Cette thèse présente la conception et la mise en œuvre d'un imageur CMOS pour être utilisé dans biocapteurs intégrés basés sur Résonance Plasmonique de Surface (SPR). Tout d'abord, les conditions optimales pour la résonance plasmon dans une interface compatible CMOS / post-CMOS sont obtenus par modélisation avec COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS de Colonne Actif (CMOS-ACS) du 32x32 pixels est mis en œuvre sur une technologie CMOS 0,35 um. Dans une interface d'or-eau avec une excitation de prisme, on constate que pour les prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage optimal avec le plasmon est obtenu pour des films d'or d'une épaisseur de 50 et 45 nm, respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l'énergie de la lumière incidente est transférée à le surface plasmon pour les deux prismes respectivement, à condition que la lumière incidente, avec une longueur d'onde de 633 nm, arrive avec un angle d'incidence de 68,45° et 79,05° respectivement. Il est également obtenu qu'un changement de RIU 10-4 de l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01 ° dans l'angle de résonance de plasmons qui, dans un schéma de modulation d'intensité de lumière produit une variation de 0,08% dans la lumière réfléchie au photodétecteur. En ce qui concerne le imageur CMOS, une photodiode n-well/p-substrate est choisi comme l'élément de photodétection, en raison de sa faible capacité de jonction, ce qui conduit à un rendement élevé et le gain de conversion élevé comparativement à une photodiode n-diff/p-substrate. Des simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco produit une capacité de jonction de 31 FF et 135 fF respectivement. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et présente un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de capteur de colonne actif (ACS) pour réduire le bruit à motif fixe (Fixed Pattern Noise ou FPN en anglais) liée au le Capteur à Pixels Actif (APS) traditionnelle. En outre, Non-Corrélés Echantillonnage Double (Non-Correlated Double Sampling ou NCDS en anglais) et Delta double échantillonnage (DDS) sont utilisés comme techniques de réduction du bruit. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, et nous avons obtenu un gain en conversion de 7,3 uV/e-, une capacité de jonction de la photodiode de 22 fF, un bruit de lecture de 324,5 uV, ce qui équivaut à 45 électrons, et une gamme dynamique de 50,5 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observées dans le niveau faible de FPN du pixel et de la colonne, avec une valeur de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers l'objectif de développer une plateforme entièrement intégrée SPR pour biocapteurs, incorporant source de lumière, l'interface SPR, canal microfluidique, les éléments d'optique et imageur CMOS.

Les récepteurs de chimiokines sont des régulateurs essentiels de la migration cellulaire dans le cadre de la surveillance immunitaire, et le développement. Les récepteurs CCR5 et CXCR4 sont de plus spécifiquement impliqués dans les métastases cancéreuses et l'infection par le VIH. Nous avons développé un système permettant de sur-exprimer ces deux RCPGs. Afin de s'affranchir des problèmes de toxicité inhérents à l'expression des protéines membranaires en bactérie notre approche de production consiste à adresser les protéines vers les corps d'inclusion d'E. coli grâce à une fusion protéique N-terminale permettant de hauts niveaux d'expression. Après purification en conditions dénaturantes, les protéines sont alors repliées en présence de surfactants originaux, les amphipoles. La validation de cette nouvelle approche pour les récepteurs des chimiokines représente un des objectifs principaux de ce travail. Afin de tester la fonctionnalité des protéines repliées, une série d'outils a été développée : des versions modifiées des chimiokines ont été produites (RANTES pour CCR5 et SDF 1a pour CXCR4). La fonctionnalité des chimiokines a été évaluée au niveau moléculaire et cellulaire. L'interaction entre le récepteur replié en amphipole et son ligand a été testé par résonance de plasmons de surface (SPR). Différents types de surfaces fonctionalisées avec le récepteur de chimiokine replié en amphipole ont été explorés au cours de ce travail. A la fin de ce projet, la production des chimiokines et de leur récepteur a été mise au point. L'accès à ces outils ouvre la voie à de futures études moléculaires telles que la compréhension de la dimérisation du récepteur ou la détermination de la stoechiométrie du complexe.

Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d'identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu'au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l'interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l'interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d'un capteur multimodal pour l'identification de processus biologiques à l'interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimérie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d'effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d'une interaction intermoléculaire à l'interface d'une réaction d'hybridation d'ADN furent définies afin d'en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétrique et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s'assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s'assurer qu'il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s'assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d'hybridation d'ADN à l'interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l'interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l'interface. Des mesures d'oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées.

Les récepteurs de chimiokines sont des régulateurs essentiels de la migration cellulaire dans le cadre de la surveillance immunitaire, et le développement. Les récepteurs CCR5 et CXCR4 sont de plus spécifiquement impliqués dans les métastases cancéreuses et l'infection par le VIH. Nous avons développé un système permettant de sur-exprimer ces deux RCPGs. Afin de s'affranchir des problèmes de toxicité inhérents à l'expression des protéines membranaires en bactérie notre approche de production consiste à adresser les protéines vers les corps d'inclusion d'E. coli grâce à une fusion protéique N-terminale permettant de hauts niveaux d'expression. Après purification en conditions dénaturantes, les protéines sont alors repliées en présence de surfactants originaux, les amphipoles. La validation de cette nouvelle approche pour les récepteurs des chimiokines représente un des objectifs principaux de ce travail. Afin de tester la fonctionnalité des protéines repliées, une série d'outils a été développée : des versions modifiées des chimiokines ont été produites (RANTES pour CCR5 et SDF 1a pour CXCR4). La fonctionnalité des chimiokines a été évaluée au niveau moléculaire et cellulaire. L'interaction entre le récepteur replié en amphipole et son ligand a été testé par résonance de plasmons de surface (SPR). Différents types de surfaces fonctionalisées avec le récepteur de chimiokine replié en amphipole ont été explorés au cours de ce travail. A la fin de ce projet, la production des chimiokines et de leur récepteur a été mise au point. L'accès à ces outils ouvre la voie à de futures études moléculaires telles que la compréhension de la dimérisation du récepteur ou la détermination de la stoechiométrie du complexe. / Chemokine receptors are critical regulators of cell migration in the context of immune surveillance, inflammation and development. The GPCRs (G protein-coupled receptors) CCR5 and CXCR4 are specifically implicated in cancer metastasis and HIV-1 infection. An expression system to over-express these two GPCRs was developed. To overcome the toxicity problem of membrane protein expression in bacterial system, the production approach consists in targeting the proteins towards E. coli inclusion bodies thanks to a N-terminal fusion allowing a high yield expression. After purification under denaturing conditions, these GPCRs were then folded using original polymeric surfactants: the amphipols. The validation of this new approach for the chemokine receptor production is one of the goals of this work. In order to assess the functionality of the folded proteins, series of tools have been developed: engineered chemokine ligands (RANTES for CCR5 and SDF1a for CXCR4) were produced. The functionality of chemokines was evaluated at cellular and molecular levels. Interaction between the receptor folded in amphipols and its ligand was evaluated using Surface Plasmon Resonance (SPR) technique. Several types of surfaces, functionalized with the chemokine receptor/amphipol complex have been explored in this work. At the end of this project the productions of chemokines and their receptors has been set up. These established tools open the way to future studies, at the molecular level, in order to, for instance, investigate receptor dimerization and complex stoichiometry.

Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiés. / The surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite des lasers à cascade quantique à plasmons de surface dans la gamme spectrale du moyen-IR et de leurs applications aux cristaux photoniques moyen-IR et THz. Pour les grandes longueurs d'onde (λ > 10µm) la lumière est confinée au sein de la région active du laser grâce à une couche de métal déposée directement à la surface de la région active. Ces guides sont appelés guide à plasmons de surface. La faible épaisseur de ces guides est un atout majeur pour la fabrication de dispositifs à cristal photonique ou DFB (Distributed Feed Back). Ce manuscrit présente une étude complète de ces guides. Il démontre de manière expérimentale et théorique qu'il est possible d'améliorer les performances de ces guides en utilisant une couche d'argent à la place de l'or habituellement utilisé. Pour approfondir cette étude, une méthode originale basée sur les guides multisections et permettant de mesurer les pertes et le gain des guides à plasmons de surface a été soigneusement étudiée à l'aide de nombreuses expériences. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude théorique du réseau nid d'abeille pour la fabrication de microcavité laser pour le moyen-IR et le THz. Cette étude est réalisée grâce à des simulations bidimensionnelles à partir d'un code utilisant la méthode des ondes planes et en trois dimensions grâce à un code utilisant la méthode FDTD (Finite-Difference Time-Domain). Lors de ces études, un phénomène nouveau a été mis en évidence sur les guides métal-métal THz démontrant qu'il est possible d'implémenter un cristal photonique par la seule structuration du métal du contact supérieur.

