Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation de dispositifs microfluidiques en PDMS (Polydiméthylsiloxane) pour l'intégration d'analyses biologiques. Dans un premier temps, des outils microfluidiques sont construits et améliorés dans ce but: une méthode de pompage passif et de mise en oeuvre du PDMS a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Les micro-pompes, éléments clés d'une intégration poussée, sont étudiées expérimentalement et théoriquement, menant à un modèle prédictif basé sur une équivalence électrique. Ce travail a été publié dans \textit{Journal of Applied Physics}. La dispersion hydrodynamique, diluant les échantillons lors de leur transport est caractérisée. De cette analyse, une nouvelle méthode de génération de gradients de concentration est conçue et testée expérimentalement. Fort de ces développements, une plate-forme microfluidique originale intégrant des puces à ADN est fabriquée en une version de laboratoire et une version portable. Grâce à ce dispositif, les connaissances de la réaction d'hybridation sur une surface, base des puces à ADN, sont complétées par des mesures comparées de courbes de fusion et un modèle de couplage réaction-diffusion-advection est étendu expérimentalement au cas des puces à ADN. Finalement dans le cadre d'une collaboration avec l'IGH (Institut de Génétique Humaine) de Montpellier, deux méthodes originales de dosage d'allèles pour la trisomie 21 sont testées et des expériences sur des échantillons biologiques sont en cours de préparation. En conclusion, cette thèse a donné lieu au dépôt d'un brevet et à la publication deux articles. Elle aura abouti à la mise en oeuvre de méthodes et approches originales basées sur la technologie microfluidique, appliquées à différents domaines (dispersion, pompage, puce à ADN).

Un vidéomicroscope permettant un suivi en temps réel, crucial en biologie cellulaire, est souvent cher et encombrant. Mon projet de thèse vise à développer un vidéomicroscope miniaturisé. L'objectif est de permettre, à terme, une meilleure parallélisation des expériences, mais également de favoriser une intégration avec d'autres capteurs, en l'envisageant comme un élément d'un laboratoire sur puce. La voie de miniaturisation choisie est de supprimer les objectifs de grossissement pour observer les objets directement sur la surface sensible d'un capteur d'image selon un mode appelé « imagerie de contact ». Pour cela, les différents éléments du microsystème ont été choisis et conditionnés pour protéger l'électronique du capteur vis-à-vis des milieux de culture aqueux, et assurer des conditions physiologiques aux cellules d'intérêt. Puis, l'observation des cellules a été optimisée en référence aux images fournies par des microscopes classiques. Le suivi en temps réel d'événements cellulaires (mitose, motilité, apoptose,...) à l'aide de notre prototype a ensuite été démontré. Enfin, les différents composants du système optique ont été caractérisés dans le but de mieux comprendre le mécanisme de formation de l'image et de l'optimiser. La résolution de notre microsystème (11,2 µm) donne accès à la morphologie cellulaire : celle-ci est potentiellement améliorable en utilisant des pixels de plus petite taille. Une perspective intéressante pour la biologie cellulaire serait de pouvoir détecter des phénomènes luminescent ou fluorescent.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans une dynamique d'intégration de matériaux non conventionnels en systèmes microfluidiques. Il vise à démontrer le potentiel du cPDMS, un matériau nanocomposite formé d'une matrice de polydiméthylsiloxane rendu conducteur par l'ajout de nanoparticules de carbone. Compatible avec les procédés technologiques habituels, le cPDMS peut être structuré dans une large gamme d'épaisseurs et de géométries mais présente surtout l'avantage de pouvoir être collé irréversiblement sur verre, PDMS et silicium. Son intégration est parfaitement étanche, rapide à mettre en oeuvre, et très économique. La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation de ce matériau. Ses propriétés électriques et de surface, pouvant être critiques pour une utilisation en microfluidique, ont été particulièrement étudiées. Les champs électriques offrant de nombreuses possibilités pour réaliser des fonctions clés en microfluidique (détection, séparation, manipulation de fluides ou de particules), nous avons choisi d'évaluer l'intérêt d'électrodes de cPDMS dans deux types d'applications. Les aspects de détection ont d'abord été mis en évidence à l'aide de mesures électrochimiques. Cette méthode a permis à la fois de caractériser la surface du cPDMS tout en validant son utilisation potentielle pour des applications d'analyses électrochimiques. Dans la dernière partie du manuscrit, le matériau a été testé pour la manipulation de particules à travers l'observation de différents phénomènes électrocinétiques. Ceux-ci ont conduit à la mise au point de dispositifs microfluidiques (intégrant des lectrodes de cPDMS) dédiés à la lyse et à l'électrofusion de cellules.

