Molecular and functional analysis of small molecule binding to protein can provoke insights into cellular signaling and regulatory systems as well as facilitate pharmaceutical drug discovery. In label free small molecule detection the displacement assay format can be applied. This assay format comprises the displacement of receptor molecules bond to immobilized ligand by a competition reaction with ligand in solution. This is beneficial because displacement of high molecular receptors is detected compared to low molecular ligand as in classical binding analysis therefore potentially lowering the method detection limit. It was hypothesized that with choosing appropriate measuring methods and theoretical modeling reaction rate constants can be determined separately in every kinetic stage of the assay format. Herein elucidating the dominant valence of antibody antigen binding in the established assay was of great importance. Using the Influenza Hemagglutinin (HA) peptid binding to mono or bivalent Anti-Hemagglutinin peptide antibody displacement assay formats could be established. The exact time resolved analysis of binding and dissolution of ligand HA and Anti-Hemagglutinin peptide antibody was achieved with surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. Mathematical models could be developed from kinetic equations of ligand binding to mono or bivalent antibody. With this, an accurate simulation of the SPR results was reached. The simulation plot had to be exactly adjusted to the SPR results to determine all kinetic rate constants defining ligand and receptor binding kinetics. Large variations in receptor concentration gave almost identical rate constants in binding; this proves the quality of SPR measurements and demonstrates consistence between measurement, simulation, and binding model. Maximum decline of SPR response could be used to determine ligand concentrations in analyte. Displacement dependence from antigen concentration was found to be exponential and was explained by rebinding. Kinetic data and models could be transferred for the simulation of almost stationary displacement assay formats realized with impedance and fluorescence spectroscopy. With the obtained results it was possible to detect the displacement of the bacterial signaling autoinducer AI-2 by a displacement assay format using periplasmic binding protein LuxP as receptor. Concluding it can be said that the hypothesis could be proved and the obtained results can facilitate the use of displacement assay formats in biosensing. Displacement assay formats should be especially interesting in small molecule detection and in compact integrated mass sensitive sensor designs suitable as mobile sensors in outdoor screening. / Die Analyse des Bindungsverhaltens niedermolekularer Liganden an Proteine ist für die Aufklärung von biologischen Regulationssystemen oder bei der Suche neuer medizinischer Wirkstoffe von Wichtigkeit. Ein markierungsfreies Detektions¬prinzip zur Erfassung niedermolekularer Liganden ist die Displacement- oder Replacement-Methode. Bei dieser tritt die Bindung des Rezeptors an den immobilisierten Liganden mit der Bindung an freien Liganden in Konkurrenz, sodass anstelle der niedermolekularen Liganden die hochmolekularen Rezeptoren detektiert werden können. In dieser Arbeit wurde von der Hypothese ausgegangen, dass durch die Auswahl geeigneter Messverfahren und der zugeordneten Modellierung die einzelnen kinetischen Stadien des Displacements separat zur Bestimmung der kinetischen Konstanten der Displacementprozesse genutzt werden können. Dabei sollte unter anderem auch eine Aussage über die dominierende Valenz der Antigen-Antikörper-Bindung erreicht werden. Hierzu wurden auf der Basis des Modellsystems Hämagglutinin-Peptid/ Hämagglutinin-Antikörper Displacement-Assays mit mono- und bivalenten Anti-körpern entwickelt, anhand derer eine genaue zeitaufgelöste Analyse des Bindungs- und Ablösungsverhaltens vom Liganden HA an den Anti-HA-Antikörper (Rezeptor) mittels Oberflächenplasmonenresonanz(SPR)-Spektroskopie erzielt wurde. Ausgehend von den Reaktionsgleichungen zwischen Liganden und mono- und bivalenten Rezeptoren wurden mathematische Modelle entwickelt, die eine exakte Simulation der SPR-Ergebnisse ermöglichten. Durch genaues Anpassen der Simulationsplots an die Messplots konnten alle Ratenkonstanten, die die Kinetik der Reaktionen zwischen Liganden, Rezeptoren und ihren Komplexen bestimmen, ermittelt werden. Da auch für eine große Variation der Rezeptorkonzentrationen in der Analytlösung nahezu identische Werte für die Ratenkonstanten erhalten wurden, ergeben Messungen und Simulationen ein konsistentes Bild der Anbindungskinetik und bestätigen die Qualität der Messungen. Aus Messungen des maximalen Responsabfalles kann die Konzentration der freien Antigene beim Displacement ermittelt werden. Man findet eine exponentielle Abhängigkeit des Displacements von der Konzentration der freien Antigene, die sich durch den sogenannten „Rebindingeffekt“ erklären lässt. Die gewonnenen kinetischen Daten und entwickelten Modellierungsverfahren konnten zur Simulation quasistationärer Detektionsverfahren, die mit Fluoreszenz- und Impedanzspektroskopie durchgeführt wurden, erfolgreich angewandt werden. Die erzielten Erkenntnisse konnten auf ein wissenschaftlich herausforderndes biologisches System (LuxP/AI2) angewandt werden, bei dem das niedermolekulare Signalmolekül AI2 über ein Displacementassay detektiert wurde. Dieses System ermöglicht einen Einblick in die Intra- und Interspezieskommunikation bei Bakterien. Insgesamt zeigt sich, dass die hier formulierte Hypothese als bewiesen angesehen werden kann. