Esta tese apresenta os achados e avanços obtidos na fabricação, caracterização e aplicação de pontas de prova eletroquímicas multifuncionais para a obtenção de informações eletroquímicas resolvidas no espaço em diversas superfícies/interfaces por meio de técnicas de microscopia de varredura de ponta de prova eletroquímica (SEPM, em inglês). Diferentes designs de pontas de prova multifuncionais foram investigados e, devido a natureza não convencional destas, novos métodos para fabricação e caracterização foram desenvolvidos. Os benefícios da utilização de pontas de prova multifuncionais para a obtenção de informações eletroquímicas resolvidas no espaço ficaram evidente durante a realização de experimentos \"prova de conceito\", onde a maior densidade de informação obtida permitiu o estudo de sistemas mais complexos e a aquisição de informações eletroquímicas livre de interferência topográfica mesmo em superfícies não planas. A hibridização de diferentes técnicas de microscopia de varredura de ponta de prova eletroquímica em uma única ponta de prova também foi investigada o que se provou extremamente útil para a aquisição de imagens eletroquímicas de alta resolução, livres de influências topográficas, quando utilizada a técnica de microscopia de condutividade iônica (SICM, em inglês) como sensor de topografia do substrato investigado. Por ultimo, uma nova técnica, baseada na microscopia de condutividade iônica, que se utiliza de pontas de prova eletroquímicas multifuncionais fabricadas a partir de uma nanopipeta de um único canal, foi desenvolvida. Esta nova técnica se mostrou extremamente ponderosa, capaz de obter informações a respeito da topografia e mapear sítios ativos sobre um substrato utilizando uma nanopipeta de um único canal com alta resolução especial e temporal a uma taxa de aproximadamente 4000 pixels por Segundo. / This thesis presents the findings and advances made on fabrication, characterization and application of multifunctional electrochemical probes to acquire space resolved electrochemical information on diverse surfaces/interfaces employing Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM) techniques. Different multifunctional probes designs were investigated and new and innovative methods for fabrication and characterization of those probes were developed, which was necessary due to the unconventional nature of most of the probes studied. The benefits of using multifunctional probes for space resolved electrochemical measurements was clear during \"proof-of-concept\" experiments, where the increased density of information allowed the study of complex systems and the acquisition of topography-free electrochemical information of rough surfaces. The hybridization of different SEPM techniques in a single probe tip was also investigated, and this was found to be extremely beneficial, especially for acquiring high-resolution, topography-free, electrochemical images employing Scanning Ion Conductance Microscopy as a topography feedback. Finally, a new SICM technique, based on the use of a multifunctional probe tip fabricated from a single barrel nanopipette, was developed. This new technique was found to be extremely powerful, capable of acquiring information on topography and map active sites over substrates using a single barrel pipette with high spatial and temporal resolution at a rate of approx. 4000 pixels per second.

" Because technology provides the tools and biology the problems, the two should enjoy a happy marriage ! "1 . Cette phrase resume parfaitement l'esprit du projet qui a motive ces travaux de these. En effet, le couplage des biotechnologies et des micro et nano technologies, resume sous le vocable < Nanobiotechnologies > est une activite en plein essor qui laisse presager de nombreuses applications en particulier dans le domaine de la biodetection. Lobjectif principal de ces travaux est dedie au developpement de strategies d'adressage de biomolecules a l'echelle nanometrique pour des applications de biodetection. Le premier aspect de ce travail est d'ordre technologique. Il concerne la fabrication de dispositifs d'adressage bases sur des reseaux de nanoelectrodes planaires. En utilisant un procede reposant sur lutilisation de la lithographie electronique haute resolution sur un microscope TEM/STEM, nous avons pu demontrer la fabrication de dispositifs a base de nanoelectrodes presentant des espaces inter-electrodes controlables entre 100 et 15nm. Une technique de lithographie alternative, la Nano-Impression est egalement presentee comme une solution possible a la replication de nanodispositifs fabriques par lithographie electronique. La deuxieme partie des travaux est dediee a la mise en place dun