L'organisation à grande échelle des chromosomes à l'intérieur du noyau des cellules est complexe et reste encore mal comprise. Durant ma thèse, nous avons exploité les ressources technologiques du LAAS pour développer et optimiser une nouvelle méthode de visualisation en 3D rapide - à l'échelle de la dizaine de millisecondes - avec une résolution spatiale de ~20 nanomètres. Cette méthode est fondée sur la fabrication de micromiroirs en forme de V par gravure humide du silicium, et sur l'analyse d'images avec les techniques de stéréovision qui permettent de recombiner des vues collectées sous différents angles dans un environnement 3D. Ces micromiroirs ont ensuite été intégrés dans un laboratoire sur puce, et plusieurs versions de la technologie ont été proposées afin d'améliorer leurs propriétés. Nous avons démontré que cette technologie est adaptée pour le suivi des mouvements des chromosomes dans les cellules vivantes, que nous avons pu retracer avec les meilleures cadences de la littérature. Ces résultats nous ont ensuite permis d'explorer les mécanismes physiques à l'origine des fluctuations spatiales des chromosomes, et de montrer que les modèles de physique des polymères génériques peuvent être utilisés pour extraire des informations quantitatives décrivant l'organisation et la dynamique spatiale du génome.

L'analyse radiochimique est indispensable à de nombreuses étapes de la gestion des déchets nucléaires et du contrôle de l’environnement. Un protocole d’analyse comprend généralement plusieurs étapes de séparations chimiques longues, manuelles et difficiles à mettre en œuvre en raison de leur confinement en boite à gants. Il est nécessaire de proposer des solutions innovantes et robustes pour automatiser ces étapes mais aussi réduire le volume de déchets radioactifs et chimiques en fin de cycle analytique. Une solution consiste à miniaturiser les analyses en les réalisant en laboratoire sur puce.L’objectif de cette thèse est de proposer une approche raisonnée de la conception de microsystèmes séparatifs dédiés à l’extraction liquide-liquide de radionucléides. Pour cela le comportement hydrodynamique et les performances d’extraction dans un même microsystème ont été étudiés pour les systèmes Eu(III)-HNO3/DMDBTDMA, Eu(III)-AcO(H,Na)-HNO3/HDEHP et U(VI)-HCl/Aliquat® 336. Une méthodologie a été mise au point pour l’implémentation de l’extraction liquide-liquide en microsystème pour chaque système chimique d’extraction et la comparaison des résultats a permis de mettre en évidence l’influence du rapport des viscosités des phases sur les écoulements. Grâce à la modélisation à la fois de l’hydrodynamique et du transfert de masse en microsystème, les critères liés aux propriétés physiques et cinétiques des systèmes chimiques ont été dégagés afin de proposer une conception rationnelle de microsystèmes à façon. Enfin plusieurs exemples de mises en œuvre de l’extraction liquide-liquide en microsystème pour des applications analytiques applicables dans le domaine du nucléaire comme la séparation U/Co ou le couplage microextraction liquide-liquide/ICP-MS sont décrits. / Radiochemical analyses are necessary to numerous steps for nuclear wastes management and for the control of the environment. An analytical protocol generally includes different steps of chemical separations which are lengthy, manual and complicated to implement because of their confinement in glove boxes and because of the hostile chemical and radiochemical media. Thus there is a huge importance to propose innovative and robust solutions to automate these steps but also to reduce the volumes of the radioactive and chemical wastes at the end of the analytical cycle. One solution consists in the miniaturization of the analyses through the use of lab-on-chip.The objective of this thesis work was to propose a rational approach to the conception of separation microsystems for the liquid-liquid extraction of radionuclides. To achieve this, the hydrodynamic behavior as well as the extraction performances have been investigated in one chip for three different chemical systems: Eu(III)-HNO3/DMDBTDMA, Eu(III)-AcO(H,Na)-HNO3/HDEHP and U(VI)-HCl/Aliquat® 336. A methodology has been developed for the implementation of the liquid-liquid extraction in microsystem for each chemical system. The influence of various geometric parameters such as channel length or specific interfacial area has been studied and the comparison of the liquid-liquid extraction performances has led to highlight the influence of the phases viscosities ratio on the flows. Thanks to the modeling of both hydrodynamics and mass transfer in microsystem, the criteria related to physical and kinetic properties of the chemical systems have been distinguished to propose a rational conception of tailor-made chips. Finally, several examples of the liquid-liquid extraction implementation in microsystem have been described for analytical applications in the nuclear field: U/Co separation by Aliquat® 336, Eu/Sm separation by DMDBTDMA or even the coupling between a liquid-liquid extraction chip and the system of detection which is the ICP-MS.

