Avec une limite de détection ultime pouvant atteindre le yoctogramme (1 yg = 10-24 g), les nanosystèmes électromécaniques (NEMS) employés comme capteurs gravimétriques présentent un fort potentiel pour la détection ultra-sensible et sans marquage de molécules biologiques. A l’heure actuelle, plusieurs défis restent cependant à relever avant de pouvoir envisager de manière réaliste leur utilisation comme outils de biodétection. Ces travaux de thèse adressent en particulier l’intégration du moyen de transduction et le développement de stratégies de biofonctionnalisation. En vue de répondre à la première problématique, l’intégration d’une couche piézoélectrique à base de Titano-Zirconate de Plomb (PZT) selon une approche de fabrication collective de réseaux de NEMS par voie descendante a été développée et caractérisée.Deux approches de biofonctionnalisation adaptées à une organisation de NEMS en réseaux,respectivement basées sur le dépôt localisé de matériel biologique par impression moléculaire et sur la structuration par photolithographie d’une couche bioréceptrice à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP), ont ensuite été mises en oeuvre et ont permis de démontrer une première preuve de concept. Ces différentes contributions constituent un premier pas dans le développement des NEMS pour des applications de biodétection. / With an ultimate limit of detection down to the yoctogram regime (1 yg = 10-24 g),nanoelectromechanical systems (NEMS) resonators used as ultra-sensitive and label-free gravimetric sensors have a high potential for biodetection applications. To date, several challenges currently limit their wide spread use as viable biosensing tools. This PhD thesis addresses the issues related to the transducer integration and the biofunctionnalization. A Lead Zirconate Titatane (PZT)-based piezoelectric transducer has been implemented according to a top-down approach compatible with collective fabrication of NEMS arrays. Two biofunctionnalization strategies, suitable for a NEMS array organization and based on the localized deposition of biological material assisted by microcontact printing and the patterning of molecularly imprinted polymers (MIP) by photolithography, have also been investigated and first proof-of-concept biosensors were demonstrated. These various contributions have the potential to drive future advancements in the realm of NEMS as effective biosensing tools.

Capteur électrochimique basé sur des matériaux carbonés fonctionnalisés, pour la détection de deux micropolluants faisant partie des substances prioritaires de la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE2000/60/CE) : le plomb et l’anthracène. Les capteurs électrochimiques permettent d’atteindre des limites de détection et une sélectivité adéquates pour l’analyse de micropolluants dont les concentrations sont de l’ordredu μg/L, et sont simples d’utilisation pour des analyses in situ à moindre coût comparés aux appareils d’analyses conventionnels. Leur robustesse est un paramètre important afin de permettre des mesures en continu ou semi-continu dans les eaux. Cette thèse propose tout d’abord le développement du capteur pour la détection du plomb. La formulation d’une encre conductrice de carbone est étudiée pour la sérigraphie de ’électrode réceptrice, permettant ainsi de contrôler la composition de l’encre et d’étudier l’influence de la phase carbonée sur les propriétés électrocatalytiques des électrodes. La fonctionnalisation des électrodes par greffage électrochimique d’un sel de diazonium est également étudiée afin de maîtriser la sensibilité et la reproductibilité des électrodes greffées, en contrôlant l’épaisseur et la qualité des couches. Avec cet objectif, la fonctionnalisation dans un liquide ionique protique qui permet le contrôle de la monocouche en modulant la viscosité de ce milieu a été étudiée. Les électrodes greffées montrent des performances analytiques améliorées notamment en termes de répétabilité et de reproductibilité. Enfin ce travail de thèse porte également sur le développement du capteur pour la détection électrochimique de l’anthracène, molécule sans fonctions chimiques. Les électrodes sont, dans ce cas, fonctionnalisées par un polymère à empreinte moléculaire, matériau connu pour sa très grande sélectivité. Les performances de ce capteur, dont la sélectivité est basée uniquement sur le facteur de forme de la molécule, pour la détection de l’anthracène sont alors mises en évidence. / Electrochemical sensor based on functionalized carbon materials, for the detection of two micropollutants, lead and anthracene, which are among of the priority substances of the European Framework Directive