Neste trabalho estão apresentadas novas estratégias para funcionalizar superfícies de ouro baseadas na sustentação de bicamadas lipídicas em superfícies de sensores de imagem por Ressonância de Plasmons de Superfície (SPRi) e a construção de um biosensor para detecção de citocromo c. SPRi é uma técnica ótica de gravimetria em tempo real. Por meio de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface, a adsorção e desorção de moléculas podem ser mensuradas. Inicialmente testamos várias estratégias para encontrar um suporte adequado que se ligasse na superfície de ouro e que oferecesse sustentação e estabilidade para a bicamada de fosfolipídeo biotinilado. Estudos de FT-IR e MEV mostraram que a quitosana facilita a formação de uma bicamada íntegra de fosfolipídeos, de tal modo, que a mesma alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, ~ 34,5 Å. Além disso, mostramos que esse sistema apresenta vantagens perante outros modelos, tais como, (poli-lisina/fosfolipídeos) e (tiol hidrofóbico/fosfolipídeo). Utilizando-se o complexo químico biotina/estreptoavidina conseguimos imobilizar o anticorpo anti cit c na bicamada, mantendo-o afastado da superfície de ouro. A construção do biosensor foi acompanhada com experimentos de SPRi. O limite de detecção de citocromo c atingido foi de 10-11mol/L. Um sensor construído somente com BSA e anticorpo anti cit c apresentou sensibilidade semelhante. Esta sensibilidade é em torno de três ordens de grandeza superior aos experimentos de imunoblotting usualmente utilizados para detecção de cit c. A principal limitação deste biosensor, tal como de outros imunoensaios, está intimamente ligada às vantagens e desvantagens dos anticorpos como ferramentas analíticas. / In this work we developed new strategies to functionalize gold surfaces based on the support of lipid bilayers on the surfaces of surface plasmon resonance imaging sensors (SPRi) and the construction of a biosensor for detection of cytochrome c. SPRi is an optical gravimetric real time technique. Through measurements of changes in refractive index (n) in close proximity to an interface, the adsorption and desorption of molecules can be measured. Initially we tested several strategies for finding a suitable medium that would adsorb on the gold surface and also support and stabilize a biotinylated phospholipid bilayer. Studies of FT-IR and SEM showed that chitosan induces the formation of an intact phospholipid bilayer, so that it reaches thickness values close to those expected, ~ 34.5 Å. Furthermore, we showed that this system has advantages in relation to other models, such as (poli-lisine/phospholipids) and (thiol hydrophobic / phospholipid). Using the chemical complex biotin/streptavidin anti cyt c antibody could be immobilized in the bilayer, keeping it away from the gold surface. The construction of the biosensor was accompanied with SPRi experiments. The limit of detection of cytochrome c was achieved from 10-11mol / L. A sensor built only with BSA and anti cyt c showed similar sensitivity. This sensitivity is about three orders of magnitude higher than the immunoblotting experiments commonly used for detection of cyt c. The main limitation of this biosensor, like in other immunoassays, is linked to the advantages and disadvantages of antibodies as analytical tools.

Nanopartículas de prata foram preparadas pela redução química de íons prata (AgNO3) por borohidreto de sódio (NaBH4) na presença de poli-(N)-vinil-2-pirrolidona em solução de álcoois de cadeia curta. As nanopartículas de prata apresentaram maior estabilidade em 2- propanol, e o diâmetro aproximado das nanopartículas Ag0 obtidas neste solvente é de aproximadamente 6 nm. As propriedades fotofísicas dos corantes coumarinas e derivados de acridina, em 2-propanol, são afetados pela presença das nanopartículas de prata. A interação das nanopartículas de prata com os derivados de acridina leva a uma mudança espectral da banda de absorção de transferência de carga intramolecular ´ICT - intramolecular charge transfer´. Para dois dos derivados de acridina, há um aumento significativo de emissão com a adição inicial de nanopartículas de Ag0. Mas em altas concentrações de nanopartículas de prata, ocorre supressão estática de fluorescência, com uma progressiva diminuição da eficiência de fluorescência. A intensidade de fluorescência das amino coumarinas é somente suprimida pela presença de nanopartículas de prata em solução. / Silver nanoparticles were synthesized by chemical reduction of silver ions by sodium borohydride in the presence of poly-(N)-vinyl-2-pyrrolidone in solution of short chain alcohols. The nanoparticles are stable in 2-propanol, and the average diameter of the Ag colloid obtained in this solvent is about 6 nm. The photophysical properties of acridinium and coumarin dyes in 2-propanol are affected by the presence of silver nanoparticles. The interaction of silver nanoparticles with acridinium derivative leads to a spectral change of its intramolecular charge transfer (ICT) absorption band. The dye emission increases suddenly with the initial addition of the Ag metal nanoparticles, but at a high concentration of the colloid, static fluorescence quenching occurs with a progressive decrease of the fluorescence efficiency. Amino coumarin fluorescence is only quenched by the silver nanoparticles in solution in the concentration range used.

