Actuellement une forte demande existe pour des dispositifs de détection chimique et biochimique en temps réel, miniatures, automatisés, bon marchés, et tout particulièrement pour l'étude des interactions biomoléculaires. Les capteurs à fibre optique basés sur la résonance des plasmons de surface (FO-SPR) peuvent répondre à cette attente sous réserve que leur fiabilité soit améliorée. En effet, pour rendre ces capteurs performants et compétitifs, il est nécessaire d'améliorer leur sensibilité et leur limite de détection. L'objectif de notre travail a consisté à optimiser la performance du capteur à fibre optique basé sur la résonance des plasmons de surface. Pour atteindre cet objectif, nous avons réalisé et étudié d'une part des fibres capteurs réalisées au laboratoire, et d'autre part, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis de déterminer les valeurs optimales des paramètres géométriques et physiques ajustables du capteur. Ainsi, des caractérisations de la surface métallique ont été réalisées afin d'en déterminer la rugosité et les permittivités diélectriques complexes puis d'en étudier l'influence sur la réponse du capteur FO-SPR. Finalement, le capteur a été utilisé dans une cellule microfluidique ce qui nous a permis de suivre en temps réel l'évolution de la réponse SPR en fonction de la cinétique des réactions de surface. L'implémentation de notre modèle numérique avec des paramètres cinétiques issus des mesures expérimentales met en évidence la capacité du capteur SPR à fibre optique à répondre aux attentes dans le domaine de la détection biochimique.

Dans ce travail, nous avons cherché à mettre en évidence l'influence de la méthode de préparation de films minces de polymère pour la biofonctionnalisation de surfaces planes. Dans un premier temps, un polymère réactif, le poly(méthacrylate de glycidyle) p(GMA) a été choisi et sa capacité de fixation vis-à-vis d'une biomolécule modèle l'albumine de sérum bovin a été étudiée. Deux stratégies principales de préparation du film polymère ont été utilisées : la technique du " grafting onto " et celle du grafting from " avec deux voies de synthèse : la polymérisation radicalaire classique (PRC) avec l'amorceur en solution et la polymérisation initiée à partir de la surface avec un amorceur photochimique. Il a été montré que la méthode du " grafting from " permettait l'obtention de films d'épaisseur plus élevées que la technique du " grafting onto " avec une meilleure capacité de fixation de biomolécules de BSA. Ces films de p(GMA) se sont révélés relativement hydrophobes, ce qui nous incités à analyser l'influence de la balance hydrophobe/hydrophile des interfaces sur leurs propriétés, dans un second temps. Par la préparation de films copolymères poly (GMA-co-acrylamide) et poly(GMA-co-méthacrylate de glycérol) et la modification des films de poly(GMA) par de l'éthanolamine, l'influence de l'hydrophilie du film sur la capacité de fixation en molécules de BSA et l'activité de reconnaissance moléculaire de celles-ci ont été évaluées. Il a été démontré que par un choix judicieux de la méthode d'hydrophilisation du film polymère, il est possible de réduire considérablement l'adsorption non-spécifique de biomolécules d'où l'obtention de films polymères bioinertes. De plus, les résultats préliminaires ont montré qu'il est possible d'améliorer sensiblement la capacité de reconnaissance moléculaire entre la BSA et son anticorps l'anti-BSA.

Il est connu depuis presque 50 ans que, dans certaines conditions, les dérivés de guanosine peuvent former des tétrades. Ces tétrades résultent de l'arrangement coplanaire de quatre guanines reliées par des liaisons hydrogène de type Hoogsteen. Ces motifs particuliers représentent un modèle pertinent pour l'étude des phénomènes d'auto-assemblage et de synthèses non covalentes via la formation de liaisons hydrogène. Dans la première partie de ce manuscrit nous décrirons comment l'utilisation d'un gabarit peptidique peut contraindre la formation d'une telle organisation. L'introduction de contraintes conformationnelles permet de contrôler la formation de tétrades de guanines synthétiques dans l'eau sans la présence de cation normalement nécessaire pour stabiliser de tels édifices. Deux architectures ont été développées et caractérisées et les études effectuées permettent de comprendre les phénomènes intervenant dans la structuration de ces tétrades synthétiques. Il est également connu que les acides nucléiques riches en guanines peuvent adopter des structures secondaires particulières, connues sous le nom de quadruplexes d'acides nucléiques, formées par l'empilement de tétrades de guanines. Ces motifs particuliers interviennent dans de nombreux phénomènes biologiques (maintenance des régions télomériques, activation des oncogènes, ...) et représentent des cibles intéressantes pour le développement de nouvelles thérapies anticancéreuses. Néanmoins l'étude des phénomènes de reconnaissance de ces motifs par de petites molécules organiques est perturbée par des phénomènes de polymorphisme inhérent aux motifs quadruplexes. Nous proposons dans un deuxième chapitre, le développement de mime de quadruplexe basé sur l'utilisation d'un gabarit peptidique pour le contrôle de la présentation de courtes séquences nucléotidiques et le développement d'architectures présentant une topologie contrôlée. Un intérêt tout particulier a été apporté à l'étude de l'interaction de petites molécules organiques avec de tels motifs par SPR. Les expériences réalisées confirment que l'approche employée peut être utilisée pour comprendre les interactions mises en jeu et sélectionner des ligands de quadruplexes performants.

