La réponse optique de nanostructures métalliques est caractérisée par une amplification locale du champ électromagnétique appelée Résonance Plasmon de Surface (RPS) reliée à leur nature et leur morphologie. Pour étudier la réponse optique d’une nanoparticule unique, un dispositif ultra-sensible de spectroscopie à modulation spatiale utilisant une source de lumière blanche a été développé : il permet de mesurer la section efficace d’extinction absolue de nano-objets uniques sur un large domaine spectral (300-900 nm). Des images de microscopie électronique à transmission peuvent être obtenues indépendamment sur les mêmes objets. On a ainsi une corrélation directe entre la morphologie des nanoparticules et leur signature optique. Ce travail de thèse a permis d’une part de mettre en évidence les paramètres qui entrent en jeu dans le processus de vieillissement de nanoparticules uniques d’argent sous éclairement. En particulier, l’étude de nanocubes d’argent révèle une « sphérisation » et une photo-oxydation au cours du temps due à la partie UV du spectre. D’autre part, des mesures réalisées sur des doublets de nanocubes d’argent en interaction ont montré l’importance de la morphologie à l’interface entre les deux nanoparticules sur le couplage plasmonique. Pour une excitation lumineuse longitudinale, on observe, outre le décalage de la RPS vers les basses énergies lorsque la distance interparticule diminue, un dédoublement de cette bande de résonance. Des calculs théoriques réalisés avec la méthode DDA ont permis de corréler ce phénomène de dédoublement à des variations de courbure de surface dans la zone interparticule liées principalement au rognage des arêtes des cubes / The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated by the localized surface plasmon resonance (SPR) which is highly sensitive to the size of the particles, their shape, their environment, and eventually their chemical composition in the case of mixed systems. In order to study the optical response of a single supported metallic nanoparticle, a high sensitive spectroscopic setup using a white lamp (300-900 nm) has been developed in a transmission measurement configuration. This technique, the Spatial Modulation Spectroscopy, aims to detect the overall extinction of light by a nanoparticle. Moreover, the coupling of this technique with the direct observation of the particles by Transmission Electron Microscopy allows to get an unambiguous description of their optical response in relation with their exact morphology. In this work, the optical response of single silver nano-objects has been correlated with their morphology and their structure at a sub-nanometer scale. Time evolution of the optical response of single silver nanocubes under illumination was first investigated. We observed a “spherization” and a photo-oxidation due to the UV part of the light. Moreover, we studied pairs of cubic silver nanoantennas that showed a huge sensitivity of their optical response with the interparticle distance and their morphology. Indeed, the SPR is red-shifted with decreasing interparticle distance. One can also observe a striking splitting of the resonance for very low interparticle distances. Preliminary DDA calculations seem to show that the radius of curvature at the corners and edges of both cubes plays a key role in the splitting of the resonance

Plasmonic nanoparticles feature remarkable optical and electronic properties in consequence of the excitation of conduction band electrons by visible light, which leads to collective oscillations. This so called localized surface plasmon resonance (LSPR) is utilized in the fields of photovoltaics, sensing, catalysis and optoelectronics. Especially, the emergence of optical metasurfaces—subwavelength structured surfaces with properties typically not occurring for homogeneous materials—has attracted significant attention for the applications mentioned above. However, their fabrication is usually complex and the materials often lack in situ tunability. Here, a colloidal approach is demonstrated for the preparation of optical metasurfaces with tunable properties. They are based on plasmonic gold nanoparticles, which were coated with three different shell materials to provide three different functionalities when coupled to plasmonic mirrors: i) Dye-labeled silica coatings exhibit strong enhancement of their fluorescent properties, as shown in this extensive single particle study. ii) Hydrogel shells are applied to receive switchable electric and magnetic properties in response to swelling of the gel. iii) Electrochromic polymer coatings facilitate the preparation of anti-reflective metasurfaces that feature tunable efficiency by changing the pH or applying a voltage. In addition, mechano-tunable plasmonic lattices are demonstrated. The material is based on self-assembled gold nanoparticles, which are embedded in a transparent elastomer matrix and feature pronounced surface lattice resonances (SLR). These tunable resonances could be applied for lasing, strain sensing, or controlling catalytic reactions. / Plasmonische Nanopartikel besitzen bemerkenswerte optische und elektronische Eigenschaften, die sie für Anwendungen in Bereichen der Katalyse, Sensorik, Optoelektronik, sowie der Nanooptik prädestinieren. Ihre Eigenschaften beruhen auf der Anregung von Leitungsbandelektronen zu kollektiven Oszillationen durch sichtbares Licht. Diese sogenannte Oberflächenplasmonenresonanz ist insbesondere für optische Metaoberflächen von Interesse, also Materialien