Le développement important de la chimie haut-débit, rendu possible par l'avènement de la microfluidique, apporte des besoins croissants en méthodes de caractérisation rapides et ne nécessitant que des volumes d'échantillons réduits. Ces travaux de thèse ont permis de développer un dispositif à ondes acoustiques de surface associé à une puce microfluidique dans le but de caractériser les propriétés rhéologiques de fluides complexes. À partir de volumes de l'ordre du microlitre, des phénomènes tels que l'apparition d'enchevêtrements dans des polymères en solution ont pu être observés. Une méthode de caractérisation du module de rigidité transverse complexe a également été développée, permettant d'envisager la conception d'un micro-rhéomètre à ondes acoustiques.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l'Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage).

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l’Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage). / These works have been funded by "la Région Aquitaine" as part of the projects ASCOBAR (2007-2009) and OSQUAR (2009-2011). They have been done in the IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) with the collaboration of two others laboratories.The main goal was to create a guided transverse horizontal acoustic wave (Love wave) platform for specific detection of phycotoxins, responsible of shellfish poisoning. The microfluidic chip integrated into this platform allows control of the sample flow above the sensitive surface while saving biological liquid consumption.Detection tests have been done with the collaboration of the "Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie" (Université Bordeaux 2). The sensitive surface was made of antibodies, created from a hapten made with a mimotope synthesized by "l'Institut des Sciences Moléculaires" (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255). This mimotope is a molecule part which is common to a family of amnesic phycotoxin (ASP).Thanks to the synergistic efforts of this consortium and development of specific detection protocols, results can discriminate poisonous samples at sanitary threshold, that is, containing 0.2 ppm of okadaic acid, 20 ppm of domoic acid (200 ng of domoic acid into only 10 mg of shellfish flesh).

Mes actions de recherche portent sur l'étude des microcapteurs à ondes acoustiques et des systèmes les mettant en oeuvre. Ce mémoire décrit plus spécifiquement les actions que j'ai entreprises au laboratoire IMS en vue de l'application de cette technologie à la détection en milieu liquide, et plus précisément à la biodétection rapide sur site, nouveau volet de recherche dont j'assure l'animation scientifique depuis 2000.<br />Les dispositifs à ondes acoustiques pourraient être dans certains cas à la base d'un système efficace de détection précoce, avec des avantages notamment en termes de sensibilité, de rapidité, de possibilité d'intégration (du capteur mais également de l'ensemble de la chaîne de détection, de l'échantillonnage à la délivrance d'une information explicite sous forme électronique) et d'adaptabilité à un grand nombre d'applications, liée au caractère générique d'une transduction fondée notamment sur un effet de masse. Un système multicapteur associant des détecteurs sensibles et présentant une bonne sélectivité permettrait de réaliser des dosages en présence d'une matrice complexe, donc d'un échantillon ayant subi une préparation moins longue. <br />Le chapitre 1 présente une problématique du biocapteur, couvrant les principaux choix technologiques proposés commercialement ou dans la littérature pour la réalisation d'un tel élément : le biorécepteur, son immobilisation, et la technique de transduction. Il se terminera par un bilan et une présentation de l'orientation de nos travaux par rapport à ces différents éléments.<br />Dans les chapitres 2 à 4 sont synthétisés nos travaux théoriques et expérimentaux contribuant à l'étude de microcapteurs à ondes acoustiques visant la biodétection rapide sur site. Le chapitre 2 expose notre cheminement sur l'étude des transducteurs, d'un dispositif classique à ondes de Rayleigh aux dispositifs à ondes de Love. Le chapitre 3 concerne la plate-forme de test et l'application en milieu liquide. Enfin le chapitre 4 décrit nos travaux relatifs à l'application de ces dispositifs pour réaliser un biodétecteur, à partir d'une réaction immunologique de type antigène-anticorps.<br />Une dernière partie nous permet de conclure et de présenter notre programme de recherche dans ce domaine, programme intimement lié aux autres travaux de recherche sur les microcapteurs à ondes élastiques, mais aussi à microstructures mobiles, menés au sein de l'équipe et visant d'autres applications, comme la détection en milieu gazeux, ou la caractérisation de matériaux.

Depuis plusieurs décennies, les biocapteurs connaissent un développement croissant de par leurs champs d'applications. Dans ce contexte, au travers d'une approche pluridisciplinaire, nous avons conçu une cellule de mesure et des puces microfluidiques en polymère PDMS, qui, couplées à des immunocapteurs à ondes de Love, constituent une plateforme pour la détection rapide de bio-organismes. Cette nouvelle plateforme a permis la détection directe et spécifique d'anticorps et de bactéries Escherichia Coli entières vivantes. Elle a également permis de diminuer significativement le temps de détection (de plusieurs heures à quelques minutes), de simplifier les protocoles de test, et d'introduire la "composante dynamique" proche des phénomènes biologiques. La spécificité de la détection résidant dans la fonctionnalisation de surface du capteur, cette plateforme peut s'adapter à la détection d'un spectre très large de bioorganismes ou de composés en milieu liquide.