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen verschiedene Einsätze der Displacementmethode in der Biosensorik. Insbesondere lassen sich damit kleine Moleküle markierungsfrei quantitativ bestimmen, ohne hoch präzise Analysengeräte einsetzen zu müssen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, sehr kompakte integrierte massensensitive Sensoren, die nicht die Empfindlichkeit hochempfindlicher SPR-Spektrometer erreichen, zur Detektion kleiner Moleküle einzusetzen. Dies ist besonders für mobile Anwendungen von Interesse.

Recent advances in nanofabrication techniques have opened up new avenues and numerous possible applications in both nanoscale electrochemistry and analytical nanoscience by enabling the fabrication of reproducible nanoelectrodes with different new geometries. Nanoelectrodes exhibit advantages including enhanced mass transport, higher current densities, improved signal-to-noise ratios, and lower ohmic drop. In this dissertation, the use of nanoelectrodes in the electrochemical response properties investigations or in the spectroelectrochemical studies is the unifying factor among all the chapters. First (in Chapter 4), we presented a direct comparison between the electrochemical characteristics of two finite nanoelectrodes arrays with different geometries: 6 × 6 recessed nanodiscs and nanorings microarrays. Using computational methods, it was demonstrated that the electrode geometry’s parameters have a drastic influence on the mass transport properties of the nanoelectrodes. The results presented here are the first combination of experimental and numerical studies that elucidate the transport on nanoring electrode arrays. The comparison of the electrochemical behavior between nanostructures using full 3D simulations is also unique. Second, we have provided a comprehensive numerical study on the redox cycling performance properties of a 6 × 6 recessed nanorings-ring electrode array configuration. The simulation results were in good agreement with the experimental data. After validating the model against experiments, a comprehensive computational investigation revealed avenues to optimize the performance of the structure in terms of geometric parameters and scan rates. The second half of this dissertation is comprised of the spectroelectrochemical studies. The combination of surface plasmon resonance with electrochemistry presents new paths to investigateredox reaction events at the electrode surface since it brings an additional dimension to the classical electrochemical approaches. Third, we have reported a novel active plasmonic device based on a new switching mechanism for the nanohole electrodes array to bridge between photonics and electronics at nanoscales. The inner surfaces of the nanohole electrodes in the array were coated with an electroconductive polymer, polypyrrole, (PPy). Then, it was shown that light transmitted through the PPy- modified nanohole electrodes can be easily tuned and controled by applying an external potential. We were also able to switch on and off the transmitted light intensity through the modified nanohole arrays by potential steps, demonstrating the potential of this platform to be incorporated into optoelectronic devices. Finally, we have fabricated larger area plasmonic periodic nanopillar 3D electrodes using a rapid, high-throughput, and cost-effective approach: the laser interference lithography. Then, the electrochemical behavior of these electrodes was investigated both experimentally and computationally. The properties were ‘compared with a flat electrode with an equivalent geometric area. Afterward, we have successfully probed the changes in the concentration of a reversible redox pair near the electrode surface induced by various applied potentials, in an in-situ EC-SPR experiment. / Graduate

