Le but de ce projet est d'étudier les propriétés mécaniques et électriques d'une monocouche de phospholipide supportée sur silicium en vue de son utilisation comme diélectrique de grille dans un biocapteur à transistor à effet de champ. Ces monocouches de 3nm sont formées par fusion de vésicules. Les lipides utilisés possèdent des triples liaisons dans leurs chaînes alkyles permettant une polymérisation radicalaire. Nous montrons que la polymérisation stabilise la monocouche à l'air et améliore sa résistance mécanique. Les mesures ont été réalisées par mesure de force par AFM, la force de ‘rupture' de la monocouche par la pointe AFM augmentant après polymérisation. L'étude de la force en fonction de la vitesse d'approche de la pointe nous a permis de montrer que la rupture de la couche est un phénomène activé qui dépend de la vitesse. Nous avons pu ainsi déterminer pour chacune des deux surfaces, polymérisées ou pas, l'énergie d'activation de rupture de la couche du système couche/pointe et une estimation du module de Young. Ces grandeurs qui augmentent après polymérisation montrent une amélioration des propriétés mécaniques. Nous nous intéressons également aux propriétés électriques de ces monocouches. Nous avons réalisé des mesures Courant-Tension I(V) à partir desquelles nous avons pu déterminer la résistance de la couche, les densités de courant de fuite et la tension de claquage. Les résultats obtenus démontrent que ces monocouches ultrafines possèdent de très bonnes propriétés isolantes. De plus nous avons révélé la propriété très intéressante d'auto-régénération de la monocouche isolante après claquage à l'air, à température ambiante en quelques minutes seulement. / The main goal of this project was to study the electrical and mechanical properties of a solid supported lipid monolayer in order to use it as a dielectric insulator in a Field Effect Transistor based biosensor. The 3 nm lipid monolayer supported on silicon was obtained by the vesicle fusion method. DC8,9PC phospholipids containing acetylenic moiesties were selected. The lipid monolayer was stabilized on the substrate by two-dimensional polymerization in the plane of the layer. We demonstrate that this polymerization stabilizes the monolayer in air. Force measurements realized by AFM on both polymerized and non-polymerized layers demonstrated a net improvement of the nano-mechanical resistance of the layer after polymerization with a net increase of the force required to rupture the layer. Measurements realized at different loading rates have evidenced the fact that the monolayer rupture is an activated process that depends on the loading rate. For both types of layers, we have determined the intrinsic rupture activation energy of the tip–layer system as well as their Young modulus. These two physical quantities increase after polymerization and demonstrate a net improvement of the mechanical properties of the polymerized monolayer. The electrical properties of these layers have also been investigated. Current-Voltage measurements were done on the monolayer in the air at room temperature. The differential resistance, the leakage current, the breakdown voltages were measured and showed that the polymerized monolayer behaves as a good electric insulator. In addition, we demonstrated a very interesting property of autonomic self-healing after electrical breakdown.

Cette thèse vise à développer un capteur d’ions cuivre dans des échantillons humains tels que le plasma ou les urines où l’accumulation des ions induit la maladie de Wilson. Le manque d’outil de diagnostic efficace et non invasif rend cette maladie traitable, potentiellement fatale. Notre capteur, basé sur la technologie des transistors à effet de champ de type metal-oxide-semiconducteur, a l’originalité d’utiliser une monocouche de lipide de type DC8,9PC de 2.4 nm d’épaisseur comme diélectrique de grille. Nous démontrons dans cette thèse que ces lipides peuvent être chimiquement modifiés en de monocouches, à stabilité mécanique et électrique élevée, transformées en sondes spécifiques par greffage sur le groupement de tête des lipides d’une fonction chélatante spécifique aux ions cuivre. La monocouche lipidique est formée à la surface du canal semiconducteur du transistor par fusion vésiculaire et est stabilisée par réticulation des lipides suivant un protocole que nous avons développé. Dans une première partie, nous décrivons la fabrication du transistor ainsi que l’ingénierie chimique des lipides avec le chélateur. Des mesures, en solutions aqueuses contenant des ions cuivre et d’autres ions potentiellement compétiteurs, ont validé la sensibilité et la spécificité du capteur. La deuxième partie est dédiée à l’optimisation des monocouches en tant qu’isolants électriques stables. Nous introduisons dans cette thèse la notion de double polymérisation des lipides dans la monocouche