on Water(DCE 2000/60 / EC). Electrochemical sensors allow to achieve detection limits and selectivities for the analysis of micropollutants whose concentrations are of the order of μg/L. They are easy to use for in situ analyzes at lower costs compared to those of the conventional analysis equipment. Their robustness is an important parameter in order to allow continuous or semi-continuous measurements in water. First of all, this thesis proposes the development of a sensor for lead detection. The conductive carbon ink formulation is studied for the screen-printing of the receiving electrode, thus allowing to control the ink composition and to study the influence of the carbon phase on the electrocatalytic properties of electrodes. Functionalization of electrodes by electrochemical grafting of a diazonium salt is also studied in order to control the sensitivity and reproducibility of grafted electrodes, by controlling the thickness and the quality of the layers. With this aim it has been studied the functionalization in a protic ionic liquid in order to allow the control of the monolayer bymodulating the viscosity of this medium. The grafted electrodes show improved analytical performance especially in terms of repeatability and reproducibility. Finally, this work reports the development of a sensor for the electrochemical detection of anthracene, a molecule without chemical functions. In this case, a molecularly imprinted polymer, a material known for its very high selectivity, functionalizes the electrodes.Having a selectivity is only based on the form factor of the molecule, the performance of the sensor developed for the detection of anthracene is also highlighted.

Au cours des dernières décennies, les capteurs et les biocapteurs électrochimiques ont connu un développement considérable en raison de leur simplicité, fiabilité, rapidité et sélectivité. Ils ont constitué les alternatives les plus séduisantes pour les méthodes analytiques classiques dans des domaines aussi variés que l'agro-alimentaire, la médecine et la biologie clinique, ou le contrôle de la qualité de l'environnement. Dans ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés, dans un premier volet, aux développements des immunocapteurs et capteurs électrochimiques à base des polymères à empreintes moléculaires (MIPs) pour le contrôle de la qualité des miels. La première partie de ce volet concerne le développement des immunocapteurs sur des structures dites Bio-MEMS basées sur des microélectrodes en or. L'élaboration de ces immunocapteurs a été dédiée à la détection des résidus d'antibiotiques à savoir la sulfapyridine (SPy) et la tétracycline (TC). Une nouvelle structure des nanoparticules magnétiques (MNPs) revêtues du copolymère poly (acide pyrrole-co-pyrrole-2-carboxylique) a été exploitée dans ces travaux pour leur réseau d'immobilisation tridimensionnel ainsi que pour leur stabilité pendant de longues périodes. La détection de la SPy et de la TC a été réalisée par différentes approches compétitives en utilisant des anticorps polyclonaux. Dans la deuxième partie de ce volet, nous avons fabriqué des capteurs à base des MIPs pour la détection de la sulfaguanidine, la doxycycline et le chloramphénicol dans le miel. Ces dispositifs ont été développés sur la surface des électrodes sérigraphiées en or en employant une matrice polymérique du polyacrylamide en présence des molécules empreintes. Les performances de ces capteurs et biocapteurs (limite de détection, sélectivité, reproductibilité, application dans les milieux réels) ont ensuite été évaluées. Dans un deuxième volet, nous nous sommes parvenus à appliquer un dispositif de la langue électronique voltammétrique (Langue-EV) pour des analyses agroalimentaires et biomédicales. Dans un premier temps, nous avons discriminé les miels issus de quatorze régions de la France et du Maroc par le dispositif de la Langue-EV. Nous nous sommes aussi parvenus à démontrer la fiabilité de ce dispositif à prédire les résultats des différents paramètres physico-chimiques d'après les réponses des méthodes analytiques utilisées. Dans un deuxième temps, nous sommes passés à l'application du dispositif de la Langue-EV en analyse biomédicale dans le but de discriminer les urines des patientes souffrants des infections urinaires avec celles des femmes saines / In recent decades, the use of electrochemical sensors and biosensors have grown considerably due to their simplicity, reliability, rapidity, and selectivity. They were the most attractive alternative tools for conventional analytical methods in various fields such as food control, medicine, and clinical biology or environmental control. In this research