Dans le domaine des capteurs chimiques et biologiques, les besoins toujours croissants en termes de sensibilité, de rapidité et de sélectivité de l’analyse nécessitent le développement de couches sensibles transductrices de plus en plus performantes. Dans ce contexte et dans l’optique de pouvoir détecter de petites molécules non électroactives, telles que l’atrazine (ATZ), nous avons conçu, caractérisé et développé des couches sensibles constituées de polymères conducteurs fonctionnalisés à empreintes moléculaires (MICP) et les avons intégrées au sein de capteurs électrochimiques et gravimétriques. A partir de solutions d’acétonitrile contenant de l’ATZ, molécule empreinte en interaction avec des monomères fonctionnels dérivés du thiophène (FM = TMA, TAA, EDOT, TMeOH ou Th), différents polythiophènes FM-MICP de structures et de fonctionnalités différentes ont été électrosynthétisés sur substrats d’or et utilisés pour la détection de l’ATZ. Nous avons montré que les propriétés de reconnaissance des FM-MICP résultaient de la présence en leur sein d’empreintes moléculaires, fonctionnalisées par les résidus FM, qui conservaient la mémoire géométrique et fonctionnelle des molécules cibles. Néanmoins, une adsorption non-spécifique se produit systématiquement à la surface des couches sensibles et affecte par conséquent la sélectivité de la reconnaissance. Les techniques de caractérisation de surface employées nous ont permis de mettre en évidence l’influence de l’épaisseur et des propriétés structurales des couches sensibles sur l’efficacité de la détection. En outre, nous avons montré que du fait de la porosité de la couche polymère, le processus de reconnaissance se produisait en volume. Par ailleurs, des mesures électrochimiques corrélées à des calculs semi-empiriques ont permis de démontrer l’influence de la nature de FM d’abord sur la force de l’interaction ATZ-FM au sein de la solution de pré-polymérisation, ensuite sur le nombre d’empreintes moléculaires et enfin sur la sensibilité des FM-MICP vis-à-vis de l’ATZ. La couche TAA-MICP, qui présente un faible seuil de détection (10-9 mol L-1) ainsi qu’une large gamme dynamique (10-8 à 10-4 mol L-1), est la plus performante des couches sensibles puisqu’elle offre le meilleur compromis entre une détection spécifique de l’ATZ relativement élevée et une adsorption non-spécifique relativement faible. Enfin, le TAA-MICP a été utilisé comme couche sensible au sein d’un capteur électrochimique original à ondes acoustiques de surface (ESAW) dans l’optique de réaliser des mesures gravimétriques et électrochimiques couplées et simultanées. / In the field of chemical and biological sensors, the increased need for better sensitivity, faster response and higher selectivity during an analysis process, requires the development of more and more efficient transducing sensing layers. In this context, and with the aim to detect small non-electroactive molecules, such as atrazine (ATZ), we designed, characterized and developed sensing layers constituted by functionalized Molecularly Imprinted Conducting Polymers (MICP) and we integrated them into electrochemical and gravimetrical sensors. Starting from acetonitrile pre-polymerization media containing ATZ as template molecules in the presence of thiophene-based functional monomers (FM, namely TMA, TAA, EDOT, TMeOH or Th), differently functionalized and structurally different polythiophene-based FM-MICP films were electrosynthesized onto gold substrates and used for ATZ detection. The sensing properties of FM-MICP layers were shown to result from the presence in their backbones of pre-shaped FM-functionalized imprinted cavities which keep the memory of the targets. Nevertheless, non-specific adsorption onto the surface of the sensing layers takes place systematically, which affects the selectivity of the recognition process. Thanks to surface characterization techniques, we highlighted the influence of the thickness and of the structural properties of the layers on the efficiency of the recognition process. Besides, this latter was shown to operate in the bulk of the polymer matrixes thanks to layers porosity. On another hand, electrochemical measurements correlated with semi-empirical calculations demonstrated the influence of the nature of FM on the strength of the ATZ-FM interaction in the pre-polymerization medium, and then on the number of ATZ molecular imprints and on the sensitivity towards ATZ of the FM-MICP layers. We showed that TAA-MICP, which presents a low limit of detection (10-9 mol L-1) and a large dynamic range (10-8 to 10-4 mol L-1), is the best sensing layer since it offers the best compromise between high level of specific detection of ATZ and low level of non-specific adsorption. Finally, TAA-MICP was used as sensitive layer in an original Electrochemical Surface Acoustic Wave sensor (ESAW) which enabled simultaneous coupled gravimetric and electrochemical measurements.