<p>This thesis is focused on enzymatic studies of the secreted aspartic proteases (Saps) from <i>Candida albicans</i> as a tool for discovery of anti-<i>candida</i> drugs. <i>C. albicans</i> causes infections in a number of different locations, which differ widely in the protein substrates available and pH. Since <i>C. albicans</i> needs Saps during virulent growth, these enzymes are good targets for drug development.</p><p>In order to investigate the catalytic characteristics of Saps and their inhibitor affinities, substrate-based kinetic assays were developed. Due to the low sensitivity of these assays, especially at the sub-optimal pH required to mimic the different locations of infections, these assays were not satisfactory. Therefore, a biosensor assay was developed whereby, it was possible to study interaction between Saps and inhibitors without the need to optimise catalytic efficacy. Furthermore, the biosensor assay allowed determination of affinity, as well as the individual association and dissociation rates for inhibitor interactions.</p><p>Knowledge about substrate specificity, Sap subsite adaptivity, and the pH dependencies of catalytic efficacy has been accumulated. Also, screening of transition-state analogue inhibitors designed for HIV-1 protease has revealed inhibitors with affinity for Saps. Furthermore, the kinetics and pH dependencies of their interaction with Saps have been investigated. One of these inhibitors, BEA-440, displayed a complex interaction with Saps, indicating a conformational change upon binding and a very slow dissociation rate. A time dependent interaction was further supported by inhibition measurements. The structural information obtained affords possibilities for design of new more potent inhibitors that might ultimately become drugs against candidiasis. The strategy to combine substrate specificity studies with inhibitor screening has led to complementary results that generate a framework for further development of potent inhibitors.</p>

This thesis concerns the development of surface ligation techniques for the preparation of carbohydrate biosensors. Several methodologies were developed based on efficient photochemical insertion reactions which quickly functionalize polymeric materials, with either carbohydrates or functional groups such as alkynes or alkenes. The alkyne/alkene surfaces were then treated with carbohydrate azides or thiols and reacted under chemoselective Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) or photo-radical thiol-ene/yne click chemistry, thus creating a range of carbohydrate biosensor surfaces under ambient conditions. The methodologies were evaluated by quartz crystal microbalance (QCM) and surface plasmon resonance (SPR) flow through instrumentations with recurring injections of a range of lectins, allowing for real-time analysis of the surface interactions. The developed methods were proven robust and versatile, and the generated carbohydrate biosensors showed high specificities and good capacities for lectin binding.  The methods were then used to investigate how varying the glycan linker length and/or a sulfur-linkage affect the subsequent protein binding. The survey was further explored by investigating the impact of sulfur in glycosidic linkages on protein binding, through competition assays with various O/S-linked disaccharides in solution interactions with lectins. / QC 20120309

Reliable analytical tools are important for time efficient and economical process development, production and batch release of pharmaceuticals. Therapeutics recovered from human plasma, called plasma protein products, involve a large pharmaceutical industry of plasma fractionation. In plasma fractionation of human immunoglobulin G (hIgG) and albumin (HSA) recommended analysis techniques are regulated by the European Pharmacopoeia and are including total protein concentration assays and zone electrophoresis for protein composition and purity. These techniques are robust, but more efficient techniques with higher resolution, specificity and less hands-on time are available. Surface plasmon resonance is an optical method to study biomolecular interactions label-free in real time. This technology was used in this master thesis to set up assays using Biacore systems for quantification of HSA and hIgG from all steps of chromatographic plasma fractionation as a tool for process development and in-process control. The analyses have simplified mass balance calculations to a high extent as they imply specific detection of the proteins compared with using total protein detection. The assays have a low hands-on time and are very simple to perform and the use of one master calibration curve during a full week decreases analysis time to a minimum. Quick, in-process control quantification of one sample is easily obtained within &lt;10 minutes. For final QC of hIgG or for process development, an assay to quantify the distribution of the IgG subclasses (1-4) was set up on Biacore and showed significantly lower hands-on time compared with a commercial ELISA. All assays showed reliable quantification and identification performed in unattended runs with high precision, accuracy and sensitivity.

