1, 6 and 50 eV were compared and opposed, thanks to an advanced vibrational characterization of the SAM before and after irradiation, and by paying a particular attention to the stretching mode ν(CH) behaviour.2) Mercaptoundecanoic acid SAMs (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), whose terminal functions allow for example the peptide anchoring. The interface SAM / environment (COO-/COOH, residual water) was characterized thanks to the strong sensitivity of the stretching modes ν(OH) to hydrogen bonding. The approach that was developped can be easily transposed to other systems.

Les paramètres de surface contrôlent les fonctions des cellules, en coopération avec leurs codes génétiques. Des études récentes soulignent l'impact combiné des signaux chimiques, topographiques et mécaniques des substrats d'adhésion sur les processus de différenciation. Cette étude se focalise sur le paramètre énergétique, et plus spécialement, sur l'influence exercée par la distribution spatiale des énergies de surface sur la différenciation des cellules neuronales. Le modèle étudié est constitué par les cellules de la lignée PC12, capables de se différencier en neurones suite au traitement par le facteur de croissance nerveux (NGF). Les cellules sont cultivées sur des surfaces de verre modifiées par auto-assemblage de monocouches d'alkylsiloxanes ou de biopolymères. La modification de la nature chimique et du degré d'organisation des monocouches module la distribution des composantes dispersives et polaires de l'énergie de surface, à une échelle inférieure au micron. Sur des substrats très homogènes (dotés de terminaisons CH3, NH2, ou OH), l'adhésion des cellules PC12 est modulée par le degré d'affinité chimique, et peu de cellules initient des neurites. Inversement, sur des substrats localement très hétérogènes, les cellules adhèrent quel que soit le couple chimique produisant les hétérogénéités (NH2/OH ou CH3/OH), et elles génèrent un nombre important de neurites en moins de 48 h, sans traitement au NGF. Ce travail démontre que les hétérogénéités chimiques de surface exercent une influence critique sur les processus de régénérescence des cellules nerveuses, en induisant des gradients dans les énergies d'adhésion aux échelles nanométriques.

Dans ce mémoire sont présentées la conception et la réalisation d'une expérience portant sur l'étude en molécule unique de l'activité traductionnelle du ribosome procaryote. Pour ce faire, nous utilisons un ribosome et des acides aminés lysines marqués spécifiquement avec deux marqueurs fluorescents ayant des spectres d'émissions différents. Ainsi, nous pouvons colocaliser les ribosomes et les acides aminés incorporés en utilisant la microscopie de fluorescence par réflexion totale (TIRFM). Pour pouvoir compter les acides aminés incorporés, nous avons réalisé une étude en molécule unique des propriétés photophysiques du fluorophore organique les marquant, le Bodipy FL. Celui-ci a une faible durée de vie et clignote beaucoup. Afin de remédier à ces problèmes, nous avons développé un système permettant d'augmenter sa durée de vie d'un facteur 25 environ, et qui réduit le taux de clignotement pour de faibles intensités d'excitation. L'étude des ribosomes à proximité de la surface d'une lamelle de microscope nous a amenés à développer une chimie de surface n'autorisant qu'une accroche spécifique des espèces biologiques étudiées et conservant l'activité des ribosome. Ces études ont été réalisées à l'aide de cellules microfluidiques élaborées par nos soins permettant une grande flexibilité lors des expériences. Nous avons élaboré un marquage spécifique original du ribosome à l'aide d'un nanocristal semi-conducteur. Nous avons évalué la spécificité de l'accroche ainsi que l'activité du ribosome marqué en mesure d'ensemble. Nous avons ensuite observé l'activité de ces ribosomes marqués accrochés à une surface en molécule unique. Des expériences préliminaires en molécules uniques ont démontré que des ribosomes non marqués étaient capables d'incorporer les acides aminés marqués Bodipy FL . Enfin, nous présentons les premières étapes de conception d'une pince optique pour mesurer des forces de cohésion sur des structures particulières de l'ARN messager.