Les matériaux énergétiques résiduels de l’entraînement militaire peuvent être dommageables pour la santé publique et pour l’environnement. Des critères environnementaux existent pour chacun de ces contaminants qui doivent être respectés afin d’assurer la qualité des eaux et des sols. Ainsi, à proximité des bases militaires, leur concentration respective doit être constamment sondée afin de respecter ces limites. Cependant, comme les méthodes de mesure actuelles sont compliquées et longues, elles ne permettent pas de suivre réellement ces concentrations. L’intérêt envers des capteurs usant de résonance de plasmons de surface (SPR) a grandement crû au cours des dernières décennies grâce à leur haute sensibilité et la rapidité de mesure. Les liquides ioniques polymériques à empreinte moléculaire représentent une nouvelle classe de polymères prometteuse qui pourrait permettre une approche novatrice et adaptable pour l’extraction de contaminants organiques dans l’eau. Ces polymères combinent les propriétés extractrices des liquides ioniques et la sélectivité adaptable des polymères à empreinte moléculaire (MIP). Le monomère de liquide ionique peut être conçu pour obtenir des interactions optimales avec l’analyte. De plus, les MIPs ont l’avantage d’être hautement modulables : le simple changement de l’empreinte utilisée lors de sa polymérisation conduisant à une nouvelle sélectivité, d’où le potentiel prometteur de la méthode présentée. Différents MIPs à base de liquide ionique ont été utilisés pour fonctionnaliser des surfaces d’or pour tester, via la SPR, leur capacité à quantifier le cyclotriméthylènetrinitramine (RDX). Les résultats obtenus montrent que ces MIPs présentent un bon effet d’empreinte. Cependant, quelques problèmes persistent concernant la reproductibilité de la fonctionnalisation des surfaces d’or. Les résultats semblent toutefois montrer que cette combinaison de liquides ioniques polymériques à empreinte moléculaire avec l’analyse par SPR est une alternative prometteuse pour la détection et la quantification de contaminants présents en quantité dans l’ordre du picomolaire. / Energetic material residues from military training munition are potentially harmful and need to be constantly surveyed in order to never exceed the environmental criterion. Yet, current methods are tedious and fail to provide real-time concentration of these contaminants. Surface plasmon resonance (SPR) based sensors have gained high interest in the past decade due to their great sensitivity and the possibility of rapidly assessing samples. Molecularly imprinted polymeric ionic liquids are a promising new class of polymer that could bring a novel and adaptable approach for selective extraction of organics in water. They combine the ionic liquid’s extraction properties to molecularly imprinted polymer’s (MIP) tunable selectivity. The ionic liquid monomer is designed for optimal interaction with the energetic material, as its anion greatly affects he monomer’s solubility and interaction. Chemically, MIPs have the great advantage of being very versatile. In other words, changing the template is enough to modify the MIP’s selectivity. Hence, the potential of the method presented here is highly promising. Various molecularly imprinted polymeric ionic liquids grafted on gold thin films have been tested via SPR for the quantification of energetic materials. The results show that the molecularly imprinted polymers film displayed good imprinting effect. Yet there still are issues concerning the reproducibility of the gold’s surface functionalization. The results in the following experiments suggested that a combination of SPR sensing with molecularly imprinted polymeric ionic liquids is a promising alternative method for subnanomolar detection of energetic materials in aqueous media.

