Les nanomatériaux à base de carbone ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs applications potentielles dans divers domaines. Ces matériaux sont également considérés comme des matrices idéales pour le développement de capteurs/biocapteurs électrochimiques avec une grande sensibilité. Au cours de ce travail de thèse, on a utilisé des nanotubes de carbone alignés verticalement dopés à l'azote (VA-NCNT), des électrodes d’or modifiées avec des nanofibres de carbone/hydroxyde de cobalt (CNFs/Co(OH)2) par dépôt électrophorétique, ou avec des nanoparticules de cuivre /oxyde de graphène réduit (Cu NPs/rGO), ainsi que des électrodes de carbone vitreux modifiées avec des nanoparticules d'or/rGO (Au NPs/rGO), et évalué leurs caractéristiques électrochimiques pour la construction de capteurs/biocapteurs. La modification des électrodes de VA-NCNT avec des aptamères lysozyme a permis une détection sensible (du l’ordre du femtomolaire) de lysozyme dans le sérum. Cette méthode a été appliquée avec succès pour la détection de lysozyme chez des personnes atteintes de la maladie inflammatoire de l'intestin (IBD). Les électrodes d'or modifiés par rGO/Cu NPs et CNFs/Co(OH)2 ont montré un excellent comportement pour l’oxydation électro-catalytique du glucose. Ils ont été utilisés pour la détection non enzymatique du glucose dans des solutions tampons de façon sélective mais aussi pour la détermination du glucose dans le sérum humain. La détection non enzymatique du peroxyde d'hydrogène a également été réalisée sur des électrodes modifiés par rGO/Au NPs, ce dernier a été préparé en utilisant la tyrosine pour la réduction d'oxyde de graphène (GO) et le sel d’Au. / Carbon-based nanomaterials have attracted tremendous interest because of their potential applications in various fields. These materials are also considered ideal matrixes for the development of highly sensitive electrochemical based sensing platforms. In this thesis, vertically aligned nitrogen-doped carbon nanotube (VA-NCNT) electrodes, gold electrodes modified with cobalt hydroxide embedded carbon nanofibers (CNFs/Co(OH)2) through electrophoretic deposition, or copper nanoparticles loaded reduced graphene oxide (rGO/Cu NPs), as well as chemically formed gold nanoparticle decorated rGO (rGO/Au NPs) modified glassy carbon electrodes were developed, and their electrochemical and sensing capabilities were investigated. Modification of VA-NCNT electrodes with lysozyme aptamers resulted in a sensor with femtomolar sensitivity to lysozyme in serum and was successfully applied for the differentiation of healthy patients and inflammatory bowel disease (IBD) affected ones. rGO/Cu NPs and CNFs/Co(OH)2 coated gold electrodes showed excellent electro-catalytic oxidation behavior towards glucose and were employed as non-enzymatic glucose sensors for glucose determination in human serum. Non-enzymatic hydrogen peroxide detection was also achieved on rGO/Au NPs modified electrodes, where the matrix was formed using tyrosine as dual reductant of graphene oxide (GO) and Au salt.

Nous avons synthétisé avec succès ces nano-composés (rGO/Arg-Ag NPs, rGO-Ni NPs and rGO-Co3O4NPs) et les avons caractérisés par de nombreuses techniques, XPS, SEM, TEM, FTIR, Raman, UV-Vis et TGA. Les analyses montrent que ces nano-composés à base de graphène ont des propriétés excellentes et une grande stabilité. Utilisés comme catalyseurs dans des applications environnementales, ils réduisent efficacement le 4-nitrophenol en 4-aminophenol ainsi que les colorants à forte adsorption et le chrome (VI) présents dans les eaux usées. / We successfully obtained these nanocomposites (rGO/Arg-Ag NPs, rGO-Ni NPs and rGO-Co3O4NPs).The resulting rGO-based nanocomposites were characterized by a variety of different techniques, including XPS, SEM, TEM, FTIR, Raman, UV-Vis and TGA. These analysis shows that these graphene-based nanocomposites have excellent properties and stability. The rGO-based nanocomposites, applied as a catalyst in environmental applications and shows good catalytic performance for reduction of 4nitrophenol to 4aminophenol and high adsorption dyes and Cr (VI) from wastewater.