Recent advances in nanofabrication techniques have opened up new avenues and numerous possible applications in both nanoscale electrochemistry and analytical nanoscience by enabling the fabrication of reproducible nanoelectrodes with different new geometries. Nanoelectrodes exhibit advantages including enhanced mass transport, higher current densities, improved signal-to-noise ratios, and lower ohmic drop. In this dissertation, the use of nanoelectrodes in the electrochemical response properties investigations or in the spectroelectrochemical studies is the unifying factor among all the chapters. First (in Chapter 4), we presented a direct comparison between the electrochemical characteristics of two finite nanoelectrodes arrays with different geometries: 6 × 6 recessed nanodiscs and nanorings microarrays. Using computational methods, it was demonstrated that the electrode geometry’s parameters have a drastic influence on the mass transport properties of the nanoelectrodes. The results presented here are the first combination of experimental and numerical studies that elucidate the transport on nanoring electrode arrays. The comparison of the electrochemical behavior between nanostructures using full 3D simulations is also unique. Second, we have provided a comprehensive numerical study on the redox cycling performance properties of a 6 × 6 recessed nanorings-ring electrode array configuration. The simulation results were in good agreement with the experimental data. After validating the model against experiments, a comprehensive computational investigation revealed avenues to optimize the performance of the structure in terms of geometric parameters and scan rates. The second half of this dissertation is comprised of the spectroelectrochemical studies. The combination of surface plasmon resonance with electrochemistry presents new paths to investigateredox reaction events at the electrode surface since it brings an additional dimension to the classical electrochemical approaches. Third, we have reported a novel active plasmonic device based on a new switching mechanism for the nanohole electrodes array to bridge between photonics and electronics at nanoscales. The inner surfaces of the nanohole electrodes in the array were coated with an electroconductive polymer, polypyrrole, (PPy). Then, it was shown that light transmitted through the PPy- modified nanohole electrodes can be easily tuned and controled by applying an external potential. We were also able to switch on and off the transmitted light intensity through the modified nanohole arrays by potential steps, demonstrating the potential of this platform to be incorporated into optoelectronic devices. Finally, we have fabricated larger area plasmonic periodic nanopillar 3D electrodes using a rapid, high-throughput, and cost-effective approach: the laser interference lithography. Then, the electrochemical behavior of these electrodes was investigated both experimentally and computationally. The properties were ‘compared with a flat electrode with an equivalent geometric area. Afterward, we have successfully probed the changes in the concentration of a reversible redox pair near the electrode surface induced by various applied potentials, in an in-situ EC-SPR experiment. / Graduate