works, we focused, in the first part, on the development of immunosensors and electrochemical sensors based on molecularly imprinted polymers (MIPs) for the quality control of honey. In the second part, we managed to apply a voltammetric electronic tongue (VE-tongue) for food monitoring and biomedical analyzes. The first part of our research work concerns the development of immunosensors based on gold microelectrodes of the Bio-MEMS devices. The development of these immunosensors was dedicated to the detection of antibiotic residues namely sulfapyridine (SPy) and tetracycline (TC). A new structure of magnetic nanoparticles (MNPs) coated with the poly (pyrrole-co-pyrrole-2-carboxylic acid) copolymer has been exploited in this work for their three-dimensional immobilization network as well as for their stability for long periods. The detection of SPy and TC was performed by different competitive approaches using polyclonal antibodies. In this part, we have also synthesized the MIP sensors dedicated to the detection of sulfaguanidine, doxycycline, and chloramphenicol in honey. These devices have been developed on the surface of the screen-printed gold electrodes by employing a polyacrylamide matrix in the presence of the target molecules. The performances of these sensors and biosensors (limit of detection, selectivity, reproducibility, applications in real samples) were then evaluated. Regarding the second part of our research works, it involved the discrimination between honeys from fourteen regions from France and Morocco. We have succeeded in demonstrating the reliability of this device in predicting the results of the different physico-chemical parameters of honey samples according to the responses of the used analytical methods. In other steps, we proceeded to the application of the VE-tongue in biomedical analyzes to discriminate urine specimens of patients suffering from urinary tract infections and those of healthy subjects

La stéréolithographie biphotonique (TPS) est une technique de microfabrication 3D basée sur la polymérisation par absorption biphotonique qui permet d’obtenir en une seule étape des structures 3D complexes avec des détails sub-100nm. Aujourd’hui, en raison des conditions spécifiques de fabrication liées à la TPS (fort flux, confinement spatial de la photoréaction,…), un des enjeux concerne le développement de matériaux fonctionnels compatibles avec ce procédé. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouveaux matériaux fonctionnels à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP) pour élaborer des capteurs chimiques. Une première partie de ce travail a consisté à mettre en place différentes méthodes dédiées à la caractérisation des propriétés géométriques, chimiques et mécaniques des matériaux élaborés par TPS. Par exemple, la vibrométrie laser a été utilisée pour la première fois afin de sonder de façon non-invasive les propriétés mécaniques de microstructures réalisées par TPS. Dans un second temps, ce travail a été mis à profit pour étudier l’impact du processus de fabrication (i.e. conditions photoniques) ainsi que des paramètres physico-chimiques affectant la photoréaction (i.e. inhibition par oxygène et nature du monomère) sur les propriétés finales des matériaux. Enfin, en s’appuyant sur les résultats obtenus, des microcapteurs chimiques à base de MIP, à lecture optique ou mécanique, ont été fabriqués. Leurs propriétés de reconnaissance moléculaire, ainsi que leurs sélectivités ont été démontrées pour une molécule cible modèle (D-L-Phe). / The two-photon stereolithography (TPS) technique is a micro-nanofabrication method based on photopolymerization by two-photon absorption that allows in a single manufacturing step to obtain complex 3D structures with high-resolution details (sub-100nm). Due to the specific conditions of TPS process (intense photon flux, spatial confinement of the photoreaction…) one of the main concerns today is the development of functional materials compatible with the TPS. According to the aforementioned, the general objective of this thesis was to develop new functional materials based on molecularly imprinted polymers (MIP) to elaborate chemical microsensors. In the first step of this work, different methods were implemented to characterize the geometrical, chemical and mechanical properties of the materials synthesized by TPS. For example, laser-Doppler vibrometry was used for first time to evaluate the mechanical properties of microstructures fabricated by TPS in a non-invasive way. In the second step, the characterization methodology was used to study the impact of the manufacturing process (i.e. photonic conditions) and the physicochemical parameters that affect the photoreaction (i.e. oxygen inhibition and the nature of the monomer) and the final properties of the materials. Finally, the obtained results enabled the prototyping of chemical microsensors based on MIP. Their molecular recognition properties and their selectivity were demonstrated for the molecule (D-L-Phe) by an optical and a mechanical sensing method.