Dans ce travail, nous étudions l’adsorption de protéines sur des surfaces chimiquement contrôlées. Le but est d’établir le lien entre les propriétés physico-chimiques de la surface (hydrophobicité /charge) et la structure physique de protéines. Des couches auto-assemblées de thiols ayant des groupements terminaux différents sont formées sur des surfaces d’or (SAM) et servent de support à l’adsorption ou du greffage de protéines. Les SAM sont caractérisés, avant ou après l’adsorption de protéines, avec une combinaison de techniques. Des analyses ex situ sont réalisées, dans l’air, en spectroscopie infrarouge en lumière polarisée (PM-IRRAS) ou, sous ultra-vide, en spectroscopie des photoelectrons X (XPS) et en spectrométrie de masse d’ions secondaires (ToF-SIMS). L’analyse en composante principale (PCA) des résultats ToF-SIMS aide à révéler l’orientation des protéines adsorbées grâce à la répartition des fragments d’acides aminés. En microbalance à quartz avec mesure de la dissipation (QCM-D), l’adsorption des protéines est suivie in situ (i.e. en phase liquide). Deux protéines globulaires ayant des propriétés structurales différentes sont d’abord étudiées, la β-Lactoglobuline (βLG) est dite dure quand l’albumine de sérum bovin (BSA) est dite souple. Des orientations différentes sont proposées après adsorption sur les SAM. Un cas plus complexe est ensuite étudié avec l’adsorption ou le greffage d’un anticorps sur les surfaces. De nouveau, différentes orientations sont proposées et elles sont corrélées à des mesures de bio-reconnaissances. En conclusion, cette thèse établie une méthodologie de détermination directe et sans marquage de l’orientation de protéines adsorbées. / In this work we studied protein adsorption on chemically well-controlled surfaces. The focus is put on linking physico-chemical properties of surfaces (hydrophobicity/charge) to the structural properties of the adsorbed proteins. To this end, alkyl thiols differing by their end group were used to build self-assembled monolayers on gold substrates (SAM) that serve as templates for protein adsorption or covalent grafting. SAM surfaces before and after protein adsorption were characterized with a combination of techniques. Ex situ analysis were carried out, in air with polarization-modulated infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS), or in vacuum using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). ToF-SIMS results were analyzed statistically in principal component analysis (PCA) to reveal preferential orientations based on amino acids fragments distributions. Protein adsorption was also followed directly in situ (i.e. in the liquid phase) with quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). Two model proteins – β-Lactoglobulin (βLG) and bovine serum albumin (BSA) – were first studied. They are both model globular proteins with different structural properties (βLG is hard while BSA is soft). Different orientations were proposed for both proteins on each SAM surface. A more complex case was then studied with the adsorption and grafting of a monoclonal antibody on the SAM. Again differences in orientations were determined and correlated to biorecognition measurements. In conclusion, this thesis establishes a methodology for the direct label free determination of protein orientation on surfaces.

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.