L’impression moléculaire de polymères est une technique utile pour créer des récepteurs artificiels capables de lier sélectivement des substrats. Cette propriété de reconnaissance rend les polymères à empreintes moléculaires particulièrement intéressants pour développer des catalyseurs macromoléculaires. Notre objectif a ainsi été d’accéder à un catalyseur supramoléculaire recyclable et capable d’oxyder des dérivés du soufre dans des conditions hétérogènes en présence d’un oxydant doux et éco-compatible tel que le peroxyde d’hydrogène. Compte-tenu de l’engagement du laboratoire dans la lutte contre les armes chimiques, nous avons décidé d’orienter nos travaux vers la mise au point d’un système catalytique qui serait utile pour la décontamination de surfaces ou de matériels, suite à l’exposition à certains composés dont la détoxification passe par l’oxydation sélective d’un sulfure. Nous avons ainsi préparé un MIP à base de porphyrine dont nous avons testé l'efficacité dans l'oxydation de divers sulfures d’intérêt. Les conditions douces utilisées pour la catalyse ont ainsi permis de contrôler le degré d’oxydation d’un simulant de l’ypérite, en obtenant avec une très grande sélectivité le dérivé sulfoxyde, sans que le dérivé sulfone qui serait tout aussi toxique que l’arme chimique elle-même ne se forme. Aves des structures plus proches de celle du VX, nous avons montré qu’il était possible d’oxyder régiosélectivement le soufre, et mis en évidence l’intérêt de ce procédé pour faciliter le clivage d’une liaison C-S. Cette approche représente donc une stratégie de décontamination intéressante qu’il conviendra d’évaluer dans le cas de véritables agents de guerre chimique. / Molecular imprinting polymer is a useful technique for creating artificial receptors able of selectively binding substrates. These recognition properties are particularly interesting for developing macromolecular catalysts. Our aim was to access to a reusable supramolecular catalyst able of oxidizing sulfur derivatives under heterogeneous conditions in the presence of a mild and eco-sustainable oxidant such as hydrogen peroxide. Given the expertise of the team, we decided to focus our work on the development of a catalytic system for the decontamination of surfaces or equipment, after an exposure to compounds that can be detoxified by a selective oxidation of sulfides. Thus, we prepared a porphyrin-based MIP that we tested in the oxidation of various sulfides. The mild conditions used for the catalysis allowed a control of the oxidation degree of a simulant of yperite, leading to a great selectivity the sulfoxide derivative, and avoiding the toxic sulfone formation. With other structures similar to VX, we showed that it is possible to regioselectively oxidize the sulfur atom, and highlighted the interest of this process to facilitate the cleavage of a C-S bond. This approach is then an interesting decontamination strategy that will be evaluated in the future to the case of true chemical warfare agents.

Afin de répondre à une demande toujours croissante en capteurs, des systèmes de mesures optiques permettant la détection de récepteurs naturels ou synthétiques sur des substrats inorganiques ont été élaborés. Par résonance des plasmons de surface (RPS), nous avons montré que des films minces à base de copolymères de N-(acryloxysuccinimide) et de dérivés acrylates de poly (éthylène glycol) ou qu'un film mince de polyglycidol présentaient une résistance accrue à l'adsorption non-spécifique des protéines et qu'ils permettaient un greffage covalent de biomolécules par l'intermédiaire de leurs groupements réactifs respectifs. Un nouveau capteur basé sur la technologie des réseaux de Bragg en angle gravés sur une fibre optique a ensuite été développé et caractérisé grâce à l'emploi de films multicouches présentant des propriétés sélectives et réversibles de reconnaissance par formation de complexes d'inclusion entre des polymères de cyclodextrine et des dérivés de l'adamantane. A partir de cette fibre optique, il a aussi été possible de suivre en temps réel les transition de conformation interfaciale de chaînes de poly (acide acrylique) immobilisée de façon covalente au support en fonction du pH. Pour les deux approches, multicouche et covalente, des biocapteurs pour la détection de l'albumine de sérum bovin (BSA) ont été réalisés. De plus, les propriétés d'inclusion des cyclodextrines ont aussi été mises à profit pour complexer des petites molécules hydrophobes telles que le toluène pour élaborer un capteur chimique. Enfin, afin d'éviter l'utilisation d'un matériel biologique, des polymères à empreinte moléculaire (MIP) ont aussi été développés. La sélectivité, la spécificité et la sensibilité des films minces envers la molécule cible d'acide gallique, ont été évaluées par voltammétrie cyclique. Les