Molecular and functional analysis of small molecule binding to protein can provoke insights into cellular signaling and regulatory systems as well as facilitate pharmaceutical drug discovery. In label free small molecule detection the displacement assay format can be applied. This assay format comprises the displacement of receptor molecules bond to immobilized ligand by a competition reaction with ligand in solution. This is beneficial because displacement of high molecular receptors is detected compared to low molecular ligand as in classical binding analysis therefore potentially lowering the method detection limit. It was hypothesized that with choosing appropriate measuring methods and theoretical modeling reaction rate constants can be determined separately in every kinetic stage of the assay format. Herein elucidating the dominant valence of antibody antigen binding in the established assay was of great importance. Using the Influenza Hemagglutinin (HA) peptid binding to mono or bivalent Anti-Hemagglutinin peptide antibody displacement assay formats could be established. The exact time resolved analysis of binding and dissolution of ligand HA and Anti-Hemagglutinin peptide antibody was achieved with surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. Mathematical models could be developed from kinetic equations of ligand binding to mono or bivalent antibody. With this, an accurate simulation of the SPR results was reached. The simulation plot had to be exactly adjusted to the SPR results to determine all kinetic rate constants defining ligand and receptor binding kinetics. Large variations in receptor concentration gave almost identical rate constants in binding; this proves the quality of SPR measurements and demonstrates consistence between measurement, simulation, and binding model. Maximum decline of SPR response could be used to determine ligand concentrations in analyte. Displacement dependence from antigen concentration was found to be exponential and was explained by rebinding. Kinetic data and models could be transferred for the simulation of almost stationary displacement assay formats realized with impedance and fluorescence spectroscopy. With the obtained results it was possible to detect the displacement of the bacterial signaling autoinducer AI-2 by a displacement assay format using periplasmic binding protein LuxP as receptor. Concluding it can be said that the hypothesis could be proved and the obtained results can facilitate the use of displacement assay formats in biosensing. Displacement assay formats should be especially interesting in small molecule detection and in compact integrated mass sensitive sensor designs suitable as mobile sensors in outdoor screening.:Zusammenfassung i Summery iii Inhaltsverzeichnis v 1. Problemstellung 1 2. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit monovalenten Antikörpern 5 2.1 Kinetisches Modell 6 2.1.1 Grundgleichungen 6 2.1.2 Analytische Näherungslösung 8 2.1.3 Numerische Lösung 10 2.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 18 2.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 18 2.2.2 Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 36 2.2.3 Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 52 3. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit bivalenten Antikörpern 70 3.1 Kinetisches Modell 70 3.1.1 Grundgleichungen 70 3.1.2 Numerische Lösung 72 3.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 80 3.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 80 3.2.2 Impedanzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 88 4. Konklusionen und Ausblick 92 5. Anhänge 98 A1: Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie 98 A2: Aufbau der Messschichten und Messreihen eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 105 A3: Schichtaufbau zur Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 119 A4: Aufbau zur Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 125 A5: Impedanzspektroskopie 128 A6: Transferratenkonstanten 139 A7: Abkürzungsverzeichnis 141 6. Literatur 146 7. Danksagung 155 8. Selbständigkeitserklärung 157 / Die Analyse des Bindungsverhaltens niedermolekularer Liganden an Proteine ist für die Aufklärung von biologischen Regulationssystemen oder bei der Suche neuer medizinischer Wirkstoffe von Wichtigkeit. Ein markierungsfreies Detektions¬prinzip zur Erfassung niedermolekularer Liganden ist die Displacement- oder Replacement-Methode. Bei dieser tritt die Bindung des Rezeptors an den immobilisierten Liganden mit der Bindung an freien Liganden in Konkurrenz, sodass anstelle der niedermolekularen Liganden die hochmolekularen Rezeptoren detektiert werden können. In dieser Arbeit wurde von der Hypothese ausgegangen, dass durch die Auswahl geeigneter Messverfahren und der zugeordneten Modellierung die einzelnen kinetischen Stadien des Displacements separat zur Bestimmung der kinetischen Konstanten der Displacementprozesse genutzt werden können. Dabei sollte unter anderem auch eine Aussage über die dominierende Valenz der Antigen-Antikörper-Bindung erreicht werden. Hierzu wurden auf der Basis des Modellsystems Hämagglutinin-Peptid/ Hämagglutinin-Antikörper Displacement-Assays mit mono- und bivalenten Anti-körpern entwickelt, anhand derer eine genaue zeitaufgelöste Analyse des Bindungs- und Ablösungsverhaltens vom Liganden HA an den Anti-HA-Antikörper (Rezeptor) mittels