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des contaminants de notre environnement et de notre alimentation. En raison de leur toxicité, la Commission européenne a réglementé leur teneur dans les denrées alimentaires et notamment dans les huiles. Les industriels des corps gras ont donc pour obligation de vérifier la conformité de leurs produits. Dans ce contexte, le groupe Lesieur souhaiterait développer un nouvel outil analytique rapide et portable. Ainsi, ce vaste projet de recherche vise à concevoir un microsystème électrophorétique capable d'analyser les HAP dans les huiles alimentaires. Première étude à s'inscrire dans ce projet, ce travail de thèse a donc consisté à développer de nouveaux protocoles analytiques. Dans une première partie, des méthodes de séparation des HAP ont été développées en électrophorèse capillaire (CE) modifiée par des cyclodextrines couplée à un détecteur de fluorescence induite par laser. En suivant des stratégies multivariées basées sur les plans d'expériences, deux méthodes de séparation ont été optimisées. Les huit HAP communs aux listes établies par l'agence de protection de l'environnement des Etats-Unis et l'agence européenne de sécurité sanitaire des aliments ont été séparés en moins de 7 min et dix-neuf HAP, également classés par ces deux organismes, ont été analysés en moins de 18 min. Ces méthodes de séparation ont été appliquées avec succès à des extraits d'huile dopés. Dans une deuxième partie, il a été question de transférer la méthode d'analyse des huit HAP au format microsystèmes. La principale difficulté rencontrée a été le manque de sensibilité du système de détection couplé aux puces. Le premier objectif a donc été d'optimiser les quantités d'échantillon injectées et les paramètres de la détection avec un composé modèle dans un tampon borate. Cependant, seulement quatre HAP sur les dix-neuf étudiés précédemment en CE ont pu être détectés. Toutefois, dans les conditions optimisées par le plan d'expériences, ils étaient séparés en moins de 4 min. Enfin, différents polymères à empreintes moléculaires (MIP) ont été synthétisés en vue d'extraire sélectivement les HAP des huiles. Après un criblage des conditions de synthèse, la sélectivité de chaque MIP a été évaluée en milieu pur en comparant sa capacité de rétention avec celle d'un polymère non-imprimé. Les huit HAP communs aux deux listes ont finalement pu être extraits sélectivement à partir d'huiles de tournesol, mais avec des rendements d'extraction encore insuffisants et qui nécessitent une amélioration de la procédure d'extraction.

Dans ce travail, deux méthodes d'extraction multi-résidus de contaminants présents dans des sédiments ont été développées. Dans la première partie de cette étude, une méthode a été développée pour l’'extraction simultanée de deux familles de métabolites oxygénés d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les quinones et les HAP hydroxylés (OH-HAP). Une approche chimiométrique a permis de déterminer les paramètres influant sur l’extraction assistée par micro-ondes (MAE) et une zone de compromis a été trouvée pour extraire de manière optimale les deux familles de composés. Deux méthodologies d’analyses chromatographiques ont été développées et validées pour analyser les extraits, puis comparées, à savoir la chromatographie liquide haute performance couplée aux détections UV et fluorimétrique (HPLC-UV-Fluo) et la chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse par impact électronique (CPG-SM). En CPG-SM, des réactions de silylation des OH-HAP et d’acétylation des quinones ont dû être mises au point, afin d’abaisser les limites de détection (LD), en particulier pour les ortho-quinones. En HPLC-UV-Fluo, les LD étaient plus faibles qu’en CPG-SM, surtout pour les OH-HAP détectés en Fluo et l'analyse était plus rapide, sans processus de dérivation; mais la détection n’étant pas sélective, l’identification des analytes s’est avérée hazardeuse. Le choix s’est donc porté sur la CPG-SM pour une analyse plus fiable des deux familles de composés de matrices sédimentaires naturellement contaminées. Dans la deuxième partie de ce travail de thèse, une nouvelle méthodologie d'extraction a été développée et validée, basée sur la dispersion en phase solide de la matrice solide (MSPD), capable d'extraire