résultats obtenus permettent d'affirmer que ces polymères se comportent comme de véritables récepteurs artificiels / To answer to an always increasing request in sensors, optical measurement systems allowing the detection of natural or synthetic receptors on inorganic substrates were elaborated. By Plasmon Surface Resonance (SPR), we showed that thin films constituted with copolymers of N-(acryloxysuccinimide) and poly (ethylene glycol) acrylates derivatives or that a thin film of polyglycidol presented a strong resistance in non-specific protein adsorption and that they allowed a covalent grafting of biomolecules through their respective reagent groupings. A new sensor, a tilted fiber Bragg gratings was then developed and characterized by using multilayers films presenting selective and reversible properties of recognition by forming inclusion complexes between polymers of cyclodextrine and adamantine derivatives. From this optical fiber, it was also possible to follow in real time interfacial conformation transition, according to the pH, of poly(acrylic acid) chains immobilized covalently on the substrate. For both approaches, biosensors for the detection of bovin serum albumin (BSA) were realized. Furthermore, the inclusion properties of cyclodextrine compounds allowed also the complexation of small hydrophobic molecules such as toluene, which forming chemical sensors. Finally, to avoid the use of a biological material, molecular imprinted polymers (MIP) were also developed. Their selectivity, specificity and sensibility toward gallic acid, the target molecule, were estimated by cyclic voltammetry. The results confirm that these polymers can be considered as artificial receptors

L’objectif de cette thèse a consisté en la synthèse d’un polymère à empreinte moléculaire (MIP) permettant l’extraction du phosmet, un pesticide organophosphoré largement utilisé en oléiculture. La recherche du monomère fonctionnel (MF) disposant de la meilleure capacité à interagir de manière non-covalente avec le phosmet en présence du solvant porogène le plus approprié a été réalisée pour la toute première fois au moyen d’un capteur à acétylcholinestérase. Cette stratégie innovante a permis une meilleure compréhension des mécanismes cinétiques à l’œuvre lors de l’interaction MF-molécule cible. De par l’importance de son rôle dans la détermination de la structure d’un MIP, le choix d’un agent réticulant aux caractéristiques physico-chimiques adéquates a permis de sélectionner le meilleur MIP en s’appuyant sur l’étude des isothermes d’adsorption selon les modèles de Freundlich et Langmuir. La procédure d’extraction du phosmet selon la procédure MISPE (Molecularly Imprinted Solid Phase Extraction) a été effectuée par le biais d’une cartouche SPE dont la capacité a été évaluée à partir d’une solution standard. La validation du choix des réactifs de MIP sélectionnés a été confortée par la réalisation d’une expérience de réactivité croisée appliquée à une molécule analogue au phosmet. L’extraction du phosmet de l’huile d’olive a pu être effectuée avec succès selon un protocole d’extraction en flux inverse optimisé. Cette étude ouvre ainsi la voie à la recherche de nouvelles interactions MFs-molécules cibles au moyen de biocapteurs enzymatiques inhibant des composés toxiques tels que les herbicides, fongicides et autres pesticides. / The objective of this thesis has been the synthesis of a molecularly imprinted polymer (MIP) for the extraction of phosmet, an organophosphorus pesticide widely used in olive growing. The search for the functional monomer (FM) having the best ability to interact non-covalently with phosmet in the presence of the most suitable pore-forming solvent was carried out for the first time by means of an acetylcholinesterase sensor. This innovative strategy allowed us to better understand the kinetic mechanisms of FM-template interaction. Because of the importance of its role in determining the structure of a MIP, the selection of a crosslinking agent with adequate physicochemical characteristics made it possible to select the best MIP, whose adsorption isotherms were studied according to Freundlich and Langmuir models. Extraction of phosmet using a Molecularly Imprinted Solid Phase Extraction (MISPE) procedure was carried out via an SPE cartridge, whose capacity was evaluated from a standard solution. The choice of reagents and experimental conditions were validated by carrying out selectivity assays using another organophosphorus insecticide. Extraction of phosmet from olive oil was successfully carried out according to an optimized reverse flow extraction protocol. This work opens new opportunities for studying new FM-template interactions by means of enzymatic biosensors capable of detecting other inhibitors such as herbicides, fungicides and other pesticides.