schema de detection de nanoparticules que nous avons developpe autour de dispositifs bases sur des reseaux delectrodes inter-digitees. Avant de nous interesser a l'utilisation de ces dispositifs pour une application biologique, nous avons etudie leur reponse electrique vis-a-vis de l'absorption de nanoparticules d'Or par interaction electrostatique. Les premiers resultats obtenus montrent que le schema de detection permet d'atteindre un niveau de sensibilite ultime au travers d'une mesure directe de la conductance des dispositifs. Certaines experiences montrent en effet la possibilite de mesurer electriquement l'adsorption d'une seule nanoparticule. Enfin, la derniere partie de ces travaux est dediee a l'adaptation de ce protocole pour la detection de biomolecules fonctionnalisees par des nanoparticules d'Or. Pour cela, nous avons employe une approche simple basee sur un systeme de reconnaissance entre une molecule cible et une molecule sonde. Ce schema a ete applique a la detection d'interaction antigene/anticorps et nous a permis de transcrire la selectivite de la reconnaissance entre les anticorps dans le depot des nanoparticules qui se traduit par une modification importante de la conductance du dispositif. Les possibilites d'integration ainsi que la compatibilite des dispositifs avec des systemes de microfluidique rendent ce schema de detection particulierement adapte pour le developpement d'un systeme integre de biodetection a tres haute sensibilite. 1 S. Fields, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol 98, pp 10051-10054 (2001)

Tato práce se zabývá vývojem platforem na bázi křemíkového substrátu pro selektivní integraci polovodivých nanostruktur oxidu kovu (MOX) a jejich použití v perspektivních mobilních zařízeních jako vysoce citlivé a selektivní prvky pro detekci analytů plynů. Polovodičové nanostruktury MOX, například nanodráty, prokázaly lepší schopnosti pro snímání plynů včetně citlivosti, stability a do jisté míry také selektivity, ve srovnání s jejich protějšky na bázi vrstev. Rovněž použití jednoho (nebo několika) nanodrátů zapojených paralelně se ukázalo jako ideální architektura pro dosažení dobře definovaného vodivého kanálu snadno modulovatelného interakcemi na přechodu plynná-pevná látka. Dosavadní způsoby integrace struktur na bázi jednoho nanodrátu do funkčních zařízení však stále představují technologickou výzvu, protože většina metod vyžaduje asistenci technik, jako je soustředěný iontový paprsek (FIB), který omezuje škálovatelnost a zvyšuje náklady a čas výroby. V této souvislosti je práce zaměřena na optimalizaci technologických procesů pro výrobu systémů založených na elektrodových polích s jedním polovodivým nanodrátem. V této práci byly vyvinuty tři verze elektrodových platforem pro selektivní integraci jednoho nanodrátu z MOX materiálu citlivého na plyn. Jako klíčové technologie výroby byly použity nejmodernější vícestupňové výrobní postupy a litografie s využitím elektronového paprsku (nanofabrikace), které umožňují vývoj elektrodových polí s přímými nanoelektrodami, ale i dalších funkčních nanostruktur. Výsledky demonstrují výrobu elektrodové platformy s přímými nanoelektrodami (šířky 100–300 nm), na kterých se nachází úzká dielektrická okna s šířkou blízké průměru nanodrátu (přibližně 100–200 nm). Tyto nanoelektrody byly použity jako mechanická podpora pro zarovnání jednoho nanodrátu a rovněž jako elektrické kontakty pro měření elektrické změny nanodrátu během detekování plynu. Výsledky také zahrnují optimalizaci technik pro odstraňování a opětovné nanášení nanodrátů pro dosažení jedno nanodrátových propojení v poli paralelních elektrod pomocí střídavého elektrického pole jako jednoduché a účinné metody pro zarovnávání nanodrátů (dielektroforéza). Ověření těchto systémů vůči různým plynným látkám (oxidačním a redukčním plynům) bylo provedeno za použití nefunkcionalizovaných a Pt-funkcionalizovaných WO3 nanodrátů syntetizovaných pomocí aerosolové chemické depozice par (AACVD) a topného prvku na bázi tlusté vrstvy na korundové keramice (s provozní teplotou 250 °C), sestaveného spolu s elektrodovou platformou na pouzdru TO-8. Snímací vlastnosti takových systémů vykazovaly lepší citlivost v odporovém režimu na oxid dusičitý (NO2) a ethanol (EtOH) než jejich protějšky využívající nanodrátových filmů. Poslední verze systému pro snímání plynu vyvinutého v této práci (popsaná jako třetí generace čipů) obsahuje třetí izolovanou elektrodu zabudovanou (utopenou) pod citlivým nanodrátem pro zvýšení detekční schopnosti snímání plynu. Testy odezvy na vodík (H2) a oxid dusičitý (NO2) potvrdily zvýšenou funkčnost tohoto systému modulující odezvu senzoru pomocí externího elektrického napětí na utopené elektrodě.