Les propriétés singulières des ondes évanescentes ont permis le développement de la microscopie en champ<br />proche optique, mais également l'émergence de capteurs moléculaires basée sur l'excitation de plasmons de<br />surface. Ce travail de thèse est consacré au développement de nano-sondes à base de fibres optiques destinées à ces<br />deux applications.<br />Après un état de l'art des différents procédés de la littérature, ce travail aborde une nouvelle approche pour<br />créer des nano-sondes optiques. La gravure chimique, pour créer une pointe à l'extrémité d'une fibre conique, est<br />premièrement optimisée. Les étapes suivantes sont réalisées dans un dispositif plasma original, basé sur une<br />décharge en régime de cathode creuse cylindrique. Pour finaliser la fabrication des sondes, les pointes métallisées<br />sont ouvertes in situ avec une micro-étincelle obtenue via une décharge couronne en configuration pointe-plan.<br />Notre microscope est ensuite détaillé et une étude paramétrique est menée afin d'optimiser la formation des<br />images, les capacités de résolution du sont discutées. A titre d'exemple, le microscope est ensuite appliqué à la<br />science des nano-matériaux, et quelles pistes d'investigation de nano-structures sont explorées, ainsi que le<br />potentiel de spectroscopie Raman en champ proche.<br />La spectroscopie résonante des plasmons de surface est aussi abordée. Les sondes spécialement modifiées<br />sont ici destinées à la détection moléculaire en milieu aqueux. Les capteurs ainsi élaborés sont testés dans des<br />microvolumes de solution, et leur capacité d'exaltation du signal Raman est présentée.

Les fonctions vasculaires sont régulées par diverses stimulations biochimiques ou mécaniques qui activent les différentes cellules composant les vaisseaux sanguins.Les réponses cellulaires qui en résultent peuvent impliquer une réorganisation du cytosquelette, des changements morphologiques, l'expression de protéines membranaires ou la libération de nombreux médiateurs. Tous ces événements sont susceptibles d'influencer les propriétés mécaniques des cellules. Ainsi, le but de la présente étude est de déterminer l'impact de l'activation de certains récepteurs au niveau des propriétés mécaniques des cellules, des modifications qui pourraient avoir de fortes implications au niveau vasculaire. Pour ce faire, nous avons utilisé deux approches expérimentales permettant d'évaluer des changements morphologiques et mécaniques de très faible amplitude : la microscopie à force atomique (AFM) et la résonance des plasmons de surface (SPR). Nous avons ainsi étudié les effets de l'activation des récepteurs de l'angiotensine II, la thrombine et la bradykinine sur la morphologie et les propriétés mécaniques de modèles cellulaires importants dans l'étude des fonctions vasculaires. Nous avons observé que l'activation du récepteur AT[indice inférieur 1] pour l'angiotensine II induit une réponse mécanique transitoire qui se traduit par une contraction du corps cellulaire, une augmentation du module d'élasticité de la cellule et une diminution de l'intégrité de l'épithélium. Quant à l'activation du récepteur PAR-1 pour la thrombine et du récepteur B[indice inférieur 2] pour la bradykinine, celle-ci provoque aussi une modification de la rigidité des cellules, mais de façon soutenue dans le temps. Ces deux agonistes augmentent aussi l'interaction entre la membrane et le cytosquelette, un phénomène observé par l'augmentation des forces requises pour l'étirement de la membrane cellulaire. Ainsi, la présente étude montre qu'une cellule peut subir des modifications importantes au niveau de ses propriétés mécaniques suivant son activation par différents agonistes, ce qui peut avoir des conséquences directes sur certaines fonctions physiologiques dépendantes des propriétés mécaniques des vaisseaux. En effet, ces changements observés au niveau de la cellule pourraient, entre autres, contribuer au contrôle du diamètre et de la compliance des capillaires, à l'adhésion des cellules inflammatoires ainsi que modifier la perception de stimuli mécaniques par les cellules endothéliales.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.