Oberflächenplasmonenresonanz(SPR)-Spektroskopie erzielt wurde. Ausgehend von den Reaktionsgleichungen zwischen Liganden und mono- und bivalenten Rezeptoren wurden mathematische Modelle entwickelt, die eine exakte Simulation der SPR-Ergebnisse ermöglichten. Durch genaues Anpassen der Simulationsplots an die Messplots konnten alle Ratenkonstanten, die die Kinetik der Reaktionen zwischen Liganden, Rezeptoren und ihren Komplexen bestimmen, ermittelt werden. Da auch für eine große Variation der Rezeptorkonzentrationen in der Analytlösung nahezu identische Werte für die Ratenkonstanten erhalten wurden, ergeben Messungen und Simulationen ein konsistentes Bild der Anbindungskinetik und bestätigen die Qualität der Messungen. Aus Messungen des maximalen Responsabfalles kann die Konzentration der freien Antigene beim Displacement ermittelt werden. Man findet eine exponentielle Abhängigkeit des Displacements von der Konzentration der freien Antigene, die sich durch den sogenannten „Rebindingeffekt“ erklären lässt. Die gewonnenen kinetischen Daten und entwickelten Modellierungsverfahren konnten zur Simulation quasistationärer Detektionsverfahren, die mit Fluoreszenz- und Impedanzspektroskopie durchgeführt wurden, erfolgreich angewandt werden. Die erzielten Erkenntnisse konnten auf ein wissenschaftlich herausforderndes biologisches System (LuxP/AI2) angewandt werden, bei dem das niedermolekulare Signalmolekül AI2 über ein Displacementassay detektiert wurde. Dieses System ermöglicht einen Einblick in die Intra- und Interspezieskommunikation bei Bakterien. Insgesamt zeigt sich, dass die hier formulierte Hypothese als bewiesen angesehen werden kann. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen verschiedene Einsätze der Displacementmethode in der Biosensorik. Insbesondere lassen sich damit kleine Moleküle markierungsfrei quantitativ bestimmen, ohne hoch präzise Analysengeräte einsetzen zu müssen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, sehr kompakte integrierte massensensitive Sensoren, die nicht die Empfindlichkeit hochempfindlicher SPR-Spektrometer erreichen, zur Detektion kleiner Moleküle einzusetzen. Dies ist besonders für mobile Anwendungen von Interesse.:Zusammenfassung i Summery iii Inhaltsverzeichnis v 1. Problemstellung 1 2. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit monovalenten Antikörpern 5 2.1 Kinetisches Modell 6 2.1.1 Grundgleichungen 6 2.1.2 Analytische Näherungslösung 8 2.1.3 Numerische Lösung 10 2.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 18 2.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 18 2.2.2 Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 36 2.2.3 Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 52 3. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit bivalenten Antikörpern 70 3.1 Kinetisches Modell 70 3.1.1 Grundgleichungen 70 3.1.2 Numerische Lösung 72 3.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 80 3.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 80 3.2.2 Impedanzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 88 4. Konklusionen und Ausblick 92 5. Anhänge 98 A1: Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie 98 A2: Aufbau der Messschichten und Messreihen eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 105 A3: Schichtaufbau zur Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 119 A4: Aufbau zur Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 125 A5: Impedanzspektroskopie 128 A6: Transferratenkonstanten 139 A7: Abkürzungsverzeichnis 141 6. Literatur 146 7. Danksagung 155 8. Selbständigkeitserklärung 157

L’endostatine est le fragment C-terminal du collagène XVIII libéré dans la matrice extracellulaire par clivage enzymatique. C'est un inhibiteur endogène de l’angiogenèse et de la croissance tumorale. L'endostatine inhibe la prolifération et la migration des cellules endothéliales induite par le Fibroblast Growth Factor-2 ou le Vascular Endothelial Growth Factor et elle inhibe la croissance de 65 types de cellules tumorales. L’endostatine fait actuellement l’objet d’essais cliniques pour le traitement de différents cancers son mécanisme d’action est encore mal connu. Nous avons caractérisé par résonance plasmonique de surface (SPR) les interactions établies par l'endostatine avec les intégrines αvβ3 et α5β1 qui sont surexprimées à la surface des cellules endothéliales activée. Nous avons identifié le site de fixation l'endostatine sur les intégrines, proposé un modèle de structure du complexe formé par l'endostatine et l'intégrine αvβ3 et montré que l'endostatine ne peut pas se lier simultanément aux intégrines et aux chaînes d'héparane sulfate présentes à la surface cellulaire. Pour identifier des partenaires supplémentaires de l'endostatine, nous avons développé des puces à protéines et à glycosaminoglycanes basées sur la SPR et capables de suivre jusqu'à 400 interactions simultanément. Nous avons identifié neuf partenaires de l'endostatine (le dermatane sulfate, la