Un grand intérêt est remarqué au sein de la communauté et les chercheurs scientifiques pour étudier le changement et le réchauffement climatique ainsi que pour évaluer les conditions environnementales actuelles et ses limites. Il est établi que la présence de micro-organismes sélectionnés dans un environnement spécifique peut prédire différents facteurs environnementaux dans un habitat donné. L'écologie microbienne étudie les relations existantes entre les micro-organismes et leur environnement. Comprendre les micro-organismes qui prospèrent dans ces régions nordiques peut grandement faire progresser nos connaissances sur ces habitats et les effets des changements climatiques. Ces microbes sont appelés bioindicateurs. Mais, à l'heure actuelle, les micro-organismes bioindicateurs qui se développent dans différents habitats qui sont les plus touchés par les changements climatiques, comme ceux des régions septentrionales du Canada, sont encore pour la plupart inconnus. Le programme transdisciplinaire Stratégie Sentinelle Nord de l'Université Laval vise à développer des technologies innovantes et à accroître la connaissance collective des habitats nordiques et de leurs impacts sur les êtres humains et leur santé. Sous l'égide de l'initiative Sentinel Nord, le projet EcoChip est un programme ambitieux qui vise à développer une technologie autonome de surveillance, de compréhension et de valorisation des microorganismes présents dans le Nord. La technologie EcoChip vise également à identifier des molécules uniques susceptibles d'être utilisées dans des processus biologiques et industriels. Ici, nous présentons la technologie EcoChip de nouvelle génération. C’est un système autonome qui permet de surveiller la croissance des micro-organismes dans les puits individuels sur le terrain. Il peut mesurer le taux de croissance des micro-organismes et leurs conditions environnementales in-situ grâce à une plate-forme de capteurs embarqués. Cette nouvelle version améliore de nombreux aspects du prototype précédent. Entre autres, il a un réseau d'électrodes EIS plaqué et intégré à la carte électronique, un nouveau boîtier hermétique personnalisé et a été fabriqué en utilisant une technologie de carte de circuit imprimé standard et peu coûteuse. / The community and scientific researchers have great interest in studying climate change and warming as well as to assess current environmental conditions and its limitations. Microbial ecology studies the existing relationships between microorganisms and their environment. The presence of selected microorganisms in a specific environment can predict different environmental factors in each habitat. These sentinel microbes are called bioindicators. Understanding the microorganisms that thrive in these northern regions can greatly advance our knowledge of these habitats and the effects of climate change. However, at present, the bioindicator microorganisms that thrive in different habitats that are most affected by climate change, such as those in northern regions of Canada, are still mostly unknown. The transdisciplinary Sentinel North Strategy program aims to develop innovative technologies and increase collective knowledge of northern habitats and their impacts on humans and their health. Under the aegis of the Sentinel North initiative, this project is an ambitious program, aims to develop an autonomous technology for monitoring, understanding and valuing the microorganisms present in the North. EcoChip technology also aims to identify unique molecules used in biological and industrial processes. Here we present the next generation EcoChip technology. It is a stand-alone system built to monitor the growth of microorganisms in individual wells in the field. It can measure the growth rate of microorganisms and their environmental conditions in-situ using an on-board sensor platform. The system can measure the impedance of microorganisms inside 96 wells using the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. Other parameters like temperature, humidity and luminosity are measured. The EcoChip has many improvements. Among other things, it has an EIS electrode array plated and integrated with the electronic board, a new customized hermetic package and was manufactured using standard and inexpensive printed circuit board technology.

