Nous avons montré la faisabilité d 'une approche de capteur où les fonctions de détection et de signalisation sont séparées. Nous avons choisi comme supports lumineux des nanosphères fluorescentes. Elles servent de transducteurs. Nous avons exploré la modularité du capteur en essayant plusieurs molécules sondes adsorbées à la surface des billes. Nous avons montré que l'information entre la détection (sonde) et la signalisation (bille) est relayée par transfert d'énergie.

La pollution des eaux par des composés organiques constitue un problème mondial majeur. Parmi cescomposés, les molécules aromatiques de faibles masses molaires constituent une famille largementrependue dont la toxicité et la cancérogénicité est avérée et bien documentée. La Directive-CadreEuropéenne sur l’eau (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) établit des normes de qualitéenvironnementales ayant pour objectif d’améliorer la qualité des eaux. Dans ce contexte, ledéveloppement d’outils analytiques robustes, permettant de détecter et de quantifier précisément et insitula présence de polluants dans les eaux est d’une importante primordiale. L’objectif principal de cetteétude est l’élaboration de nanocapteurs sensibles, robustes et réutilisables, permettant l’analyse depolluants organiques dans les eaux grâce à la Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS).Tout d’abord, une attention particulière a été portée à la sélection des récepteurs et des différentesstratégies de fonctionnalisation permettant d’élaborer un nanocapteur SERS capable de pré-concentrerles polluants visés. L’utilisation d’antigènes et de fragments d’antigènes (F(ab)2) a montré des résultatsprometteurs pour l’élaboration de nanocapteurs très sélectifs. Une seconde approche basée surl’utilisation de cavitants ou molécules hôtes, telles que les cyclodextrines (CDs), a été développée. Lapré-concentration sélective des polluants grâce à leur taille a été démontrée par spectroscopie Raman etSERS. Enfin, grâce à la possibilité d’identification moléculaire en milieu complexe offerte par laspectroscopie SERS, une approche permettant une pré-concentration non spécifique des polluants a étédéveloppée. Pour ce faire, différents sels de diazoniums (DSs) ont été synthétisés et greffés à la surfacedes nanocapteurs afin de créer une couche hydrophobe permettant la pré-concentration et la détection decomposés apolaires. Les performances de ces nano-capteurs ont été démontrées pour la détection de plusieurs PAHs apolaires. / Environmental water pollution by organic compounds is in continues worldwide concern. Low molecular mass aromatic molecules consisting in benzene rings have received considerable attention due to a documented significant toxicity and carcinogenicity. Within the objectives of the European Water Framework Directives (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) aiming in water quality improvement, the development of analytical tools allowing in-situ accurate and sensitive detection is of primary importance and would be a meaningful innovation. With this regard, the main scope of this study was to design sensitive, reproducible, specific and reusable nanosensor for the detection of organic pollutants in environmental waters using Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).During this study the main attention was paid to the selection of suitable receptors and strategies for SERS nanosensor surface functionalisation in order to preconcentrate targeted pollutants. The application of antibodies and antigen binding fragments (F(ab)2) for surface decoration was found to be promising approach for highly selective nanosensor design. Another strategy exploited during this study was related with an application of cyclodextrins (CDs). Using Raman and SERS spectroscopies the size selective encapsulation of analytes was demonstrated. Finally, taking advantage of molecular identification in the complex environments offered by SERS technique, nanosensors providing non-specific molecular pre-concentration was considered. For this purpose several diazonium salts (DSs) were studied and applied to the surface functionalisation to create highly hydrophobic coating layer. The performance of such nanosensor was evaluated by detection of aromatic pollutants.

Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts. / Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

Ce travail de thèse a porté sur le développement de réseaux de micro- et nanocapteurs opto-électrochimiques pour la bioanalyse. Ils répondent à la demande grandissante dans le domaine de la recherche et du diagnostic pour des outils permettant de réaliser de multiples analyses simultanément avec des échantillons de faibles volumes. Ces nouvelles biopuces de haute densité sont fabriquées à partir de faisceaux cohérents de fibres optiques. Une des deux faces est micro- ou nanostructurée par une attaque chimique, puis fonctionnalisée avec une sonde biologique. La première biopuce est un réseau de nanocapteurs fluorescents à ADN où les sondes ont été immobilisées grâce aux propriétés d’électropolymérisation du pyrrole. La lecture est réalisée à distance au travers du faisceau d’imagerie. En combinant la technique d’immobilisation avec des microleviers électrochimiques, plusieurs sondes différentes ont pu être adressées sur le même réseau nanostructuré. La seconde biopuce permet d’effectuer des immunodosages multiplexés en utilisant l’imagerie électrochimiluminescente résolue à l’échelle d’une microsphère. Le développement de cette technique permet de combiner les avantages de l’électrochimiluminescence avec des immunodosages multiplexés. L’élaboration de ces réseaux allie différentes techniques physico-chimiques, notamment électrochimiques, pour obtenir des biopuces avec un fort potentiel, grâce à une densité et un degré de multiplexage importants. / This work presents the development of optoelectrochemical micro- and nanosensor arrays for bioanalytical applications. These platforms respond to the growing need in research and diagnostic for tools allowing multiple and simultaneous analysis in small-volume samples. These new high density biochips are made from coherent optical fiber bundles: one face is micro- or nanostructured by chemical etching and then functionnalized with biological probes. The first biochip is a fluorescent DNA nanosensor array where probes have been immobilized by electrodeposition of a polypyrrole thin film. The detection of the hybridization is remotely performed through the imaging fiber. Different probes were succesfully addressed onto the same nanostructured array thanks to electrochemical cantilevers. The second biochip allows multiplexed sandwich immunoassays using electrochimiluminescent imaging resolved at the single bead level. In particular, the development of this new readout mechanism allows extending electrochemiluminescent detection for multiplexed immunoassays. Design and implementations of both platforms take advantages of different physical and chemical techniques, especially electrochemical, to obtain biochips with a great potential through high density and high multiplexing level.

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