transglutaminase-2, les collagènes I, IV et VI, le peptide amyloïde β1-42, et des protéines matricellulaires dont SPARC et thrombospondine-1). Nous avons montré que l’endostatine se fixe avec une forte affinité (KD ~ 6 nM) sur la transglutaminase-2 et que cette interaction nécessite la présence de calcium mais que l'endostatine n'est pas un substrat donneur d'acyle de l'enzyme. Nous avons montré que le réseau d'interactions de l'endostatine est enrichi en protéines contenant des modules EGF (Epidermal Growth Factor). Cela offre de nouvelles perspectives pour l'identification d'autres partenaires et donc de nouvelles fonctions de l'endostatine. Des protéines contenant des modules EGF comme la fibrilline-1, composant des fibres élastiques, et des protéines de l'immunité innée par exemple sont des partenaires potentiels de l'endostatine / Endostatin is the carboxyl-terminal fragment of collagen XVIII released in the extracellular matrix by proteolytic cleavage. It inhibits angiogenesis and tumor growth. Endostatin inhibits the proliferation and migration of endothelial cells induced by Fibroblast Growth Factor-2 and Vascular Endothelial Growth Factor and it inhibits 65 different tumor types. Endostatin is currently under clinical trials for several tumors. We have used surface plasmon resonance (SPR) binding assays to characterize interactions between endostatin and α5β1 or αvβ3 integrins which are over-expressed at cell surface of actived endothelial cell. We have identified the binding site of endostatin on those integrins, and we have built a molecular modeling of the endostatin/integrin αvβ3 complex. We have shown that endostatin can not bind simultaneously to integrins and to heparan sulfate. In order to identify new partners of endostatin we have developed glycosaminoglycan and protein arrays based on SPR detection. We have found nine new partners of endostatin include glycosaminoglycans (chondroitin and dermatan sulfate), matricellular proteins (thrombospondin-1 and SPARC), collagens (I, IV and VI), the amyloid peptide Aβ(1-42), and transglutaminase-2 (TG-2). We have shown that endostatin binds to transglutaminase-2 with an high affinity (KD ~ 6 nM) in a calcium-dependent manner. Enzymatic assays indicated that, in contrast to other extracellular matrix proteins, endostatin is not a glutaminyl substrate of TG-2, but would rather be an acyl acceptor. The endostatin network comprises a number of extracellular proteins containing EGF domains (Epidermal Growth Factor), and able to bind calcium. Depending on the trigger event, and on the availability of its members in a given tissue at a given time, the endostatin network might be involved either in the control of angiogenesis, and tumor growth, or in neurogenesis and neurodegenerative diseases

L’objectif de cette thèse est de contrôler les propriétés optiques des nanoparticules d’or greffées de polymère en modulant les propriétés structurales de la couche protectrice de polymères. Des nanoparticules greffées de polymères thermosensibles avec une large gamme de masse molaire et différents degrés d’hydrophobicité sont synthétisées par la méthode de « grafting-to ». La DNPA est utilisée pour caractériser les propriétés structurales de la couche protectrice de polymère. Les spectres d’absorption sont modélisés en utilisant la théorie de Mie. Nous démontrons que la sensibilité de la SPR à la propriété diélectrique du solvant diminue progressivement avec la fraction volumique de la couche de polymère jusqu’à devenir quasi-nulle; dans ce dernier cas de figure, la SPR est dite « gelée » par la couche de polymère. Un déplacement significatif de la bande de SPR vers le rouge est induit (un changement de couleur se produit) dû à une transition de collapse de la couche de polymère avec la température. La gamme de température pour induire ce déplacement dépend du degré d’hydrophobicité du polymère et de la salinité. Une partie important de cette thèse est également consacrée aux propriétés des nanoparticules d’or greffées de polymères à l’interface air-eau. La technique de Langmuir est utilisée pour former des films minces dont la distance entre particule est contrôlée par la compression, la longueur des chaînes du polymère greffé et la température. Les propriétés structurales des films minces sont étudiées en déterminant la conformation de la couche de polymère greffée et l’organisation du cœur de l’or par la réflectivité de neutron et de X, respectivement. Les mesures de réflectivité nous permettent également d’évaluer et d’améliorer la stabilité des films minces pour un meilleur control de la distance entre particule, aspect important pour l’optimisation de la SPR. Enfin, les propriétés optiques des nanoparticules d’or à l’interface sont mesurées par des mesures de transmission. / In this thesis, the objective is to control the polymer-grafted gold nanoparticles optical properties (SPR) by tuning the protecting polymer shell structural properties. Gold