Les méthodes actuelles pour détecter et identifier des microorganismes dans un échantillon sont lentes et complexes. Les techniques d'identification bactérienne, par exemple, nécessitent généralement une étape de culture bactérienne, introduisant des délais pouvant dépasser les 48 heures. Dans plusieurs domaines, telles la recherche arctique, la santé et l'industrie agroalimentaire, la lenteur des analyses bactériologiques peut avoir de lourdes conséquences humaines ou financières. Il existe donc un réel intérêt pour la conception de capteurs sensibles permettant d'outrepasser l'étape de culture bactérienne. Par le passé, notre groupe de recherche a développé une technique de biodétection basée sur les modes de galerie de multiples microsphères fluorescentes en suspension libre dans un échantillon. La sensibilité et la robustesse de cette approche permettent d'envisager son intégration dans un biocapteur rapide et portatif. Cependant, la technologie n'est pas assez mature sous sa forme actuelle pour permettre cette intégration. L'objectif de nos travaux de recherche était donc d'intégrer notre technologie dans un système de laboratoire efficace. Pour ce faire, une nouvelle instrumentation optofluidique est proposée. Cette dernière joint un microscope à fluorescence et un système microfluidique conçu pour mélanger une solution de microsphères avec un échantillon contenant des bactéries. Le mélange est réalisé par un micromélangeur utilisant des rainures dont l'orientation et la position sont optimisées pour favoriser la dispersion de particules solides en suspension dans un fluide. Différentes méthodes d'apprentissage machine servant à analyser les modes de galerie de microsphères fluorescentes sont également décrites. En termes de rapidité, ces dernières surpassent de loin l'algorithme IMARI originellement proposé par notre groupe. Au final, l'instrumentation optofluidique et les méthodes d'analyses présentées dans ce mémoire ont permis de détecter la présence de deux types de picocyanobactéries nordiques. Les avancées réalisées pendant la maîtrise confirment donc le potentiel de notre approche et son intégration éventuelle dans un capteur portatif. / The detection and the identification of microorganisms in a liquid sample is, more often than not, a slow and complex process. The current bacterial identification methodologies, for instance, typically require bacterial growth on culture media, a step which introduces delays of 48 hours or more. In fields such as arctic research, healthcare or food production, these delays can beget serious human and financial consequences. Thus, there is a growing interest for sensitive biosensors capable of bypassing the bacterial growth step. Our research group as previously presented a biodetection scheme based on the analysis of the whispering gallery modes of multiple fluorescent microspheres free-floating in the solution under test. The sensitivity and the robustness of this approach promote its eventual use in a fast and portable biosensing device. However, under its current form, our technology still lacks the appropiate maturity to be integrated in such a device. The research presented in this thesis thus aimed at integrating our technology in an effective laboratory system. To that end, an improved optofluidic instrumentation is proposed. It joins a fluorescent microscope to a microfluidic chip capabe of mixing a solution of microspheres with a sample containing bacteria. The mixing if achived via a staggered herringbone mixer with a groove orientation optimized to promote the dispersion of solide microparticles in suspension. Several machine learning algorithms are also proposed to analyse the whispering gallery modes of our free-floating fluorescent microspheres. In terms of analysis speed, these methods outperform, by a great margin, the IMARI algorithm previously proposed by our group. In the end, the proposed instrumentation and algorithms were used to sucessfully detect the presence of two types of arctic picocyanobacteria. The contributions presented in this thesis thus confirm the potential of our biodetection scheme and further pave the way towards portable biosensors.

Les techniques de biodétection optique qui utilisent les résonances d'une cavité à géométrie circulaire ou sphérique ont démontré une sensibilité exceptionnelle. Ces résonances à haut facteur de qualité sont connues sous le nom de modes de galerie. Toutefois, les configurations actuelles de ces biocapteurs sont difficiles à intégrer dans un dispositif simple et peu dispendieux. La stratégie de détection présentée emploie des microsphères fluorescentes comme cavité résonnante, ce qui simplifie grandement les exigences pour l'excitation de ces modes. Notre méthode d'analyse spectroscopique compare le spectre expérimental d'une microsphère fluorescente contenant des modes de galerie au spectre prédit par le modèle de Chew. Cette étape permet d'obtenir l'indice de réfraction de solutions aqueuses homogènes, contenant de l'isopropanol, l'éthanol et du methanol. Pour des concentrations inférieures à 0.3 M, les mesures sont en accord avec les techniques de réfractométrie standard à l'intérieur d'un écart-type. Dans une solution non homogène, la méthode de détection repose sur des déviations par rapport au modèle de Chew qui indiquent la présence d'analytes biologique sur la surface de la microsphère. Les concentrations limites atteintes sont de l'ordre de 10 //g/ml pour des protéines et de 6 x 106 bactéries/ml pour des bactéries de type E. coli. Finalement, la caractérisation du biocapteur avec une pince optique permet d'estimer la limite supérieure de sensibilité de la méthode aux environs de 5 E. coli par microsphère et de la mettre en contexte par rapport aux autres technologies de biodétection.