Résumé : Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d’une part, la conception d’un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d’autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence. Le dispositif de détection conçu implémente un photodétecteur à quatre jonctions enterrées (Buried Quad Junction photodetector – BQJ) et un étage de préamplification de charge pour le traitement simultané des quatre sorties de ce photodétecteur. L’ensemble a été fabriqué en technologie Haut-Voltage CMOS Teledyne-DALSA 0,8μm. Son fonctionnement a été démontré et ses performances, notamment en termes de bruit et de sensibilité, ont été caractérisées. En parallèle, des filtres optiques coupe-bande ont été développés à l’aide d’un procédé compatible avec la technologie CMOS utilisée pour le photodétecteur. Ainsi, le dépôt de ces filtres sur le photodétecteur pourra être intégré dans le process de fabrication industriel. Les filtres interférentiels développés sont fabriqués en alternant des dépôts de couches minces de nitrure et d’oxyde de silicium par PECVD. La mesure des indices optiques de ces matériaux a été utilisée pour optimiser ces filtres à partir de simulations. Les filtres déposés sur lame de verre ou sur le photodétecteur BQJ ont été caractérisés. Des méthodes de traitement des signaux spécifiques pour le BQJ sont également proposées pour améliorer la sensibilité et/ou la sélectivité de détection. Leurs performances ont été évaluées. Enfin, des mesures de fluorescence avec le système de photodétection conçu ont été réalisées sur des mélanges de nanocristaux fluorescents (quantum dots) ou de fluorophores organiques. Ces résultats préliminaires permettent de valider le fonctionnement applicatif du système de photodétection développé. // Abstract : This thesis aims to develop an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on-a-chip implementing very small volumes of reagents (less than one microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection. The detection device implements a Buried Quad Junction photodetector (BQJ) and charge sensitive preamplifiers for the simultaneous treatment of its four outputs. The chip was made in 0.8μm High Voltage CMOS technology from Teledyne-DALSA. Its operation has been demonstrated and its performances, especially in terms of noise and sensitivity, have been characterized. In parallel, optical notch filters have been developed using a process compatible with the CMOS technology used for the photodetector fabrication. Thus, deposition of these filters on the photodetector can be integrated during industrial process. Developed interference filters are made by alternating deposition of thin layers of nitride and silicon oxide by PECVD. Measurements of refractive index of these materials were used to optimize these filters through simulations. The filters implemented on a glass cover or on the BQJ photodetector were characterized. Signal processing methods specific to BQJ are also proposed to improve the detection’s sensitivity and/or selectivity. Their performances were evaluated. Finally, fluorescence measurements with the designed photodetection device were performed on mixtures of fluorescent nanocrystals (quantum dots) or of organic fluorophores. These preliminary results validate the performances in terms of photodetection of the designed integrated photodetection device.

L’objectif de ce travail porte sur l’étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l’échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l’étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l’effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage… Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d’intégrer des outils d’analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l’étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d’éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d’autres perspectives telles que l’analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d’onde d’émission de lasers microfluidiques monomodes. / The purpose of this work is to study and realize liquid state optical resonators in digital microfluidics. Spherical droplets may behave as whispering gallery mode resonators, in which light is trapped by total internal reflections. At the microscopic scale, they exhibit outstanding optical properties. Their high quality factors make them attractive for studying non-linear optical phenomena, such as lasing, and for spectroscopy. In another field of research, digital microfluidics, that deals with multiphase fluid systems in artificial microchannels, also involves microdroplets. It offers a high degree of freedom in handling microdroplets: kHz generation, transport, encapsulation, fusion, division, stockpiling, sorting… Therefore, in lab-on-chip systems, turning microdroplets into resonant microcavities constitutes an opportunity for integrating optical analysis tools that can probe picoliter to nanoliter samples.After a review of the optical properties of whispering gallery mode resonators, this thesis reports the experimental results. A presentation of the methods of microfabrication and of the experimental bench top precedes the study of the dynamic generation of liquid optical microcavities. Then, these resonant cavities are applied to microfluidic laser sources. In particular, lasing effect has been demonstrated in spherical microdroplets of ethylene glycol and rhodamine 6G. Finally, an opening towards systems that combine microdroplets and Fabry-Perot cavities presents other perspectives such as the analysis of passive droplets in laser intacavity or the capability of fast switching the output wavelength of single mode microfluidic dye lasers.