Surface plasmon waves are transverse magnetic electromagnetic waves propagating along a dielectric-metal interface. These waves can be excited by resonant absorption of electromagnetic radiation leading to surface plasmon resonance (SPR) at the interface. The resonance is characterised by a reduction in the intensity of the reflected light at the interface due to strong coupling of incident optical radiation to surface plasmons. This gives rise to a minimum at a sharply defined angle of incidence, referred to as SPR angle or plasmon angle. The phenomenon of SPR has been extensively used in the past to develop reflective type optical devices for sensing applications on account of the high dielectric function dependent sensitivity of the SPR angle. Basically, devices which exhibit this phenomenon have a structure consisting of a metal film sandwiched between two dielectrics. The reflectivity of such a device is theoretically modelled based on either theory of thin films (Fresnel's model) or theory of resonance (Lorentzian model). These models have very effectively predicted the behaviour of such devices based on the shift in SPR angle due to the dielectric function variations. We have been investigating the SPR device for intensity based metrological applications utilising its high angular sensitive reflectivity, with fixed SPR angle. In these intensity based applications or measurements, direct and simple expressions connecting intensity variation to angular change are unavailable in the literature and quantitative estimation or data inversion is based on either curve fitting or iterative methods. Fresnel and Lorentzian models have commonly been used in the experiments but data inversion through the Fresnel model is computationally complex and the Lorentzian model, although less complicated, gives erroneous results due to its approximate nature. In order to obtain a simple expression between intensity variation and the angular change, we have re-looked at the two existing models in order to derive an expression which has the simplicity of the Lorentzian model and the accuracy of the Fresnel model in the experiments with fixed plasmon angles. These efforts have been particularly directed to understand the relationship between intensity variation and meteorologically important properties of such devices. This thesis is an attempt to summarize the computational results which have led us to some novel experimental methodologies which have been used to exploit these devices for inverse type, illumination specific, SPR based applications. The work presented in this thesis is organised in six chapters. Chapter 1, gives an overview of optical sensing, theory of surface plasmons, excitation schemes for surface plasmons, development of the SPR device and its characterisation. It also includes a brief literature review in the area of surface plasmon resonance, covering both the theoretical and experimental aspects. The objectives of the work and the scope of the thesis are also presented. Chapter 2 presents the existing models of SPR device, based on Fresnel's and the Lorentzian models. These models allow reflectance calculations from knowledge of either the optical parameters that describe the layers or the parameters of the waves that propagate through them. Using these models, the inverse problem of estimating either the angle of incidence or the optical constants of the layers of the sensors utilizing the intensity based measurements is generally difficult. In order to solve this problem where the plasmon angles are fixed, a modified formalism for the angle scanned SPR spectrum of a three-layered SPR sensor is presented in this chapter. The new formalism regroups the wave vector parameters of Lorentzian resonance theory into a set of non-dimensional parameters 1, 4K and R. The new reflectivity index (1), which is the ratio of reflectance to the absorptance, has been introduced to help explain the physical processes underlying the device operation in the high sensitivity region of the characteristics. The parameter 4Kis a constant of the device and it depends on the dielectric constants of the device. This is a new SPR index and is identified at a point where reflectance and absorptance match. Parameter R is related to the loss mechanisms in the device and will be explained in detail in Chapter 3. This simple model links the new reflectivity index (1) to the angular detune from SPR angle (ΔƟ) and it brings out a parabolic variation of ΔƟ with 1. In this chapter the mathematical derivation of the proposed model is presented and the significance of the new parameters 1, 4Kand Rare discussed. Chapter 3 evaluates the characteristic nature of errors associated with the predictions from the proposed model and presents methods for neutralizing them. It is demonstrated with the help of the function K which is linearly dependant on 1, that the proposed model predicts the reflectance from the wave vector parameters as accurately as the Fresnel's model. This R parameter explains the slowly varying nature of the radiative loss with the angle of incidence and this variation contributes significantly to the SPR characteristics. As a consequence, it is found that the SPR characteristics can be represented as a sum of two primary functions which are parabolic and linear, respectively, and this leads to the easy explanation of the SPR characteristics. The present chapter also discusses a new observation that the angle-scanned SPR spectrum can be accurately described using a straight line in intercept form. The intercept value depends on 4Kand the slope depends on K. In addition to this, this chapter discusses practical methods for estimation of the intercept and the slope of such a straight line which are functions of the key wave vector parameters. A detailed discussion on the proposed model highlighting its advantages for inverse type, illumination specific, SPR-based applications with fixed SPR angle is also presented. Chapter 4 describes the applications of the proposed model for optical constant measurements. The first part highlights a new approach for the determination of the dielectric constants of the metal film used for the optimised- or nearly-optimised SPR sensors using the proposed model. In the complex dielectric constant, the real part is calculated from the SPR angle and the imaginary part from 4K. A discussion on the dielectric constant study of silver and gold metal film is presented. The advantages of the proposed approach such as its simplicity and direct methodology are then discussed. The second part of the chapter also proposes a new approach to carry out measurements on the absorbance of the medium with enhanced sensitivity utilising the parameter 4K It describes a computational study on the variation of 4K values with the dielectric function and highlights the relationship of 4K variation due to the imaginary part of the dielectric function (absorption) of the samples. The physical processes causing a change in the value of 4Kdue to absorption is also discussed along with some computational results. Chapter 5 reports the study carried out to bring out the importance of the new index,4K in metrological applications. Based on the new model, the effect of the laser beam divergence on SPR curve is studied. This chapter first of all discusses the design of the SPR device and the new methods for the development and characterisation of such a device. Details of the experimental procedure for laser divergence evaluation are proposed along with some of the significant computational results. Furthermore, a few applications such as focal length measurement of optical lenses, micro-displacement measurement based on the divergence of the laser beam are also reported. Since the SPR characteristics can be represented easily using the new model, the angular dependent intensity variation can be utilised for some metrological applications with simple data processing. In this context, the high angular sensitivity of the SPR device is studied and some applications such as micro-displacement measurement, pressure measurement and optical wedge angle measurement are included to highlight the above advantages. The last chapter, Chapter 6, gives a summary and conclusions of the work presented in the thesis. The scope for future investigations is also included in this chapter.