Ce travail a pour objectif de développer de nouveaux microcapteurs à onde acoustique de surface (SAW) capables de détecter le dioxyde de souffre (SO₂) à l’échelle de traces par l’intermédiaire d’une couche sensible à base d’un polymère fonctionnel. Une famille originale de cinq polyuréthaneimides (PUIs) à blocs contenant un nombre contrôlé de sites amines tertiaires de structures différentes a été synthétisée et caractérisée. Ces matériaux présentent des propriétés originales, en solution et à l’état solide, qui sont dues essentiellement à la présence des sites basiques et à la structure à blocs associant des blocs souples polyéthers et des blocs rigides en partie fluorés. Leur excellent caractère filmogène a permis leur application en tant que couche sensible au SO₂ sur des microcapteurs SAW. Deux structures de microcapteurs à onde de Love, bicouche et tri-couche, ont été développées en respectant les conditions de génération de l’onde. La structure bicouche comporte le Quartz-ST 90° comme substrat et l’un des PUIs joue le double rôle de couche guidante et sensible. Cette structure génère bien l’onde de Love mais elle présente une forte sensibilité à la température, inconvénient majeur pour les capteurs de gaz. L’ajout d’une couche guidante à base de ZnO, dans une structure tri-couche, a permis de rendre le dispositif peu sensible à la température et donc compatible avec l’application visée. Les résultats des tests de détection du SO₂ montrent que tous les PUIs étudiés contribuent à une amélioration de la sensibilité comparativement au dispositif sans couche polymère. La présence des sites amines tertiaires conduit à une amélioration importante de la sensibilité qui n’est pas seulement gouvernée par leur basicité mais également par leur encombrement stérique dont le rôle apparaît déterminant / This work aimed at developing new surface acoustic wave (SAW) microsensors capable of detecting traces of sulfur dioxide (SO₂) through a sensitive layer based on a functional polymer. An original family of five polyurethaneimide (PUI) block copolymers containing a controlled number of tertiary amine sites with different chemical structures was synthesized and characterized. These materials exhibited original properties in solution and solid state, which were mainly due to the presence of the basic sites and the block structure combining polyether soft blocks and partially fluorinated hard blocks. Their excellent film-forming character allowed their application as SO₂ sensitive layers on SAW microsensors. Two bi-layer and three-layer structures of Love wave microsensors were developed by respecting the conditions of the Love wave generation. The bi-layer structure included the Quartz ST-90° as the piezoelectric substrate and one of the PUIs acting as both guiding and sensitive layer. This structure generated the Love wave but its high sensitivity to temperature was a major drawback for gas sensors. The addition of a ZnO guiding layer in a three-layer structure led to a microsensor almost insensitive to temperature and thus compatible with the targeted application. The experimental results for SO₂ detection showed that all the PUIs contributed to improve the sensitivity compared to the device without polymer layer. The presence of tertiary amine sites led to a significant improvement in gas sensitivity which was not only governed by their basicity but also by their steric hindrance which played a determining role

Notre projet vise la conception d’un biocapteur ultra-sensible à base de bactéries pour la détection de métaux lourds (contrôle environnemental). Ces travaux concernent le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à une puce microfluidique et fonctionnalisés par des bactéries Escherichia coli immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer » . L’ étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et de son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers le suivi en temps réel par le capteur acoustique, ainsi que par microscopie à force atomique en milieu sec ou liquide.Des seuils de détection inférieurs à 10-12M en quelques minutes ont été observés. / Our works aim the study of an ultra-sensitive bacteria-based biosensor for the detection of heavy metals (environmental control). They include the development of impedimetric and of Love acoustic wave devices, both associated with a microfluidic chip and functionalized with Escherichia coli immobilized on a polyelectrolyte multilayer deposited by the method "Layer by Layer." The theoretical study of physico-chemical interactions and biological phenomena involved during the steps of functionalization of the sensor surface, and during its application to the detection of cadmium and mercury, is also addressed through the real-time monitoring by the acoustic sensor and by atomic force microscopy in air or liquid medium. Detection threshold better than10-12M within only a few minutes have been observed.

Notre projet vise la conception d'un biocapteur ultra-sensible à base de bactéries pour la détection de métaux lourds (contrôle environnemental). Ces travaux concernent le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à une puce microfluidique et fonctionnalisés par des bactéries Escherichia coli immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode " Layer by Layer " . L' étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et de son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers le suivi en temps réel par le capteur acoustique, ainsi que par microscopie à force atomique en milieu sec ou liquide.Des seuils de détection inférieurs à 10-12M en quelques minutes ont été observés.