mais aussi de purifier l’échantillon, méthodologie par ailleurs simple et rapide. Deux familles de composés ont été extraits simultanément à partir de sédiments, les HAP et les polychlorobiphényles (PCB). Un certain nombre de paramètres ont été optimisés, tels la nature des agents dispersants, le temps de broyage, le volume et la nature du mélange de solvants d’élution. Dans un deuxième temps, l'introduction des OH-HAP dans le processus analytique a amené à coupler à la MSPD une autre méthode d’extraction/purification beaucoup plus sélective, basée sur les polymères à empreintes moléculaires (MIP). En effet, les interférents polaires, restés piégés par l’agent dispersant polaire dans la première cartouche contenant le sédiment broyé, devaient être élués afin de libérer les OH-HAP, qui a leur tour devaient être retenus sélectivement dans un MIP empreint pour les phénols, pour fournir une élution finale exempte d'autres composés. Il a été montré que ces MIPs pouvaient extraire sélectivement les OH-HAP de faible et de haut poids moléculaire, mais il fallait choisir soigneusement le solvant de percolation pour ne pas endommager le polymère. Cependant, la difficulté principale a été de désorber les OH-HAP fortement retenus par le sédiment par liaison hydrogène. Cela a pu être réalisé pour les OH-HAP légers, en utilisant un mélange de solvants avec un effet de relargage par un sel, mais pas pour les OH-HAP lourds, trop fortement adsorbés sur la matrice sédimentaire. Par ailleurs, il a fallu utiliser une grande quantité de polymère à empreinte moléculaire à cause de la compétition pour les sites de reconnaissance entre les OH-HAP et des composés phénoliques. / In this work two multiresidual methods for extracting contaminants from sediments were developed. In the first part of this study, a method was developed for extracting simultaneously two groups of oxygenated metabolites of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), quinones and hydroxylated PAHs (hydroxy-PAHs). A chemometric approach allowed us to determine the influential parameters on microwave assisted extraction (MAE), and a compromise could be found for extracting quantitatively both families of compounds. Two chromatographic analytical methodologies were developed and validated for analysing the extracts: high performance liquid chromatography coupled with fluorimetric and ultraviolet detection (HPLC-UV-FLD) and gas chromatography coupled with an electronic impact mass spectrometer (GC-MS). Using GC-MS, reactions of silylation of hydroxy-PAHs and of acetylation of quinones had to be developed, to decrease detection limits (LOD), particularly for ortho-quinones. Using HPLC-UV-FLD, LODs were lower than using GC-MS, particularly for hydroxy-PAHs detected by FLD, and the analysis was faster, without derivatization; but the detectors were not selective, and identification of analytes was doubtful. Choice was done to favour GC-MS for a more reliable analysis of the two families of compounds extracted from naturally contaminated sediments. In the second part of this thesis work, a new fast and simple extraction methodology was developed and validated, based on matrix solid phase dispersion (MSPD), capable of extracting and purifying simultaneously sediment samples. Two families of compounds were simultaneously extracted from sediments, PAHs and polychlorobiphenyls (PCBs). Many parameters were optimized, as the nature of dispersing agents, the time of grinding, the volume and nature of elution solvent mixtures. In a second step, hydroxy-PAHs were introduced in the analytical process, which led us to add another more selective extraction/purification method to MSPD, based on molecularly imprinted polymers (MIPs). Indeed polar interfering compounds, trapped by the polar dispersant in the first cartridge containing the blended sediment, had to be eluted to release hydroxy-PAHs, which in turn had to be selectively retained by the polymer, imprinted for phenols, to provide a final eluate free from other polar compounds. It was demonstrated that those MIPs could selectively extract low and high molecular weight hydroxy-PAHs, but appropriate percolating solvents had to be chosen to avoid polymer damages. However, the main difficulty was to desorb hydroxy-PAHs strongly retained by the sediment matrix through hydrogen bonds. It could be achieved for light hydroxy-PAHs, using a mixture of eluting solvents with salting-out effect, but not for heavy hydroxy-PAHs which stayed strongly sorbed on the sediment matrix. Furthermore we needed to use high amounts of imprinted polymer because of the competition for recognition sites between hydroxy-PAHs and phenolic compounds.