Le graphène et ses dérivées ont suscité un grand intérêt au fil des années en raison de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Pour l'intégration du graphène dans des dispositifs électrochimiques, il est essentiel d'avoir une technique simple, reproductible et contrôlable afin de produire des feuillets de graphène de bonne qualité sur des grandes surfaces. Dans cette optique, l'utilisation d'oxyde de graphène réduit chimiquement (rGO) plutôt que le graphène produit par la technique CVD représente une alternative très prometteuse. Dans cette thèse, nous avons développé différentes approches simples, respectueuses de l'environnement, et contrôlables pour la réduction chimique de l'oxyde de graphène en rGO ainsi que la fonctionnalisation simultanée de la matrice de rGO formée par les agents de réduction utilisés. Les divers agents réducteurs utilisés sont : la tyrosine, l'acide 4-aminophénylboronique (APBA), la dopamine portant une fonction alcyne, et nanoparticules de diamant (ND). Les matrices de rGO ainsi préparées ont été caractérisées par différentes méthodes telles que : XPS, AFM, MEB, FTIR, Raman, UV/Vis et mesures électrochimiques. Les matrices de rGO, déposées sur des électrodes de carbone vitreux (GC), ont ensuite été utilisées pour des applications électrochimiques pour la détection du peroxyde d'hydrogène (en absence d’enzyme), du glucose, et de la L-dopa et carbidopa simultanément. Finalement, les nanocomposites de rGO/NDs ont été utilisés avec succès comme électrodes dans des supercondensateurs, et ont montré une capacité spécifique de 186 F g-1 et une excellente stabilité. / Graphene and its derivatives have attracted tremendous research interest over the years due to their exceptional physical and chemical properties. For the integration of graphene into electrochemical devices, it is essential to have a simple, reproducible and controllable technique to produce high quality graphene sheets on large surfaces. In this respect, the use of chemically derived reduced graphene oxide (rGO) rather than CVD graphene is a promising approach. In this thesis, we have developed simple, environmentally friendly, and controllable approaches for the chemical reduction of graphene oxide to rGO and the simultaneous functionalization of the resulting rGO matrix with the used reducing agents. These techniques are based on the use of tyrosine, 4-aminophenyl boronic acid (APBA), alkynyl-modified dopamine, and diamond nanoparticles (ND) as reducing agents. The robustness of the developed derivatization schemes was evaluated by the post-functionalization of alkynyl-dopamine/rGO with thiolated molecules via a photochemical “click” reaction.The resulting rGO matrices were characterized by a variety of different techniques, including XPS, AFM, SEM, FTIR, Raman, UV/Vis, and electrochemical measurements. The rGO matrices, deposited on glassy carbon (GC) electrodes, have been further used for electrochemical based applications for nonenzymatic detection of hydrogen peroxide, glucose, and simultaneously L-dopa and carbidopa. Furthermore, rGO/NDs nanocomposites have been successfully used as electrode in supercapacitors and exhibited a specific capacitance of 186 F g-1 and excellent long term stability.

Ces dernières années, les énormes progrès réalisés en nanotechnologie ainsi qu’en science des matériaux ont conduit à la préparation de nombreuses nouvelles nanoparticules sans réellement connaître l’ensemble des propriétés associées à leurs dimensions. La première partie de notre travail vise à évaluer les risques et les problèmes associés aux nanomatériaux, en termes de toxicité, en utilisant des nanoparticules de ZnO. Nous avons tout d’abord étudié la capacité de ces nanoparticules à générer des espèces réactives d’oxygènes (EROs) sous irradiation UV en utilisant trois types des quantum dots (QDs) comme modèles, ZnO, ZnO dopé avec des ions Cu2+ et ZnO avec des ions Cu2+ adsorbés à sa surface. Les trois types des QDs ont montré une forte capacité à générer des EROs mais ceux modifiés par les ions Cu2+ en périphérie sont les plus producteurs. Ces QDs inhibent également le plus fortement la croissance de la bactérie E. coli. La toxicité n’est cependant pas dépendante des EROs photo-produits ni du zinc (+2) libéré par les QDs et montre qu’un mécanisme plus complexe doit être considéré. Dans une second partie, nous avons tenté d’améliorer l’activité photocatalytique de nanobâtonnets de ZnO en les associant à de l’oxyde de graphène réduit (rGO). Des nanocomposites ZnO/rGO ont été préparés par voie solvothermale et utilisés pour la phototodégradation du colorant Orange II comme modèle de polluant. Les résultats obtenus montrent que le photocatalyseur ZnO/rGO est très efficace sous irradiation solaire ou visible et qu’il est peu sensible à des variations de pH ou à la présence de perturbateurs dans le milieu. Finalement, le photocatalyseur est très stable et peut être réutilisé plus de dix fois sans perte notable d’activité. / In recent years, tremendous advances in nanotechnology and materials science have led to the synthesis of many new nanoparticles without really knowing all the properties associated with their dimensions. The first part of our work aims to evaluate the risks and problems associated with nanomaterials, in terms of toxicity, using ZnO nanoparticles. We first studied the ability of these nanoparticles to produce reactive oxygen species (ROS) under UV irradiation using three ZnO-based quantum dots (QDs) as models, ZnO, ZnO doped with Cu2+ ions and ZnO with chimisorbed Cu2+ ions at their periphery. The three QDs have a strong capacity of generating ROS but those modified with Cu2+ at their surface were found the be the highest producers. These dots were also found to inhibit more markedly the growth of the E. coli bacteria. The toxicity does neither depend on the amount of photo-generated ROS nor on the amount of Zn(+2) leaked by the QDs, thus indicating that a more complex mechanism should be considered. In a second part, we tried to improve the photocatalytic efficiency of ZnO nanorods by associating these nanomaterials with reduced graphene oxide (rGO). ZnO/rGO composites were prepared by a solvothermal method and applied for the photodegradation of Orange II used as model pollutant. Results obtained demonstrate that the ZnO/rGO photocatalyst is highly efficient under solar and under visible light irradiation and weakly sensitive to pH changes and to the presence of perturbators in the reaction medium. Finally, the photocatalyst is stable and can be reused up to ten times without significant loss of catalytic activity.

