Ce mémoire est consacré à l'optimisation de la connexion enzymatique d'enzymes pour l'oxydation du glucose et la réduction de O2 sur matrices de nanotube de carbone (CNT) dans les biopiles à glucose.Premièrement, le transfert électronique indirect de la glucose oxydase (GOx) est optimisé dans une matrice nanostructurée de CNT contenant la 1,4-naphtoquinone comme médiateur rédox. Cette bioanode a ensuite été combinée avec des biocathodes similaires à bases d'enzymes à cuivre (laccase et tyrosinase). La biopile GOx-NQ/Lac a permis d'obtenir des puissances maximales de l'ordre de 1,5 mW.cm-2. Les utilisations de cette pile en décharge courte, longue et sa stabilité dans le temps ont également été étudiées. La seconde partie présente la préparation d'une autre anode basée sur la connexion indirecte d'une glucose déshydrogènase NAD+-dépendante (GDH-NAD+) comme alternative pour l'oxydation du glucose. La GDH-NAD+ a été combinée avec un catalyseur d'oxydation de NADH par différentes méthodes. Tout d'abord, elle a été encapsulée au sein du métallopolymère rédox, puis, la modification supramoléculaire a dans un second temps permis d'immobiliser le catalyseur moléculaire et l'enzyme à la surface des CNTs. Ces deux bioanodes ont permis respectivement l'obtention de courants catalytiques d'oxydation du glucose de 1,04 et 6 mA.cm-2. La seconde bioanode a été combinée avec une biocathode à base de BOD et a permis l'obtention de densités de courants maximales de l'ordre de 140 µW.cm-2 La dernière partie concerne l'élaboration d'une biocathode bienzymatique pour la réduction de O2. Le DET de la HRP sur CNTs a dans un premier temps été optimisé par modification de la surface par différents dérivés pyrène. Ensuite, la combinaison de la GOx et de la HRP sur la même électrode a permis de réduire efficacement O2 en 2 étapes. La biocathode est capable de délivrer une densité de courant maximale de l'ordre de 200 µA.cm-2. Cette dernière, combinée avec la bioanode GDH présentée précédemment a permis d'obtenir une biopile opérationnelle en conditions physiologiques et 10 mM de NAD+, en étant capable de débiter une densité de puissance maximale de l'ordre de 57 µW.cm-2. / This work focuses on the optimization of the electrical wiring of glucose oxidizing and dioxygen reducing enzymes on carbon nanotube (CNT) matrixes for glucose biofuel cells.In the first part, glucose oxidase (GOx) mediated electron transfer (MET) is optimized in nanostructured CNTs matrixes by mechanical compression of a CNTs/GOx composite containing 1,4-naphtoquinone as redox mediator. This bioanode was then combined with MCOs (laccase and tyrosinase) based biocathodes. The GOx-NQ/Lac biofuel cell was able to deliver a maximum power density of 1.5 mW.cm-2. The use of this biofuel cell in short/long time discharge and in storage has also been studied. The second part presents the preparation of another bioanode based on the indirect wiring of a NAD+-dependant glucose dehydrogenase (GDH-NAD+) as an alternative for glucose oxidation. The GDH-NAD+ has been combined with an NADH oxidation catalyst by two different techniques. The first one involves the encapsulation of the protein in the metallopolymer redox film, whereas the second one relies on the supramolecular modification of the CNTs by the molecular catalyst and the enzyme. Both bioanodes showed good catalytic properties toward glucose oxidation in presence of NAD+ with respectively 1.04 mA cm-2 and 6 mA cm-2. The latter has been combined with a BOD based biocathode to form a biofuel cell exhibiting maximum power densities of 140 µW cm-2. The last part of this work focuses on the design of a bienzymatic biocathode for O2 reduction. The DET of horseradish peroxidase (HRP) was first investigated and optimized by modification of the CNTs with pyrenes derivatives. The combination of the HRP with the GOx on the same electrode enables an efficient reduction of O2 in a 2-step process. The biocathode could exhibit maximum currents densities of 200 µA cm-2. This cathode along with the previous GDH bioanode formed a biofuel cell functional in physiological conditions and 10 mM NAD+ showing maximum power densities of 57 µW cm-2.