nanoparticles grafted with thermosensitive polymers with a large range of molecular masses and different degrees of hydrophobicity are synthesized by “grafting-to” technique. SANS is employed to characterize the protecting polymer shell structural properties. The absorption spectra are modeled using the Mie Dipolar theory. It is shown that the gold nanoparticle sensitivity to external solvent is progressively reduced with increasing polymer volume fraction of the nanocomposite until the SPR is frozen by the polymer shell. In this case, the SPR mode becomes insensitive to the dielectric properties of the solvent. SPR is also red-shifted (a color change occurs) by thermally inducing the collapse of the polymer shell. The temperature and the extent of the red-shift are controlled by the graft polymer hydrophobicity and salinity. An important part of this thesis is also dedicated to the polymer-protected gold nanoparticles behaviour at the air-water interface. The Langmuir balance technique is used to build interfacial layers whose interparticle distance is modulated by compression, polymer graft chain length and temperature. The interfacial layer structural properties are determined by studying both the polymer graft layer conformation and the gold core organization with neutron and X-ray reflectivities. These reflectivitity measurements also enable us to evaluate and ameliorate the surface layers stability for a better control of the interparticle distance that is important for optimizing the SPR of the surface layer.

Le présent travail de thèse repose sur la conception d'un système miniaturisé de type biopuce capable d'assurer la capture et le relargage contrôlé de différentes populations des cellules sanguines (e.g. lymphocytes). Ce projet a pour objectif la construction d'un outil potentiel de recherche dans le domaine de l'immunologie ainsi que du diagnostic qui permettrait non seulement de réaliser des essais à partir d'une faible quantité d'échantillon, mais aussi de réduire le temps d'analyse. L'approche consiste plus précisément en la fabrication d'une matrice d'oligonucléotides et l'immobilisation de cellules via une molécule hybride composée d'un anticorps IgG couplé à une séquence d'oligonucléotide complémentaire. La synthèse du produit conjugué est mise en place et conduit à l'assemblage functionnel sur biopuce. Une fois les cellules spécifiquement capturées sur la surface, deux voies de rélargage contrôlé sont explorées. Ainsi, les lymphocytes sont libérées de façon contrôlée et séquentielle par clivage enzymatique d'ADN ou alors par désorption physique possible grâce au chauffage localisé. La détection se fait en temps réel par l'imagerie de la résonance plasmonique de surface (Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRi) qui présente l'avantage de pouvoir suivre les phénomènes biomoléculaires en absence de marquage et d'apporter une réponse simultanée d'un échantillon biologique sur un grand nombre des sondes. Accessoirement, une approche instrumentale particulière nous permet d'observer les étapes de capture/relargage par microscopie optique classique. La construction de la biopuce permet également l'élargissement à plusieurs cibles et ouvre ainsi la voie à de nombreuses possibilités d'exploration en termes d'application pour l'analyse d'échantillons biologiques plus complexes tels que du sang. / This PhD thesis is devoted to conception of a miniaturized system of biochip type able to realize a controlled capture and release of different populations of the blood cells (e.g. lymphocytes). The main objective of the project is to create a potential tool of research, especially in the field of immunology, and medical diagnostics as well, that could perform short-time analyses by using a small sample amount. The approach relies more precisely on fabrication of a DNA matrix and further immobilization of cells through a hybrid molecule composed of an IgG antibody covalently coupled with short oligonucleotide sequence. Synthesis of the conjugated product is developed and demonstrates functional assembly on the micro-platform. Lymphocytes are specifically addressed onto biochip surface and once they are captured, two independent strategies of selective release are proposed. Therefore, immobilized cells are specifically detached either upon enzymatic cleavage of oligonucleotide substrate or physically desorbed by local heating and denaturation of double stranded DNA. The system makes use of Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRi) to enable real time detection of different biomolecular phenomena in a label-free and high-throughput manner. Accessorily, a particular instrumental approach is developed in order to observe cell capture-release steps directly under optical microscopy. The biochip construction permits to extend its performance to many targets and may be further explored in terms of application to analysis of complex biological samples such as blood.