Ce travail de thèse est consacré au développement d’un dispositif autarcique pour le contrôle des amphétamines dans les égouts. Il a été conçu dans le cadre du projet européen MicroMole pour aider la police scientifique à résoudre des scènes concernant la localisation des laboratoires clandestins d’amphétamines et produits dérivés. Il est composé de trois volets : le premier volet est dédié au développement de deux générations de capteurs potentiométriques sélectifs à l’amphétamine en utilisant le ionophore commercial dibenzo-18-crown-6 éther dans un premier temps puis le ion-pair complexe [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- synthétisé comme sites actifs pour la reconnaissance sélective d’amphétamine. Le deuxième volet est consacré au développement d’un système microfluidique passif permettant de contrôler le flux d’échantillon arrivant à la partie sensible du capteur en utilisant des micro-filtres et micro-mélangeurs. Le troisième et dernier volet est dédié à la conception et fabrication d’un système autonome d’échantillonnage miniaturisé pour le stockage des échantillons dans les égouts lors des enquêtes menées par la police scientifique correspondant à la localisation de laboratoires clandestins d’amphétamines / The work in this thesis is devoted to the development of an autarkic device for real-time monitoring of amphetamines in sewage. It has been developed within the EU project Micromole to help Law Enforcement Agents (LEA) to solve forensic scenarios related to the production of amphetamines and amphetamine-type stimulants (ATS). It is composed of three main sections. The first section is devoted to the development of two generation of potentiometric sensors for the detection of amphetamines using first, the commercial ionophore dibenzo-18-crown-6 ether, then the synthesized ion-pair complex [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- as active sites for amphetamine recognition. The second section is dedicated to the fabrication of a passive microfluidic system integrated into a Lab-on-a-Chip to protect the sensor from the harsh environment through the control of the sample amount reaching the sensor. For this purpose, the microfluidic system formed a combination of passive micromixers, microfilters and microchannels. The final section was devoted to the development of an autarkic sample storage unit to help LEA to store spontaneous samples during forensic investigations related to the clandestine production of amphetamines in illegal laboratories

Lorsque des ondes acoustiques de surface rayonnent dans des fluides, elles provoquent deux effets non linéaires : la pression de radiation et le streaming acoustique. Ces deux effets ont trouvé un grand nombre d’applications pour la microfluidique digitale, la manipulation sans contact et le tri cellulaire. Néanmoins, ces systèmes se heurtent à deux limites. D’une part, chaque application requiert une onde acoustique spécifique : il n’existe pas de dispositif multifonction à ce jour. D’autre part, l’exploration des fonctionnalités offertes par les ondes de surface les plus simples (ondes planes, ondes focalisées) n’a pas permis de réaliser des pinces sélectives permettant de manipuler individuellement des particules ou cellules indépendamment de leurs voisines.Dans une première partie de la thèse, nous développons deux méthodologies pour synthétiser des champs complexes d’ondes de surface. La première méthode utilise un réseau de 32 peignes interdigités contrôlé par la technique du filtre inverse pour générer des champs sur demande. La seconde résout un problème inverse afin de concevoir un transducteur holographique générant spécifiquement le champ demandé. Dans la seconde partie de la thèse, nous utilisons le filtre inverse pour (i) réaliser un laboratoire sur puce multifonction et (ii) étudier le potentiel d’ondes de surface particulières appelées ondes de surface tourbillonnaires. Ces ondes permettent une manipulation sélective et sans contact d’objets microscopiques. Nous terminons la thèse en équipant un microscope d’un transducteur holographique de vortex acoustiques afin de réaliser une manipulation sélective et sans contact de cellules. / When surface acoustic waves radiate in nearby fluids, they trigger two nonlinear effects: acoustic radiation pressure and acoustic streaming. These two effects find numerous applications for digital microfluidics, contactless manipulation and biological cell sorting. Nonetheless, these systems face two limitations. On the one hand, each application requires a specific acoustic wave: there is no multifunction device so far. On the other hand, search for functionalities offered by simple surface acoustic waves (plane and focused waves) has failed to provide a selective tweezers able to manipulate individual particles or cells independently of their neighbors. In the first part of this thesis, we develop two methods to synthesize complex surface acoustic wave fields. The first one employs an array of 32 interdigitated transducers controlled by the inverse filter to generate arbitrary fields on demand. The second method solves an inverse problem to design a holographic transducer to generate a predefined field. In the second part of the thesis, we use the inverse filter to (i) implement a multifunction lab on a chip and (ii) investigate the potentialities of a special type of surface acoustic waves called swirling surface waves. These waves enable a selective and contactless manipulation of microscopic objects. We conclude the thesis by integrating a holographic acoustical vortex transducer on a microscope in order to selectively manipulate biological cells without contact.

Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif basé autour d'un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d'une part, la conception d'un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d'autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence / This thesis aims to develop a system based around an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on- a-chip implementing very small volumes of reagents (below the microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection