Les micro et nanoparticules magnétiques sont de plus en plus utilisées en biologie et en médecine, pour une large gamme d'applications. Plusieurs applications utilisent le piégeage et le guidage de ces billes sous l'effet d'un champ et d'un gradient de champ magnétique. Dans la plupart des applications, le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimant ou un électro-aimant. L'intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articles scientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doivent alors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l'Institut Néel permettent d'obtenir les mêmes inductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réduction d'échelle, des gradients de champ intenses et donc des forces volumiques très conséquentes. Ils sont, de plus, favorables à l'autonomie et à la stabilité du système.Ce travail propose d'utiliser ces micro-aimants pour des applications en diagnostic In Vitro afin de tirer parti des forces volumiques importantes issues des micro-aimants et de la facilité d'utilisation de telles sources de champ magnétiques pour l'utilisateur.Ces premières constatations nous ont permis de mettre un place un test de type ELISA en une seule étape. Grâce à ces avantages, il a été possible d'utiliser des nanoparticules magnétiques à la place des classiques microparticules comme rapporté dans l'état de l'art. Ces nanoparticules, fonctionnalisables par des anticorps permettent entre autre d'augmenter le rapport surface sur volume phénomène très favorable à la sensibilité des tests de diagnostic In Vitro. De plus, les nanoparticules étant de petite taille, il est possible d'augmenter fortement leur concentration et de favoriser ainsi la capture de ces particules par les micro-aimants grâce à un mécanisme d'interaction fluide/particule et in fine la cinétique du test.Un autre avantage des micro-aimants permanents est la possibilité de contrôler le champ magnétique sur des distances micrométrique. Cela ouvre la voie à des tests de diagnostic sans lavage, simples et sensibles. Enfin, tous ces avantages ont été combinés à ceux de la microfluidique pour permettre l'émergence de test portables tout en restant efficaces. Pour cela l'autonomie intrinsèque aux micro-aimants permanents sera un avantage incontestable. / The range of applications for magnetic micro- and nanoparticles is constantly expanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particle trapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In most publications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elements polarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscaling leads to an increase of field gradients and consequently increase strongly the forces.Micromagnets developped at the Neel Institute produce magnetic induction as good as the best macro-magnets. Therefore, thanks to scale reduction laws, high field gradients and therefore intense forces can be obtained. Moreover, these magnets can easily be integrated in micro systems such as BioMEMS.The purpose of this work is to use these micromagnets to develop in vitro immunoassays.. An innovative system based on superparamagnetic nanoparticles attraction by micromagnets was developed in order to perform a “one step” ELISA.Nanoparticles can be functionalized with antibodies, increasing the surface/volume ratio, and therefore the test sensitivity. Thanks to their small size, the nanoparticles concentration can be increased, and a fluid/particles interaction optimizes their capture by the micromagnets. This phenomena is favorable to immunoassay's kinetics.A micrometric control of the magnetic field is possible thanks to micromagnets: this allows to design simple and sensitive immunoassays that need no washing steps. Finally, these properties combined to microfluidics is used to design of point of care and sensitive immunoassays.

Cette thèse présente le développement de tests immunologiques innovants, rapides et sensibles combinant des nanoparticules superparamagnétiques (SPN) fonctionnalisées et des micro-aimants : nos immuno-essais magnétiques exploitent les forts gradients de champ magnétique de ces micro-aimants pour capturer les complexes immunologiques liés aux SPN. L’attraction magnétique est souvent utilisée en biotechnologies car elle peut générér des forces capables de capturer des molécules d’intérêt. Les immuno-essais sur billes utilisent habituellement des aimants centi- et millimétriques pour capturer des micro-particules. Réduire la taille des particules magnétiques est très intéressant pour réduire les cinétiques de réactions, tout en diminuant les phénomènes de sédimentation et d’agrégation. Cette réduction d’échelle des particules permet aussi d’augmenter la surface de réaction et ainsi d’augmenter la sensibilité des tests. Cependant les aimants millimétriques génèrent des gradients faibles qui capturent difficilement les SPN, trop mobiles. Les micro-aimants de l’Institut Néel génèrent des forts gradients locaux et ainsi des forces magnétiques importantes. Ces technologies innovantes sont utilisées dans cette thèse pour développer des immuno-essais rapides tirant profit de la réduction d’échelle des particules et des aimants, par rapport aux technologies commerciales.Dans un premier temps, nous avons développé un test immunologique magnétique (MagIA) colorimétrique, comme approche innovante du test ELISA. Nous avons réalisé une preuve de concept pour la détection d’anticorps dirigé contre l’ovalbumine et comparé les résultats avec ceux de tests ELISA. Le test MagIA optimisé présente une limite de détection et une zone dynamique similaires au test ELISA développé avec les mêmes réactifs biologiques. Les micro-aimants fabriqués selon la méthode de micro-magnetic imprinting sont intégrés à bas coût dans les micro-puits des plaques multi-puits ELISA, et permettent la capture efficace des complexes immunologiques couplés aux SPN. La méthode est générique est permet de réaliser des tests ELISA en 30 minutes avec le même équipement.Nous avons ensuite développé un test magnétique immunologique avec une détection fluorescente locale tirant profit des propriétés de capture locale des SPN sur les micro-aimants. Ce test permet la quantification de la molécule d’intérêt en à peine 15 minutes sans étape de lavage. Une preuve de concept réalisée sur la détection de l’anticorps anti-ovalbumine a été réalisée, avec des anticorps de détection fluorescents et des micro-aimants fabriqués selon la méthode de thermo-magnetic patterning. La mesure différentielle entre le signal fluorescent provenant des complexes immunologiques couplés aux SPN localisées sur les micro-aimants, et le signal non spécifique (à l’extérieur des micro-aimants) permet la quantification d’une molécule. Ce test MLFIA (magnetically localized FIA) possède des performances jusqu’à 100 fois meilleures que les tests ELISA standard, pour la détection d’anticorps anti-ovalbumine en PBS. Le test MLFIA a ensuite été transféré à la détection de paramètres cliniques tels que la protéine C réactive, l'ostéopontine, et les sérologies de la toxoplasmose (IgG et IgM). La comparaison des résultats avec des méthodes automatisées a montré d’excellentes corrélations. Le test MLFIA présente plusieurs avantages : il est versatile, compatible avec les milieux biologiques, utilise de faibles volumes et requiert peu d’énergie. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle génération de tests immunologiques sensibles et nous développons désormais un lecteur miniature pour le diagnostic portable. / This thesis reports the development of innovative, sensitive and fast immunoassays combining functionalized superparamagnetic nanoparticles (SPN) and micro-magnets. Our magnetic immunoassays exploit high gradients generated by micro-magnets to capture immune-complexes captured on SPN. Magnetic attraction is widely used in biotechnology, because it provides long-range forces able to capture molecules of interest. Bead-based immunoassays use common centimetre-scale magnets to attract micro-particles. Those magnets generate low magnetic gradients and struggle to capture superparamagnetic nano-particles, which are too small and mobile to be efficiently trapped. Down-scaling the size of magnetic particles is very interesting since it allows diffusion-based transport to perform faster reactions, while avoiding particle sedimentation and aggregation. Furthermore, it increases the reaction surface, which improves the sensitivity of immunoassays. Thanks to the scaling law effects micro-magnets from Institut Néel generate high local gradients and therefore large magnetic volume forces: we use this innovative technology to develop fast immuno-assays that take advantage of a radical size reduction, compared to commercial technology.We first developed a colorimetric magnetic immunoassay (MagIA) as a new approach to standard ELISA. A proof-of-concept based on colorimetric quantification of anti-ovalbumin antibody in buffer was performed and compared with conventional ELISAs. After optimization, MagIA exhibits a limit of detection and dynamic range similar to ELISAs developed using the same biochemical tools. Micromagnets made by the micro-magnetic imprinting method can be fully integrated in multi-well plates at low cost, allowing the efficient capture of immuno-complexes carried by SPNs. The method is generic and performs magnetic ELISA in 30 min.We then developed a magnetically localized fluorescent immunoassay (MLFIA) exploiting the local capture of SPN on micro-magnets. The differential measurement of fluorescence localized on and besides micro-magnet arrays allows the detection and quantification of a molecule in only 15 minutes without fluid handling. We present a proof of concept based on the detection of monoclonal antibody anti-ovalbumin. Functionalized nanoparticles are incubated with fluorescent detection antibody and the sample containing the molecule to be detected. After a single incubation step, the nanoparticles are captured on micro-magnets made by thermo-magnetic patterning. Fluorescence is then read under a microscope. Differential measurement between the signal from the immunological complex localised on the micro-magnets and the non-specific signal localised besides micro-magnets allows the quantification of mAb anti-OVA. The performance of MLFIA was compared with conventional ELISA and exhibits a limit of detection up to 100 times better for anti-OVA mAb in PBS. For further validation, MLFIA was used to measure clinical parameters: we developed a sandwich assay to detect C-reactive protein, and a serology for Toxoplasma gondii immunoglobulin G and M or osteopontin in human samples. Comparisons with data obtained with routine clinical automatized methods show excellent correlation. Our MLFIA technology presents several key advantages: it is compatible with biological media (serum, plasma), uses small volumes and requires little energy. It also is versatile and thus can be used to detect any antigen or antibody in complex media. We are currently developing a portable prototype for point-of-care diagnostics. The results will open the way to a new generation of sensitive immunological lab-on-chip.

Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.

Microvalves are essential components of the miniaturization of the fluidic systems to control of fluid flow in a variety of applications as diverse as chemical analysis systems, micro-fuel cells, and integrated fluidic channel arrangements for electronic cooling. Using microvalves, these systems offer important advantages: they can operate using small sample volumes and provide rapid response time. This PhD dissertation presents the world first electromagnetically actuated microvalve fabricated on a single wafer with CMOS compatibility. In this dissertation, the design, fabrication, and testing results of two different types of electromagnetic microvalves are presented: the on/off microvalve and the bistable microvalve with latching mechanism. The microvalves operate with power consumption of less than 1.5 W and can control the volume flow rate of DI water, or a 50% diluted methanol solution in the range 1 - 50 µL in. The leaking rate of the on/off microvalve is the order of 30 nL/min. The microvalve demonstrated a response time for latching of 10 ms in water and 0.2 ms in air. This work has resulted in a US patent, application no. 10/699,210.Other inventions that have been developed as a result of this research are bidirectional, and bistable-bidirectional microactuators with latching mechanism, that can be utilized for optical switch, RF relay, micro mirror, nano indenter, or nano printings.