Ce travail a pour objet l’étude et le développement d’un capteur électrochimique pour la détection sélective quantitative des analytes biologiques à l’échelle nano. Il se divise en deux parties après une présentation de l’état de l’art sur les maladies nosocomiales et les capteurs électrochimiques. Tout d’abord, nous avons développé un protocole spécifique qui repose sur la fonctionnalisation localisée de la microélectrode de travail par dépôt électrophorétique d'oxyde de graphène réduit/polyéthylènimine (rGO/PEI) pour amplifier le signal de détection. Le microsystème réalisé en salle blanche, a été exploité avec succès pour la détection sélective de la dopamine avec une limite de détection de 50 nM.Ensuite, nous avons utilisé la même plateforme constituée d’électrodes de plus grande taille (mm) pour la réalisation d’un capteur immunologique. Il a démontré son efficacité, de manière spécifique et sélective, pour discriminer la souche sauvage E. Coli UTI89 de UTI89 Δfim (sans opéron), avec une limite de détection de 10 cfu mL−1. En outre, le concept d’utilisation d’une électrode modifiée par rGO/PEI par la modification covalente avec des anticorps pathogènes est général. Il peut être facilement adapté à toute autre espèce pathogène, rendant l’approche générique. Le capteur a donc abouti à des résultats intéressants en milieu aqueux, sérique et urinaire, ce qui est essentiel pour son utilisation potentielle pour le diagnostic clinique des maladies pathogènes. / The purpose of this work concerns the study and development of an electrochemical sensor for both quantitative and selective detection of biological analytes at the nanoscale. It is divided into two parts after a presentation of the state of the art on nosocomial diseases and electrochemical sensors. First, we have developed a specific protocol based on the localized functionalization of the working microelectrode by electrophoretic deposition. The strategy is based on the localizedfunctionalization of the working microelectrode by electrophoretic deposition of reduced graphène oxide / polyethyleneimine (rGO / PEI) to amplify the detection signal. The microsystem built in a clean room has been successfully tested for the selective detection of dopamine with a detection limit of 50 nM. In addition, the microsystem showed good performance in detecting dopamine levels.Then, we have also used the same electrode platform at a larger scale (mm) for the specific and selective detection of the immunological sensor which has demonstrated its effectiveness in distinguishing the UTI89 E. Coli wild-type strain of UTI89 Δfim (without operon), with a detection limit of 10. cfu mL-1. In addition, the concept of rGO / PEI modified electrode by covalent modification with pathogenic antibodies is general and can be easily transposed to any other pathogenic species, making the approach very versatile and generic.The sensor works in aqueous, serum and urinary media, which is essential for its potential use in clinical diagnosis of pathogenic diseases.

L'écotoxicité de différentes nanoparticules de carbone (NPC) a été évaluée chez des organismes aquatiques, en particulier chez Xenopus laevis. Il a été montré que la surface des NPC est le paramètre le plus pertinent pour décrire l'inhibition de croissance chez le xénope, indépendamment de leur forme allotropique et de leur état de dispersion. L'induction des micronoyaux a aussi été étudiée chez le xénope, et l'oxyde de graphène (GO) s'est révélé génotoxique à faible dose, résultat corroboré par l'étude de l'expression des gènes. Les mécanismes de toxicité impliqués seraient notamment liés aux fonctions oxygénées de la particule. De plus, le GO a aussi entrainé de la génotoxicité chez Pleurodeles waltl. et de la tératogénicité, des retards de développement et de l'inhibition de croissance chez Chironomus riparius. La mise en interaction de ces organismes au sein d'un mésocosme a également conduit à l'observation de génotoxicité chez le pleurodèle en présence de GO. / The ecotoxicity of different carbon-based nanoparticles (CNPs) was assessed in freshwater organisms, especially in Xenopus laevis. The surface of the CNPs was shown to be the more relevant parameter to describe the growth inhibition in Xenopus, regardless of their allotropic form and their state of dispersion. Micronucleus induction was also studied in Xenopus and graphene oxide (GO) was found genotoxic at low dose. This result was in compliance with the study of genes expression. The involved toxicity mechanisms would be related to the oxidized functions of the CNP. Moreover, GO was also found responsible for genotoxicity in Pleurodeles waltl. and for teratogenicity, development delay and growth inhibition in Chironomus riparius. These organisms have finally been put together in a mesocosm, which has also led to genotoxicity in Pleurodeles in the presence of GO.