La désadénylation des ARNm fait intervenir les complexes de désadénylation PAN2-PAN3 et CCR4-NOT-TOB mais aussi le complexe de terminaison de la traduction eRF1-eRF3. Ces trois complexes ont la capacité d'interagir avec la protéine PABP. Cependant, le rôle d'eRF3 n'est pas clairement établi. Il a été décrit que les facteurs eRF3, PAN3 et TOB sont en compétition pour l'interaction avec PABP et qu'il y a un couplage entre la terminaison de la traduction et la désadénylation assuré par eRF3. Chez l'homme, le gène eRF3/GSPT1 présente 5 formes alléliques qui diffèrent par le nombre de répétitions de codons GGC à l'extrémité 5' du cadre de lecture (7, 9, 10, 11 et 12-GGC). Une corrélation entre l'allèle 12-GGC et le risque de développement de cancer du sein et de l'estomac a été mis en évidence. Notre objectif est (i) d'améliorer notre compréhension du rôle d'eRF3 dans le processus de couplage traduction-dégradation des ARNm, (ii) de comprendre l'effet du polymorphisme de la région N-terminale d'eRF3 sur son interaction avec PABP. A travers la méthode de résonnance plasmonique de surface (SPR), nous montrons que l'affinité de la forme allélique 12-GGC est 10 fois plus faible que celle d'eRF3a (10-GGC). Cette différence est essentiellement due à la plus faible association de la forme 12-GGC avec PABP. La plus faible affinité de la forme 12-GGC d'eRF3 entrainerait une dérégulation de la désadénylation au moins pour certains ARNm et pourrait ainsi promouvoir la prolifération cellulaire et la carcinogenèse. La région N-terminale d'eRF3 contenant la répétition de glycine joue un rôle crucial dans l'interaction eRF3-PABP, dans la désadénylation et donc dans la stabilité de l'ARNm. / The mRNA deadenylation involves the deadenylation complexes PAN2-PAN3 and CCR4-NOT-TOB and the translation termination complex eRF1-eRF3. All three proteins, eRF3, PAN3 and TOB, interact with the PABP protein. However, the role of eRF3 is still unclear. It has been reported that eRF3, TOB and PAN3 compete for the binding to PABP. Recently, it has been suggested that eRF3 may regulate mRNA deadenylation in a translation termination-coupled manner. In human, the gene eRF3/GSPT1, contains a trinucleotide GGC repeat in its 5’ end which lead to 5 allelic forms of the gene. There are five known alleles of this gene (7, 9, 10, 11 and 12-GGC). A strong correlation between the longest allele (12-GGC) and gastric and breast cancer development has been reported. Our project was (i) to improve our understanding on the role of eRF3 in the coupling of mRNA deadenylation with translation termination, (ii) to understand whether the GGC repeat polymorphism of eRF3 influences eRF3-PABP interaction. The kinetic measurements of eRF3-PABP interaction obtained by Surface Plasmon Resonance (SPR) show that the affinity of the allelic 12-GGC form is 10 fold lower than that of eRF3a (10-GGC). This decrease is mostly due to difference in the association rate of the complex. The weaker affinity of the 12-GGC allelic form may result in a deregulation of deadenylation, at least for some mRNAs, and thus, could promote cell proliferation and carcinogenesis. In fine, we show that the N-terminal region of eRF3 containing the glycine expansion plays a key role in the eRF3-PABP interaction, in the deadenylation process, and hence, in mRNA stability.

This dissertation describes the purification and partial characterization of CBP from the epidermis of the monarch butterfly larvae (Danaus plexippus). A yellow protein-carotenoid complex was extracted from the yellow pigmented epidermal tissue from monarch butterfly larvae by homogenization. Additional steps in the purification process included differential precipitation with ammonium sulfate, cation and anion chromatography, and lastly size exclusion chromatography. Polyacrylamide gel electrophoresis demonstrates that a single protein was isolated (M-LBP) having a ~60 kDa molecular weight, the value has subsequently been confirmed by HR-tandem MS. Lutein is the sole carotenoid bound by M-LBP with a stoichiometry of the binding of 2: 1. Immunohistochemistry results show that M-LBP has no cross-reactivity to antibodies for silk worm CBP (Bombix mori) but does have cross-reactivity with antibodies for horn worm epidermal CBP (Agrius convolvuli). Binding affinities were determined using surface plasmon resonance for the carotenoids lutein (KD = 18.6 ± 0.7), R,R-zeaxanthin (KD = 990 ± 60), R,S-zeaxanthin (KD = 60 ± 2). Tryptophyphan fluorescence lifetimes were determined for the apoprotein and compared to those of the native M-LBP. Tryptophan fluorescence lifetimes were found to be 3.9 ns and 3.0 ns, respectively for these two forms of the protein, indicating that upon dissociation of the carotenoid from the protein the tryptophan fluorophore adopts a position where it has less interaction with the polar surface environment.

L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavité / The market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode

Les systèmes optiques intégrés ont été largement utilisés dans la détection et la caractérisation de substances biochimiques. Aussi, le développement de nouvelles technologies permettant la fabrication de structures intégrées à l’échelle nanométrique, ouvre un horizon dans la conception d'une nouvelle génération de capteurs biochimiques. Sur la base de plasmons de surface localisés, au cours des dernières années ont été proposés différentes configurations de systèmes optiques pour concentrer le champ électromagnétique dans une petite région de l'espace, ce qui favorise son interaction avec des substances biochimiques. En utilisant la méthode modale de Fourier, dans la présent thèse est présentée une analyse exhaustive de la propagation des modes dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques intégrés avec une guide d'ondes diélectrique. Deux géométries des nanoparticules ont été étudiées: des réseaux périodiques de nanofils et de nanocônes métalliques. Il est démontré que pour les nanocônes métalliques le champ optique est fortement exalté au sommet des nanocônes quand ils sont excités à leur résonance LSP via une guide d'onde diélectrique. Pour valider les résultats numériques, on a fabriqué et caractérisé expérimentalement un réseau périodique de nanofils d’or placée sur une guide d’onde à échange d’ions. La caractérisation de l'échantillon a été réalisée dans le champ lointain en mesurant des spectres de transmission et dans le champ proche en utilisant la microscopie en champ proche optique de balayage (NSOM). Les résultats obtenus montrent que les dispositifs intégrés plasmoniques proposées peuvent être appliquées dans la détection de substances biochimiques / Localized surface plasmons (LSP) are used to control and concentrate the electromagnetic field in small volumes of matter. This is a very interesting property in the context of biophotonics. Indeed, it allows an enhancement of the light-matter interaction at the cell scale, or even at a single molecule scale. The technological challenge is to propose optical devices able to efficiently couple light into localized plasmonic modes and to improve the detection of signals resulting from the interaction between the confined light and the analyte under detection.In this thesis work, we theoretically and experimentally study the guiding and confinement properties of light in periodic arrays of metallic nanowires of rectangular and triangular (nanocones) cross section that support localized plasmons. These nanowires are integrated in a photonic circuit that enables an efficient light coupling. The extinction spectra of the plasmonic resonances are directly obtained by analyzing the transmitted light in the device. By making use of the Fourier modal method, we perform an exhaustive theoretical study of the plasmonic Bloch modes that propagate due to the near-field coupling of the localized plasmons resonances. It is demonstrated that for the metallic nanocones, the optical field can be strongly enhanced by a controllable tip effect and remarkably intense

Au cours ce travail, nous nous sommes intéressés au design de particules plasmoniques pour le contrôle de l’absorption et de l’émission de lumière. Notre stratégie a été de synthétiser des nanoparticules de type cœur@écorce composées d’un cœur d’or et d’une écorce diélectrique de silice contenant des molécules organiques fluorescentes. Nous avons fait varier la distance entre ces dernières et le cœur afin de moduler l’intensité de leur couplage avec les plasmons du métal et d’ainsi contrôler les propriétés optiques des nanoparticules. Nous nous sommes aussi intéressés à l’assemblage de ces nanoparticules sous la forme de supra-particules ou de réseaux bidimensionnels organisés. L’étude des propriétés optiques de ces nouveaux matériaux a permis de mettre en évidence une forte exaltation de l’intensité de fluorescence des particules cœur@écorce quand celles-ci sont confinées entre deux nappes métalliques, ce qui correspond à un mode de cavité fort. Nous avons également travaillé sur la synthèse de particules composées d’un cœur de silice et soit d’une écorce d’or présentant des patchs « vierges », soit d’une écorce de dioxyde de titane comportant des patchs recouverts de nanoparticules d’or. / During this work, we were interested in the design of plasmonic particles for the control of the absorption and the emission of light. Our strategy was to synthesize core@shell nanoparticles made of a gold core and a silica shell containing fluorescent organic molecules. We have varied the distance between the emitters and the core in order to tune their coupling with the plasmons of gold. We thus tuned the optical properties of the particles. We were also interested in the assembly of these nanoparticles to get supra-particles or organized two-dimensional networks. The study of optical properties of these new materials showed that the exaltation of the fluorescence is maximal when the core@shell particles are confined between two gold boundaries, this situation corresponding to a strong cavity mode. We also worked on the synthesis of particles consisting of a silica core and either a gold shell with bare patches or a titanium dioxide shell with patches covered with gold nanoparticles.

