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 microcalorimétrie. 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 microcalorimétriques 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 recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.

Encore aujourd'hui, la majorité des analgésiques utilisés en clinique pour le traitement des douleurs modérées à sévères ciblent le récepteur opioïdergique mu (MOP). Toutefois, l'usage répété d'opiacés s'accompagne de plusieurs effets secondaires, comme la constipation, la nausée et la sédation. De plus, il est maintenant bien établi que les différents agonistes de MOP n'ont pas tous le même potentiel analgésique autant qu'ils n'activent pas tous les mêmes cascades de signalisation à un niveau similaire. Ce dernier concept est connu sous l'appellation de sélectivité fonctionnelle. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires menant respectivement à l'effet analgésique et aux effets secondaires devrait ainsi permettre de développer de nouveaux candidats présentant un effet thérapeutique tout en s'accompagnant de peu d'effets secondaires. La signalisation intracellulaire est habituellement caractérisée via l'utilisation de méthodes ne permettant l'analyse que d'un seul paramètre, tels que la mesure de la mobilisation du calcium intracellulaire ou encore la production d'AMPc. Or, l'étude de la sélectivité fonctionnelle requiert plutôt une approche permettant d'évaluer les réponses cellulaires globales suivant l'activation d'un récepteur. Dans cette optique, plusieurs biosenseurs sans marqueurs ont récemment été développés afin de répondre à ce besoin. Dans cette étude, nous avons donc utilisé la spectroscopie par résonance des plasmons de surface comme approche sans marquage pour étudier la signalisation de MOP suivant son activation par la morphine et le DAMGO, deux agonistes présentant des propriétés de signalisation nettement distinctes. Plus précisément, trois voies de signalisation de MOP ont été ciblées, soit le couplage aux protéines G, l'activation de ERK1/2 et l'internalisation du récepteur. Malgré le fait que les signaux SPR de la morphine et du DAMGO ne montrent aucune différence notable, les résultats obtenus démontrent que la SPR est une technique très sensible pour étudier la signalisation suivant l'activation de MOP. À cet effet, nos résultats montrent que les signaux SPR sont initiés par l'activation de la protéine Gαi et que les niveaux d'AMPc ainsi que les kinases ERK1/2 contribuent grandement au signal SPR. Finalement, nos résultats démontrent que certains antagonistes de MOP se comportent plutôt comme des agonistes partiels ou inverses.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la recherche et le développement de capteurs chimiques. Il est motivé par un besoin toujours croissant d'outils de détection dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité et l'environnement. Nous présentons l'étude de capteurs basés sur le principe de résonance plasmons de surface - SPR. L'intérêt de ce type de capteurs est principalement lié à leur grande sensibilité, leur réponse rapide en temps réel et leur grande précision sans l'utilisation de marqueurs. L'originalité de notre approche est l'utilisation de fibres optiques. Celles-ci offrent de nouveaux attraits tels la simplification de l'instrumentation et sa miniaturisation. <br />Dans une première partie, nous présentons une revue théorique sur les plasmons de surface à l'interface métal – diélectrique. Nous présentons ensuite une étude expérimentale en deux parties : la première décrit la réalisation et la caractérisation des capteurs SPR à fibre optique, la seconde présente l'analyse de la réponse SPR des transducteurs ainsi réalisés. En particulier nous avons caractérisé par des études systématiques l'influence de paramètres physiques importants liés au métal, à la fibre optique et au traitement de surface de la partie sensible par le greffage d'une couche de thiols.<br />Enfin, nous proposons une étude numérique simulant la réponse du capteur en fonction de différents stimuli. Ce modèle, basée sur le calcul de la réflectance de la lumière à l'interface d'un ensemble multicouches nous a permis de valider l'étude expérimentale et d'étendre les recherches en prenant en compte différent type de molécules cibles. En particulier, nous présentons des résultats sur des molécules absorbants ou non absorbants, greffées ou non à la surface du transducteur. Une comparaison entre résultats expérimentaux et simulations numériques valide l'ensemble du travail et nous permet finalement de proposer une configuration optimisée du capteur, en fonction de la nature de la couche métallique et de la fibre optique, ainsi que des molécules cibles à détecter.