Stimuli sensitive polymers and hydrogels respond with large property changes to small physical and chemical stimuli (e.g. temperature, pH, ionic strength). The bulk behavior of these polymers is widely studied and they show an isotropic swelling. However, thin hydrogel layers of polymers on a substrate show a swelling behavior, which is constrained in some way. Therefore, size, confinement, patternability, response time and transition temperature of thin hydrogel layers are the most important parameters in technological applications and this study focuses on the investigation of these above-mentioned parameters. The aim of this study involves synthesis, characterization and application of thin photo-crosslinked hydrogel layers. Dimethylmaleimide (DMI) moiety was incorporated in the polymers chains and was used to introduce photo-crosslinking by [2+2] cyclodimerization reaction in the presence of UV irradiation. The following photo-crosslinkers based on DMI group were synthesized ? - Acrylate photo-crosslinker (DMIAm) - Acrylamide photo-crosslinker (DMIAAm) - Polyol photo-crosslinker (DMIPA, DMIPACl) The conventional free radical polymerization of above listed photo-crosslinker with its respective monomer resulted in formation of photo-crosslinkable polymers of (a) HEMA, (b) DMAAm, (c) NIPAAm/DMAAm, (d) NIPAAm/Cyclam. The properties of these polymers were investigated by NMR, UV-VIS spectroscopy, GPC and SPR. Thin hydrogel layers were prepared by spin coating on gold-coated LaSFN9 glass. The covalent attachment to the surface was achieved through an adhesion promoter. Swelling behavior of the thin polymer layers was thoroughly investigated by Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectroscopy and Optical Waveguide Spectroscopy (OWS). SPR and OWS gave a wide range of information regarding the film thickness, swelling ratio, refractive index, and volume degree of swelling of the thin hydrogel layer. For hydrophilic photo-crosslinked hydrogel layers of HEMA and DMAAm, it was observed that the volume degree of swelling was independent of temperature changes but was dependent on the photo-crosslinker mol-% in the polymer. These surface attached thin hydrogel layer exhibited an anisotropic swelling. For NIPAAm photo-crosslinked hydrogel layers with DMAAm as a hydrophilic monomer, it was observed that both transition temperature (Tc) and volume degree of swelling increases with increase in the mol-% of DMAAm. To study the effect of film thickness on Tc and volume degree of swelling, hydrogels with wide range of film thickness were prepared and investigated by SPR. These results provided vital information on the swelling behavior of surface attached hydrogel layer and showed the versatility of SPR instrument for studying thin hydrogel layers. Later part of project involved synthesis of multilayer hydrogel assembly involving a thermoresponsive polymer and a hydrophilic polymer. The combination of two layers with photo-crosslinkable DMAAm polymer as base layer and photo-crosslinkable NIPAAm polymer as top layer formulate a multilayer assembly where, the base layer only swells in response to temperature and the top layer shows temperature dependent swelling. Photo-crosslinked hydrogel layers of NIPAAm, DMAAm and HEMA shows a high-resolution patterns when irradiated by UV light through a chromium mask. At last this study focused on an important application of these hydrogel layers for cell attachment processes. Cell growth, proliferation and spreading shows a biocompatible nature of these hydrogel surfaces. Such thermoresponsive photo-crosslinkable multilayer structure forms bases for future projects involving their use in actuator material and cell-attachment processes.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