avec réticulation des chaînes aliphatiques et des groupements de tête. Nous démontrons que celle-ci conduit à l’amélioration drastique des propriétés mécaniques et électriques des monocouches. / This thesis aims at developing a sensor for the detection of Cu2+ in human samples such as urine. Copper is an ion of pathological interest in the body and its accumulation in tissues is responsible for the Wilson disease. While the disease can be effectively treated, the lack of efficient and non-invasive diagnosis techniques makes it potentially deadly. Our project aims for developing an efficient, sensitive, specific, and low cost sensor device based on metal-oxide-semiconductor field effect transistor technology and has the originality of using a 2.4 nm thick monolayer of DC8,9PC lipids as gate dielectric. We demonstrate that such lipids can be chemically engineered to allow the fabrication of monolayers with high mechanical and electrical stability and to confer them specific probe function. Specificity of the sensor is given by the grafting of a copper specific chelator to the lipids head-groups. The lipid monolayer is formed on the transistor semiconducting channel by the vesicle fusion. In the first part of the thesis, we describe the fabrication of the transistor including the chemical engineering of the lipids with the chelator. Sensitivity and specificity measurements were realized in aqueous solutions containing copper ions and potentially competitive ions. The second part is dedicated to improving the performances of the lipid monolayer as a stable insulator. We introduce in this thesis the concept of double polymerization of the lipids in the monolayer with a reticulation at both the levels of their aliphatic chains and their head-groups. We demonstrate that that leads to drastic improvements of both the mechanical and electrical properties of the monolayer.

La littérature des dernières décennies regorge de références concernant les bienfaits des acides gras oméga 3, tels que l’EPA (C20:5 n-3) et le DHA (C22:6 n-3) qui jouent un rôle essentiel dans la prévention de nombreuses pathologies comme les maladies neurodégénératives (type Alzheimer). Les sources majeures d’EPA et DHA sont celles d’origine marine. C’est dans ce contexte que cette étude a choisi de s’intéresser aux phospholipides provenant de têtes de saumon. L’objectif était de les extraire, de purifier la phosphatidylcholine (PC) issue du mélange de lipides et d’en déterminer ses propriétés d’auto-assemblage en bicouches. Une approche expérimentale par la caractérisation physico-chimique de ce PC a été complétée par une étude théorique du même composé en utilisant les techniques de simulation par dynamique moléculaire qui a permis une caractérisation à l’échelle moléculaire des bicouches lipidiques. La caractérisation a permis d’aboutir au profil détaillé de la composition du mélange PC saumon, d’élaborer le diagramme de phase PC –eau, de déterminer les propriétés d’empaquetage d’hydratation de ce lipide. Les paramètres choisis pour l’étude en dynamique moléculaire ont permis de reproduire de manière fidèle les résultats expérimentaux, validant ainsi le modèle et les conditions de simulations déterminés au préalable. La caractérisation des propriétés structurales de la PC de saumon sous forme de multicouches a permis d’approfondir la compréhension des mécanismes d’interactions à l’échelle moléculaire existant entre les lipides insaturés eux-mêmes. / The literature of recent decades is replete with references regarding the benefits of omega 3 fatty acids such as EPA (C20:5 n-3) and DHA (C22:6 n-3) which play an essential role in preventing many diseases such as neurodegenerative diseases (Alzheimer's type). The major sources of EPA and DHA are those of marine origin. It is within this context that this study chose to deal with phospholipids from salmon heads. The objective was to extract, purify phosphatidylcholine (PC) derived from the mixture of lipids and determine its properties of self-assembly into bilayers. An experimental approach by the physicochemical characterization of this PC was supplemented by a theoretical study of the same compound using the techniques of molecular dynamics simulation that allowed a molecular-scale characterization of lipid bilayers. The characterization resulted in detailed profile of the mixture composition of salmon PC, to draw up the phase diagram of PC-water, to determine the packing and hydration properties of this lipid. The parameters chosen for the study of molecular dynamics have faithfully reproduced the experimental results, thus validating the model and simulation conditions determined in advance. The characterization of structural properties of the PC as a multilayer salmon has deepened the understanding of interaction mechanisms at the molecular level between unsaturated lipids themselves.