mit strukturierten Oberflächen im Größenbereich unterhalb der sichtbaren Wellenlängen, welche Charakteristika aufweisen, die bei homogenen Materialien typischerweise nicht auftreten. Sie werden allerdings häufig mit aufwendigen Methoden hergestellt und sind in situ nicht justierbar. In dieser Arbeit werden kolloidale Ansätze zur Herstellung plasmonischer Metaoberflächen mit einstellbaren optischen und elektronischen Eigenschaften vorgestellt. Das Konzept basiert auf der Verwendung von plasmonischen Goldkernen, die mit drei unterschiedlichen funktionellen Schalen beschichtet und anschließend mit plasmonischen Spiegeln gekoppelt wurden: i) Farbstoffmarkierte Silicapartikel zeigen starke Fluoreszenz-verstärkung, wie in dieser ausführlichen Einzelpartikelstudie nachgewiesen wird. ii) Hydrogelbeschichtungen werden verwendet um schaltbare elektrische und magnetische Eigenschaften mittels Quellung zu erzeugen. iii) Elektrochrome Polymerhüllen fungieren als Antireflexschicht auf Goldoberflächen, deren Extinktion sich mittels Anlegen einer Spannung oder durch pH-Änderungen einstellen lässt. Neben diesen Ansätzen werden mechanisch einstellbare plasmonische Gitterstrukturen vorgestellt. Die selbstassemblierten und in transparentem Elastomer eingebetteten Goldnanopartikel weisen eine ausgeprägte Oberflächengitterresonanz auf. Diese kann für sensorische Zwecke in den Bereichen der Mikromechanik und der Katalyse, sowie für abstimmbare Laser verwendet werden.

Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qu’on ne trouve pas dans la nature. Malgré des développements spectaculaires durant la dernière décennie, le potentiel de ces structures aux longueurs d’ondes optique n’est pas encore clairement défini en raison de problèmes technologiques et de contraintes physiques telles que les pertes dans les métaux entrant dans la composition des métamatériaux. Dans notre thèse, nous montrons que les métamatériaux ont des propriétés très favorables dans le contexte de l’optique intégrée dans le proche infrarouge. Nous avons développé une stratégie pour incorporer des métamatériaux dans des circuits photoniques qui n’absorbent que très peu d’énergie. Pour cela, nous ne faisons pas directement agir l’ensemble du mode guidé avec les métamatériaux, mais seulement une composante évanescente à l’extérieur du guide. Pour réaliser un tel adaptateur ou d’autres fonctionnalités, il importe de déterminer quelle géométrie de métamatériaux est la plus favorable aux applications infrarouges. Nous proposons d’utiliser des structures à base de fils d’or empilés couche sur couche. A l’aide de simulations numériques et d’expériences en espace libre, nous montrons qu’il est possible d’obtenir toute une gamme de réponses optiques en contrôlant le couplage entre les différents niveaux de fils, c'est-à-dire en ajustant la distance entre les fils ainsi que leur alignement. En particulier, nous avons réussi à contrôler séparément la réponse électrique et magnétique de nos structures, ce qui offre une flexibilité de conception qui ne se rencontre pas dans les métamatériaux proposés jusqu’à présent. / Metamaterials are artificial composites with electromagnetic properties not found in nature. Although the development of metamaterials has experienced a tremendous growth over the past few years, their potential at optical wavelengths is not clearly established due to technological and physical constraints such as high material losses in this spectral range. Here we show that metamaterials have a great potential in the context of integrated optics in the near infrared. We developed a strategy to incorporate metamaterials in photonic circuits with minimal absorption losses. Our approach relies on making the guided modes interact with the metamaterials only through the evanescent tail outside the waveguide. To achieve such an adaptor and other functionalities, it is important to know what is the best geometry for near-infrared applications. We propose to use metamaterials based on multi-layers of Au cut wires. With numerical simulations and experiments, we show that it is possible to create a wide range of optical properties by controlling the interaction between the wires, i.e. by adjusting the distance between the wires and their alignment. In particular we were able to demonstrate

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique. / Methotrexate (MTX) cancer therapy requires therapeutic drug monitoring (TDM) for following its levels in a patient during the course of treatment in order to maximize efficacy while minimizing side effects. Despite its narrow therapeutic window, MTX remains until this date, one of the most employed chemotherapy agents. Existing TDM analytical techniques for MTX are costly, time-consuming and labor intensive which are not suitable to promptly generate results within the therapy timeframe. To provide rapid MTX quantification for TDM, a strategy is proposed based on a competitive assay featuring gold nanoparticles and surface plasmonic coupling. More specifically, the inhibition of MTX with its molecular receptor, human dihydrofolate reductase (hDHFR), an enzyme associated with proliferative diseases, is explored. Free MTX mixed with folic acid-functionalized gold nanoparticles (FA-AuNP) are in competition for hDHFR binding sites immobilized on a SPR active surface or free in solution. FA-AuNP binding to hDHFR provides signal amplification which is inversely proportional to the concentration of MTX. Surface plasmon resonance (SPR) is commonly used as a