Les capteurs électrochimiques sont des outils pour la détection fiable, peu coûteux, avec une haute sensibilité et sélectivité, pour la détermination des composés biologiques et chimiques dans les domaines du diagnostic clinique, l'environnement et l'industrie alimentaire. Particulièrement, les Immunocapteurs, alliant une très grande spécificité. Également des nouveaux techniques produisent des résultats similaires, par exemple, les capteurs basés sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire, la quelle produise des récepteurs artificiels. La technique devient très important dans les sciences bioanalytiques parce qu'il porte des avantages inhérents sur les récepteurs naturels: une grande stabilité dans des diffèrent environnement et conditions, également comptent avec une grande flexibilité dans la conception, une large gamme de molécules peuvent être utilisées. L'objectif du travail présenté ici est de développer des capteurs électrochimiques avec une très grande affinité et spécificité pour une analyte. Les quelles comprennent des applications très divers comme dans la protection de l'environnement, la sécurité alimentaire et le domaine biomédical. La première partie de la thèse présent l'état actuel de la conception et techniques de fabrication des biocapteurs. Ensuite, les aspects généraux des immuno capteurs électrochimiques et capteurs base sur des aptamères sont présentés ici, ainsi que plusieurs exemples rapportés dans la littérature pour la détection de marqueurs biologiques du cancer. Les avantages de l'intégration nanomatériaux dans les dispositifs de détection sont présentés. Ensuite, plusieurs aspects sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire sont introduits. La partie personnelle de contribution est structuré en trois chapitres: en premier temps la méthodologie et les résultats obtenus pour le développement de deux essais biologiques pour la détection du marqueur tumoral Mucinl. Le premier chapitre est dédié sur un capteur à base de billes magnétiques, dans le deuxième chapitre une capteur aptamère base sur des nanoparticules d'or sans aucun marquage et finalement un capteur basée sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire, cette protocole a été appliqué pour la détection d'explosifs, des médicaments, des hormones et les pesticides / Electrochemical sensors provide reliable and inexpensive tools for the determination of biological and chemical compounds with high sensitivity and selectivity, in the fields of clinical diagnosis, environment protection and food industry. Immunosensors hold particular promise, combining the high specificity of immuno- reactions with the sensitivity of electrochemical methods. Artificial receptors based on molecularly imprinted technique attracted considerable attention in bioanalytical sciences due to inherent advantages over natural receptors, such as high stability in harsh conditions and freedom of molecular design towards a wide range of molecules. The aim of the thesis presented here was to develop electrochemical affinity sensors based on various recognition receptors for environment monitoring, food safety and biomedical field. The first part of the thesis reviews the current state of knowledge in these fields. General aspects of electrochemical immuno- and apta-sensors are presented herein, together with several examples reported in the literature for the detection of cancer biomarkers. The advantages of integrating nanomaterials in sensing devices are then presented. At last, several aspects of the molecularly imprinted polymers are introduced. The personal contribution part is structured in three chapters, that include the methodology and results obtained for the development of biosensors for the detection of Mucinl tumor marker, the first chapter being focused on bioassays based on magnetic beads and second chapter on a label-free aptasensor based on gold nanoparticles, and finally, a third chapter dedicated to the molecularly imprinted-based sensors for the detection of explosives, drugs, hormones and pesticides