A novel localized surface plasmon resonance (LSPR) sensor that differentiates between background refractive index changes and surface-binding of a target analyte (e.g. a target molecule, protein, or bacterium) is presented. Standard, single channel LSPR sensors cannot differentiate these two effects as their design allows only one mode to be coupled. This novel technique uses two surface plasmon modes to simultaneously measure surface binding and solution refractive index changes. This increases the sensitivity of the sensor. Different channels or modes can be created in sensors with the introduction of gold nanospheres or gold nanorods that act as receptor mechanisms. Once immobilization was achieved on gold nanospheres, the technique was optimized to achieve the same immobilization for gold nanorods to get the expected dual mode spectrum. Intricate fabrication methods are illustrated with using chemically terminated self assembled monolayers. Then the fabrication process advances from chemically silanized nanoparticles, on to specific and systematic patterns generated with the use of Electron Beam Lithography. Comparisons are made within the different methods used, and guidelines are set to create possible room for improvement. Some methods implemented failed, but there was a lot to learn from these unsuccessful outcomes. Finally, the applications of the dual mode sensor are introduced, and current venues where the sensors can be used in chemical and biological settings are discussed.

L'élaboration de nouveaux médicaments repose sur les études pharmacologiques, dont le rôle est d'identifier de nouveaux composés actifs ou de nouvelles cibles pharmacologiques agissant entre autres au niveau cellulaire. Récemment, la détection basée sur la résonance des plasmons de surface (SPR) a été appliquée à l'étude de réponses cellulaires. Cette méthode de détection, permettant d'observer des variations d'indice de réfraction associés à de faibles changements de masse à la surface d'un métal, a l'avantage de permettre l'étude d'une population de cellules vivantes en temps réel, sans nécessiter l'introduction d'agents de marquage. Pour effectuer la détection au niveau de cellules individuelles, on peut employer la microscopie SPR, qui consiste à localiser spatialement la détection par un système d'imagerie. Cependant, la détection basée sur la SPR est une mesure sans marquage et les signaux mesurés sont attribués à une réponse moyennée des différentes sources cellulaires. Afin de mieux comprendre et identifier les composantes cellulaires générant le signal mesuré en SPR, il est pertinent de combiner la microscopie SPR avec une modalité complémentaire, soit l'imagerie de fluorescence. C'est dans cette problématique que s'insère ce projet de thèse, consistant à concevoir deux plates-formes distinctes de microscopie SPR et de fluorescence optimisées pour l'étude cellulaire, de sorte à évaluer les possibilités d'intégration de ces deux modalités en un seul système. Des substrats adaptés pour chaque plate-forme ont été conçus et réalisés. Ces substrats employaient une couche d'argent passivée par l'ajout d'une mince couche d'or. La stabilité et la biocompatibilité des substrats ont été validées pour l'étude cellulaire. Deux configurations permettant d'améliorer la sensibilité en sondant les cellules plus profondément ont été évaluées, soit l'emploi de plasmons de surface à longue portée et de guides d'onde à gaine métallique. La sensibilité accrue de ces configurations a aussi été démontrée pour un usage en biodétection cellulaire. Une plate-forme permettant de mesurer la spectroscopie SPR simultanément avec l'acquisition d'images de fluorescence a été réalisée. Cette plate-forme a ensuite été validée par l'étude de réponses cellulaires suite à une stimulation pharmacologique. Puis, un système basé sur la microscopie SPR a été conçu et caractérisé. Son emploi pour l'étude de réponses au niveau de cellules individuelles a été démontré. Finalement, les forces et faiblesses des substrats et des plates-formes réalisées au cours de la thèse ont été évaluées. Des possibilités d'amélioration sont mises de l'avant et l'intégration des modalités de microscopie SPR et de fluorescence suite aux travaux de la thèse est discutée. Les réalisations au cours de cette étude ont donc permis d'identifier les composantes cellulaires impliquées dans la génération du signal mesuré en biodétection SPR.