spectroscopic technique for the interrogation of biomolecular interactions. Current commercial SPR instruments are laboratory-based, bulky, expensive, lack sensitivity in complex matrix and have not shown adaptability in clinical settings. In addition, SPR analysis of small molecules such as drugs has not been extensively explored due to lack of sensitivity. The recent advances in materials science and surface chemistry exploiting gold nanoparticle integration for SPR response enhancement and peptide surface chemistry have shown potential in overcoming the poor sensitivity and surface-fouling limitations for crude biofluids analysis. These novel concepts of SPR technology are incorporated with a miniaturized fully integrated SPR prototype to conduct fast, reliable and sensitive analysis to monitor MTX levels of a patient undergoing chemotherapy. The objective of the thesis is to explore different strategies in improving drug analysis in a complex matrix using SPR biosensors and to put in perspective of the potential of SPR biosensors as a useful TDM tool in clinical laboratories or at a point-of-care situation. To achieve these objectives, a colorimetric solution-based MTX competitive assay is first established with FA-AuNP. Then, the solution-based MTX competitive assay is translated onto a SPR platform. For both developed assays, sensitivity, selectivity, detection limit, dynamic range optimization as well as analysis of methotrexate in complex matrix are inspected. Furthermore, the SPR prototype is validated by its equivalent performance to existing SPR systems and by its utility in executing MTX analysis in actual serum samples from patients undergoing chemotherapy. The concentrations of MTX obtained by SPR biosensing are compared to standard techniques: fluorescence polarization immunoassay (FPIA) and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in order to confirm the feasibility of SPR biosensors as a useful clinical tool for performing rapid MTX concentration evaluation. Finally, the successful deployment of the prototype to a hospital laboratory demonstrates enormous prospective of SPR biosensors in clinical use.

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique. / Methotrexate (MTX) cancer therapy requires therapeutic drug monitoring (TDM) for following its levels in a patient during the course of treatment in order to maximize efficacy while minimizing side effects. Despite its narrow therapeutic window, MTX remains until this date, one of the most employed chemotherapy agents. Existing TDM analytical techniques for MTX are costly, time-consuming and labor intensive which are not suitable to promptly generate results within the therapy timeframe. To provide rapid MTX quantification for TDM, a strategy is proposed based on a competitive assay featuring gold nanoparticles and surface plasmonic coupling. More specifically, the inhibition of MTX with its molecular receptor, human dihydrofolate reductase (hDHFR), an enzyme associated with proliferative diseases, is explored. Free MTX mixed with folic acid-functionalized gold nanoparticles (FA-AuNP) are in competition for hDHFR binding sites immobilized on a SPR active surface or free in solution. FA-AuNP binding to hDHFR provides signal amplification which is inversely proportional to the concentration of MTX. Surface plasmon resonance (SPR) is commonly used as a spectroscopic technique for the interrogation of biomolecular interactions. Current commercial SPR instruments are laboratory-based, bulky, expensive, lack sensitivity in complex matrix and have not shown adaptability in clinical settings. In addition, SPR analysis of small molecules such as drugs has not been extensively explored due to lack of sensitivity. The recent advances in materials science and surface chemistry exploiting gold nanoparticle integration for SPR response enhancement and peptide surface chemistry have shown potential in overcoming the poor sensitivity and surface-fouling limitations for crude biofluids analysis. These novel concepts of SPR technology are incorporated with a miniaturized fully integrated SPR prototype to conduct fast, reliable and sensitive analysis to monitor MTX levels of a patient undergoing chemotherapy. The objective of the thesis is to explore different strategies in improving drug analysis in a complex matrix using SPR biosensors and to put in perspective of the potential of SPR biosensors as a useful TDM tool in clinical laboratories or at a point-of-care situation. To achieve these objectives, a colorimetric solution-based MTX competitive assay is first established with FA-AuNP. Then, the solution-based MTX competitive assay is translated onto a SPR platform. For both developed assays, sensitivity, selectivity, detection limit, dynamic range optimization as well as analysis of methotrexate in complex matrix are inspected. Furthermore, the SPR prototype is validated by its equivalent performance to existing SPR systems and by its utility in executing MTX analysis in actual serum samples from patients undergoing chemotherapy. The concentrations of MTX obtained by SPR biosensing are compared to standard techniques: fluorescence polarization immunoassay (FPIA) and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in order to confirm the feasibility of SPR biosensors as a useful clinical tool for performing rapid MTX concentration evaluation. Finally, the successful deployment of the prototype to a hospital laboratory demonstrates enormous prospective of SPR biosensors in clinical use.