Variable pressure electron beam etching and lithography for Teflon AF has been demonstrated. The relation between dose and etching depth is tested under high vacuum and water vapor. High resolution structures as small as 75 nm half-pitch have been resolved. Several simulation tools were tested for surface plasmon excitation. Grating based dual mode surface plasmon excitation has been shown numerically and experimentally.

Les protéines eucaryotes Elmo (Engulfment and Cell Motility) forment une famille de régulateurs conservés qui jouent un rôle central dans les processus biologiques reposant sur le remodelage du cytosquelette d'actine comme la phagocytose et la migration cellulaire et régulé par les GTPases de la famille Rho. Les protéines Elmo régulent la fonction des protéines Dock (Downstream of Crk), qui sont des Facteurs d'Echange de Guanine (GEF) atypiques pour les GTPases Rac1 et Cdc42. Le mécanisme de régulation connu à ce jour, repose sur l'interaction entre les 200 résidus C-terminaux d'Elmo et les 180 premiers résidus N-terminaux de Dock. Cependant, le rôle précis des différents domaines et motifs identifiés dans ces régions n'est pas encore défini. En effet, les données fonctionnelles, biochimiques et structurales rapportées à ce jour semblent contradictoires quant à la contribution de l'extrémité C-terminale d'Elmo qui comprend un motif polyproline et le domaine SH3 N-terminal de Dock. Nous avons donc étudié la contribution de l'extrémité C-terminale de Elmo1 à l'interaction entre Elmo1 et le domaine SH3 de Dock1 en utilisant notamment la résonance plasmonique de surface. Nos données démontrent la capacité du domaine SH3 de Dock1 à interagir avec Elmo1, indépendamment de l'extrémité C-terminale contenant le motif polyproline. Toutefois, la présence de cette région conduit à une augmentation significative du temps de demi-vie du complexe Elmo1/Dock1. En parallèle, des expériences de diffusion des rayons X aux petits angles nous ont permis de déterminer des enveloppes tridimensionnelles de la protéine Elmo1. Ces données nous permettent ainsi de proposer un premier modèle à basse résolution dans lequel nous localisons les parties N et C-terminales de Elmo1. De façon surprenante cette étude semble indiquer un changement de conformation de la région N-terminale de Elmo1 ainsi qu'une interaction possible de cette même région avec le domaine SH3 de Dock1.

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.