Diese Arbeit präsentiert eine einfache eine einfache, auf Photolithographie basierende Methode zur Darstellung einer isolierten Graphenkante (oder GrEdge) einer Monolage als Nanoelektrode auf einem isolierenden Substrat vorgestellt. Trotz ihrer Millimeter-Länge verhält sich die nur einen Nanometer breite GrEdge-Elektrode wie ein Nanodraht mit einem hohen Seitenverhältnis von 1000000 zu 1. Des Weiteren wird der Einsatz von elektrochemischer Modifikation (ECM) demonstriert, um die GrEdge selektiv mit Metall-Nanopartikeln und organischen Schichten nicht-kovalente oder kovalente zu funktionalisieren, wodurch die Chemie der Kante verändert werden kann. Durch die Anbringung von Metall-Nanopartikeln kann zusätzlich oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genutzt werden, um die chemische Beschaffenheit sowohl der unberührten als auch der funktionalisierten GrEdge zu charakterisieren. Die GrEdge weist sehr hohe Mass-entransportraten auf, was charakteristisch für Nanoelektroden ist. Dementsprechend wird die voltammetrische Antwort von der Kinetik des heterogenen Elektrontransfers (HET) diktiert. An der GrEdge-Elektrode werden hohe HET-Raten beobachtet: mindestens 14 cm/s für Außensphäre sonde Ferrocenmethanol (FcMeOH) mit einem quasi-Nernst'schen Verhalten und 0,06 cm/s oder höher für innere Sphäre sonde Ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) mit einer kinetisch kontrollierten Reaktion. Nach der selektiven Modifikation der Kante mit Goldnanopartikeln erweist sich der HET als reversibel, mit einer massentransportbegrenztes Nernst‘sches Verhalten aufweisen für beide Redoxmoleküle. Darüber hinaus ermöglicht die schnelle HET-Kinetik die Detektion der reduzierten Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) mit niedrigen Ansatzpotentialen und hinunter bis zu niedrigen mikromolaren Konzentrationen. Entsprechend verbessert die vorliegende Arbeit das Verständnis der Kante von Graphen und deren Chemie. / This thesis presents a simple photolithography-based method to realize the isolated monolayer graphene edge (or GrEdge) nanoelectrode on an insulating substrate. The millimeter-long and a nanometer-wide GrEdge is found to behave like a nanowire with a high aspect ratio of 1000000-to-1. Further, the use of electrochemical modification (ECM) is demonstrated to selectively functionalize the GrEdge with metal nanoparticles and organic moieties in a non-covalent/ covalent manner to tune the chemistry of the edge. The attachment of metal nanoparticles was used to exploit surface-enhanced Raman scattering (SERS) to characterize the chemistry of both the pristine and the functionalized GrEdge. The GrEdge electrodes were found to exhibit very high mass transport rates, characteristic of nanoelectrodes. Accordingly, the voltammetric response is found to be dictated by the kinetics of heterogeneous electron transfer (HET), attributed to the nanoscale geometry and a unique diffusional profile at such electrodes. At the GrEdge electrode, high HET rates are observed: at least 14 cm/s for outer-sphere probe, ferrocenemethanol (FcMeOH) with a quasi-Nernstian behavior; and 0.06 cm/s or higher for inner-sphere probe, ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) with a kinetically controlled response. Upon selective modification of the edge with gold nanoparticles, the HET is found to be reversible, with a mass-transport-limited Nernstian response for both probes. Furthermore, the fast HET kinetics enables the sensing of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD) with low onset potentials and down to low micromolar concentrations. Hence, this thesis improves the understanding of the edges of graphene and their chemistry. It also realizes isolated GrEdge as a new class of nanoelectrode which forms an important basis within the fields of fundamental electrochemistry and analytical sciences.