Le travail présenté dans ce manuscrit est une contribution à la recherche sur la mise en forme d'une nouvelle classe de bioélectrodes nanostructurées, principalement à base de nanotubes de carbone (NTCs). L'oxyde de graphène (GO) a été également évalué pour des applications bioélectrochimiques. Les procédés de fabrication développés autorisent l'ajout d'additifs tels que des médiateurs et des polymères. L'optimisation de la connexion enzymatique de la laccase pour la réduction de l'O2 sur des matrices de nanotubes de carbone ainsi que de la polyphénol oxydase (PPO) pour la détection électrochimique de l'ortho-quinone généré enzymatiquement a été étudiée. Dans un premier temps, le transfert d'électrons direct avec la laccase a été optimisé dans une matrice nanostructurée de NTCs. Dans ce contexte, nous avons examiné plusieurs approches pour immobiliser la laccase tout en l'orientant grâce à l'utilisation de dérivés de l'anthraquinone afin d'améliorer les performances catalytiques de la biocathode. L'immobilisation et l'orientation de l'enzyme ont été réalisées par fonctionnalisation des électrodes par le pyrène-mono-anthraquinone et le pyrène-bis-anthraquinone. La seconde partie présente la préparation d'une autre cathode basée sur la connexion indirecte de la laccase à une matrice nanostructurée de NTCs (buckypaper) contenant du bis-pyrène-ABTS comme médiateur rédox et comme réticulant pour la stabilité mécanique améliorée de ce buckypaper. La dernière partie de ce travail a été consacrée à la production de fibres par filage électrostatique à partir de deux mélanges différents: NTCs/ PAN(polyacrylonitrile) et GO/PAN. De telles fibres ont été utilisées comme électrodes pour des applications bioanalytiques et la bioconversion d'énergie. / This thesis is devoted to the development of a new class of freestanding nanostructured bioelectrodes mainly based on carbon nanotubes (CNTs) Graphene oxide (GO) was also evaluated for its appropriateness for the treated bioelectrochemical approaches. The developed manufacturing processes forming CNTs slides (Buckypapers) or electrospun tissues also allow the confinement with additives like mediators or polymers. The optimization of the enzymatic connection of laccase, for O2 reduction on carbon nanotube arrays, and the polyphenol oxidase (PPO) for the electrochemical detection of enzymatically generated electroactive ortho-quinone was studied. Initially, direct electron transfer of laccase is optimized in a nanostructured CNTs matrix. We examined several approaches to immobilize and orient the laccase using anthraquinone derivatives while improving the catalytic performance of the biocathode. These immobilisation and orientation strategies on electrodes are performed by functionalization using pyrene-mono-Anthraquinone and pyrene-bis-anthraquinone. The second part of this thesis shows the preparation of another biocathode based on the indirect connection of laccase in nanostructured CNT buckypapers containing bis-pyrene-ABTS as a redox mediator and cross-linker, enhancing the mechanic stability of the buckypaper. The last part of this work was devoted to the production of nanofibers by electrospinning from two different blends: CNT / PAN and GO / PAN. Such fiber electrodes were used as bioelectrodes for bioanalytical applications and biological energy conversion.

Les biocapteurs ampérométriques décrits dans ce travail sont basés sur l'immobilisation d'enzymes oxydo-réductases dans un polymère conducteur déposé à la surface des électrodes. Les performances des biocapteurs sont conditionnées par la méthode d'immobilisation mise en œuvre ainsi que les caractéristiques de la matrice qui en résulte. Une technique de polymérisation électrochimique a été utilisée pour fixer l'enzyme dans un dérivé du polythiophène, le poly(3,4 éthylènedioxythiophène) (PEDT). Les potentialités de cette technique ont été démontrées pour deux enzymes différentes : la glucose oxydase et la polyphénol oxydase. L'optimisation des paramètres opérationnels a été conduite d'abord en système batch, puis étendue au système d'analyse en flux continu (FIA). Ce système biocapteur-FIA est très adapté pour des mesures en continu de glucose dans les échantillons biologiques. La sélectivité de ce biocapteur en présence de composés interférents a été améliorée par la platinisation de l'électrode, qui rehausse la réponse au glucose, ou l'utilisation des médiateurs rédox. Un biocapteur à polyphénol oxydase exploitant l'amplification enzymatique mise en jeu a permis la détection des polluants phénoliques jusqu'à 50nM.