Le but de notre travail était d'étudier comment des interactions impliquant des acides nucléiques pouvaient réguler le cycle viral du virus de l'hépatite C (VHC). L'ARN génomique du VHC est très structuré au niveau de ses extrémités 5' et 3'. La tige-boucle 5BSL3.2 a été décrite comme interagissant avec la SLIIId, la Seq9110 et la SL2 par génétique inverse et expériences de complémentation de mutations. La résonance plasmonique de surface (SPR) a été utilisée afin de caractériser ces interactions. Cela nous a conduit à développer des méthodes permettant d’étendre l'utilisation de la SPR. Nous avons pu observer, in vitro, une interaction entre la 5BSL3.2 et miR-122, un microARN fortement exprimé dans les hépatocytes. Nos résultats ont également montré que la SL2 était une séquence ARN pouvant former au moins deux conformations. L'une étant capable d'interagir avec la 5BSL3.2 et l'autre pouvant s'auto-associer. L'étude de cette dimérisation sur modèle cellulaire a montré qu'elle était impliquée dans les mécanismes de la réplication virale. Le développement d'une méthode d'analyse des complexes ternaires a permis la caractérisation simultanée du complexe formé entre la boucle interne de la 5BSL3.2 et ses partenaires (Seq9110 et SLIIId) ainsi que du complexe formé entre la boucle apicale et ses partenaires (SL2 et miR-122). Ces résultats ont montré que les deux sites de liaison de la 5BSL3.2 étaient structurellement indépendants. Ces interactions pourraient donc coexister dans un contexte physiologique. Les résultats montrent que la SLIIId et la Seq9110 sont en compétition pour interagir avec la boucle interne de la 5BSL3.2 tandis que la tige-boucle SL2 et miR-122 sont en compétition pour interagir avec la boucle apicale de la 5BSL3.2. La 5BSL3.2 est donc un motif ARN structuré pouvant agir comme une plaque tournante, capable d'interagir avec d'autres régions de l'ARN génomique tandis que la SL2 a montré que les deux interactions qu'elle pouvait former, mutuellement exclusives, étaient importantes pour la prolifération virale. Les mécanismes de compétition observés pourraient être impliqués dans la commutation entre les différentes étapes du cycle viral. / We are interested in understanding how interactions involving nucleic acids regulate the life cycle of the Hepatitis C virus (HCV). The HCV genomic RNA is highly structured at the 5' and 3' ends. The stem-loop 5BSL3.2 was described to interact with the SLIIId, the Seq9110 and the SL2 by reverse genetics and complementation mutation experiments. Surface plasmon resonance (SPR) was used to characterize these interactions. This led us to develop methods to expand the use of this technique. We described in vitro evidences for an interaction between 5BSL3.2 and miR-122, a microRNA highly expressed in hepatocytes. As shown by our results, SL2 is a highly dynamic RNA motif that fluctuates between at least two conformations: one is able to hybridize with 5BSL3.2 and the other one is capable of self-associating. The study of this dimerization in living cells has shown an implication of this phenomenon in viral replication processes. The development of a ternary complex analysis method allowed the characterization of the Seq9110 (or SLIIId) and SL2 (or miR-122) interacting with 5BSL3.2. Our results shown that the two binding sites of 5BSL3.2, the apical and internal loops, are structurally independent, suggesting that these interactions may coexist in a physiological context. SLIIId and Seq9110 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 internal loop while SL2 and miR-122 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 apical loop. In conclusion, 5BSL3.2 is a structured RNA motif that could act as a molecular hub capable of interacting with other genomic RNA regions while the two interactions of the SL2, mutually exclusives, were shown to be crucial for viral proliferation. The competition mechanisms observed could be involved in the commutation between viral cycle steps.

Moderne Methoden der Oberflächenbehandlung können Oberflächen mit besonderen Eigenschaften versehen. Diese Eigenschaften werden zunehmend durch ultradünne Schichten mit Schichtdicken von einigen Nanometern erzeugt, da mit minimalem Materialaufwand definierte Resultate erreichbar sind. Die meisten Metalle überziehen sich mit einer Oxidschicht, deren Eigenschaften von den herrschenden Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Diese Oxidschicht bildet die Oberfläche des Festkörpers, und weist andere Eigenschaften auf als der Festkörper selbst. Darüber hinaus beeinflussen die Rauhigkeit sowie eventuell vorliegende Legierungsbestandteile die Oberflächenbeschaffenheit. Besonders geeignet zum Erzeugen ultradünner oder monomolekularer Schichten ist der Prozess der Selbstorganisation, bei dem man sich zu Nutze macht, dass oberflächenaktive Moleküle mit sich selbst und einem Substrat in Wechselwirkung treten können. Zum Verständnis der ablaufenden Vorgänge ist die Kenntnis der Prozesskinetik sowie die Charakterisierung der Substratoberfläche vor und nach der Adsorption erforderlich. Die Größenverhältnisse zwischen den adsorbierten Molekülen und der Rauheit der Oberfläche erschweren die Charakterisierung der vorliegenden Ordnung und Orientierung der erzeugten dünnen Schichten. In dieser Arbeit sind Untersuchung des Schichtbildungsverhaltens und die Charakterisierung der erzeugten Schichten aus Phosphon- und Phosphorsäurederivaten in Abhängigkeit verschiedener Eigenschaften der Substratoberflächen vorgenommen worden. Dabei kamen oberflächensensitive Methoden wie AFM, REM, SPR und XPS zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass sich die untersuchten Moleküle wie erwartet auf den Oberflächen orientieren und dabei einen Bedeckungsgrad von etwa 60% erreichen. Der Einfluss von unterschiedlichen Vorbehandlungsmethoden konnte ebenso charakterisiert werden.