Le but de cette thèse est de concevoir une puce à sucres, compatible avec un système optique d'imagerie en résonance des plasmons de surface (SPRi), afin d'analyser simultanément de multiples interactions protéine/oligosaccharide en temps réel. La réalisation d'un système modèle, ayant comme sucre sonde, l'héparine, est proposée. La modification du sucre par un pyrrole permet de le déposer sur une surface d'or par électrocopolymérisation. Cette chimie nécessite la construction de molécules « pyrrole - bras espaceurs » compatibles avec les propriétés des sucres utilisés. La puce utilisable en SPRi est ensuite fabriquée par électrocopolymérisations successives. Ces plots formés peuvent être caractérisés par MEB et par AFM. Des expériences préliminaires utilisant des traceurs fluorescents ont permis de valider le système ainsi que la chimie proposée ; la fluorescence observée est spécifique de l'interaction biologique grâce à la présence de négatifs. Les études d'interactions biologiques suivies par SPRi ont alors été réalisées ; la sensibilité de l'interaction est confirmée. Grâce à l'acquisition en temps réel des interactions, les cinétiques d'association et de dissociation du complexe oligosaccharide/protéine sont observées puis optimisées. De plus, les puces fabriquées sont régénérables mais aussi réutilisables sur plusieurs mois, ce qui permet l'étude des paramètres chimiques et biologiques. Cette approche est appliquée finalement à plusieurs problématiques biologiques.

Les puces à ADN, dont la détection est réalisée par fluorescence, ont démontré leur efficacité pour l'identification du génome depuis plusieurs années. Cependant, si on s'intéresse à l'analyse fine des interactions mises en jeu, c'est à dire visualiser en temps réel la cinétique de l'interaction, le marquage est susceptible de changer la distribution de charges et par la même de modifier l'affinité des sites de reconnaissance. Parmi les approches s'affranchissant du marquage fluorescent, notre choix s'est porté sur une détection optique, par ellipsométrie spectroscopique et / ou par la lecture de la résonance des plasmons de surface (RPS), des interactions, présentant le compromis le plus intéressant entre sensibilité et capacité de miniaturisation. <br /><br />Ces techniques optiques reposant sur la mesure couplée de l'épaisseur et des indices optiques de la couche adsorbée. Dans une première étape, la détermination statistique par Microscopie à Force Atomique de microstructures lithographiées et fonctionnées par des monocouches biomimétiques a permis d'estimer les variations d'épaisseurs nanométriques induites par l'adsorption des molécules étudiées. Si l'ellipsométrie spectroscopique présente une très grande sensibilité ex situ à l'indice optique, l'étude angulaire de réflectivité RPS s'avère être la technique optique la plus sensible en milieu liquide. Nous avons montré, par ailleurs que la lecture spectroscopique du déphasage de la réflectivité RPS est 100 x plus sensible que l'étude angulaire et permet de déterminer séparément les épaisseurs, le modèle d'indices optiques (gradient, fraction volumique) de la couche biologique.<br /><br /> Le passage d'une analyse monocapteur à une lecture multicapteurs a été étudié par deux modes de microscopies RPS : <br />- l'imagerie en champ lointain par CCD permet outre la rapidité d'acquisition, d'intégrer 1 000 capteurs / cm2 <br />- la microscopie spectroscopique ellipsométrique à balayage, compte de tenu de la convolution du faisceau incident avec la surface microstructurée est limitée à 256 capteurs / cm2 mais présente l'avantage d'acquérir localement un spectre qui servira à une analyse paramétrique (indices optiques, fraction volumique, épaisseur).

L'immobilisation de protéines ancrées à des lipides à l'interface air-eau ou solide-eau permet aux protéines d'interagir avec des molécules en solution. Dans le cas des cadhérines, protéines d'adhérence cellulaire, ce système mime la surface d'une cellule. Les interactions entre domaines extracellulaires de cadhérines nécessitent la présence d'ions calcium. Des monocouches de C-cadhérine et de VE-cadhérine formées à la surface de l'eau ont été étudiées en variant la concentration en calcium de la solution. La densité massique surfacique apparente de protéines a été évaluée par ellipsométrie. Le profil de densité électronique des monocouches a été déterminé par réflectivité des rayons X en ncidence rasante. Les résultats obtenus suggèrent que les cadhérines forment des complexes antiparallèles pouvant en partie être dissociés par l'appauvrissement de la solution en calcium. La résonance des plasmons de surface a permis d'évaluer la densité de molécules déposées sur un substrat solide.

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.

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.

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