Dans ce travail, deux aptacapteurs électrochimiques ont été développés pour une détection sélective de la tétracycline (TET) et ses dérivés dans les environnements aquatiques. Les deux outils analytiques sont basés sur l’immobilisation d’oligonucléotides d’ADN sur des électrodes de carbone sérigraphiées : le premier est un capteur impédimétrique utilisant un aptamère de 8 nucléotides, tandis que le deuxième est un capteur voltammétrique basé sur l’inhibition de l’électroactivité intrinsèque d’un aptamère de 76 nucléotides. Une telle électroactivité n’ayant jamais été observée précédemment, une étude a été menée afin d’identifier la partie de la séquence responsable de cette activité et de déterminer en parallèle les sites de reconnaissance de la TET. Un autre volet du travail exploite cette électroactivité afin de cartographier par microscopie électrochimique à balayage la répartition des aptamères immobilisés sur l’électrode. / In this work, two electrochemical aptasensors were developed for selective detection of tetracycline (TET) and its derivatives in aquatic environments. The two analytical tools are based on the immobilization of DNA oligonucleotides on screen-printed carbon electrodes: the first is an impedimetric sensor involving an aptamer of 8 nucleotides, while the second is based on a voltammetric sensor based on the inhibition of the intrinsic electroactivity of an aptamer of 76 nucleotides. Since such electroactivity has never been observed previously, a study was conducted to identify the part of the sequence responsible for this activity and to determine in parallel the TET recognition sites. Another part of the work exploits this electroactivity to map the distribution of aptamers immobilized on the electrode by scanning electrochemical microscopy.

Depuis plusieurs années, les nouveaux défis posés par l'évolution de l'électronique, la génomique, la médicine, la tribologie, la détection ou le photovoltaïque poussent les chercheurs à envisager le couplage substrats conducteurs ou semi-conducteurs/matière organique, à une échelle de plus en plus localisée. Ce travail de thèse s'inscrit dans ces objectifs en proposant la localisation directe de polymères chimiquement greffés sur des substrats conducteurs par une méthode simple, rapide et fiable. Le système développé repose sur la combinaison des techniques de sonde locale (dérivées du microscope électrochimique, SECM, ou de l'AFM en mode électrochimique, AFM-SECM) avec le procédé d'électrogreffage de monomères vinyliques initiés par les radicaux aryls provenant de la réduction électrochimique en milieu aqueux des sels de diazonium. La localisation du greffage est contrôlée en ajustant la distance sonde-substrat, la densité de courant et le temps de réaction. L'utilisation de ces microscopies électrochimiques a permis "d'imprimer" sur les substrats conducteurs initialement homogènes des plots, des lignes ou des figures complexes avec une résolution latérale qui est de l'ordre de une à deux fois la taille de la sonde. La microscopie électrochimie associée aux sondes locales devient ainsi un véritable outil de lithographie électrochimique qui ouvre la voie à la structuration " à façon ", à l'échelle micro/nanométrique, de tout substrat conducteur ou semiconducteur.

Notre objectif est de fabriquer par microscopie électrochimique (SECM) des motifs hydrophiles sur un support hydrophobe afin de les inclure ultérieurement dans des microsystèmes. Nous avons considéré du point de vue théorique la microgravure de surface par SECM. Pour cela nous avons étudié par simulation numérique l'influence du balayage d'une surface par une microélectrode disque sur la réponse en courant et avons adapté théoriquement et expérimentalement le SECM à une microélectrode bande. Nous avons appliqué ces résultats à la réalisation de motifs de haute énergie en forme de bande sur une surface fluorée (PTFE et verre silanisé). Nous avons évalué la variation de l'énergie de surface liée à la présence de ces motifs par mesure des angles de contact et de la déformation locale de la ligne triple d'un liquide. Cette étude révèle des effets liés à l'hétérogénéité des surfaces utilisées. Dans la perspective de former un film mince liquide sur un motif, nous avons étudié les phénomènes de condensation d'un liquide au niveau d'une modification de surface.

Une piqûre est généralement décrite comme étant une attaque concentrée sur une petite portion de surface, qui se propage en profondeur dans le métal et dont l'évolution reste très imprévisible. Les techniques électrochimiques "classiques" sont très utilisées pour étudier les problèmes liés à la corrosion localisée et ont permis de décrire le comportement global d'une électrode métallique sans cependant pouvoir décrire le développement d'une piqûre isolée. La finalité de cette étude est la compréhension de la corrosion par piqûre du Fer depuis l'étape d'initiation jusqu'à la phase de propagation ou de repassivation. Ce travail a donc concerné la mise en oeuvre de protocoles expérimentaux permettant d'étudier une piqûre unique. Pour y parvenir, le microscope électrochimique à balayage (SECM) a été utilisé pour la génération de la piqûre. Son évolution a pu être étudiée par des mesures de courants ou de potentiels ainsi que par d'autres techniques in situ couplées au SECM (spectroscopie d'impédance EIS, microbalance à quartz). Des techniques physiques d'analyse (microscope électronique à balayage, analyse Raman,...) ont également été utilisées pour caractériser a posteriori la piqûre et les produits de corrosion. Les résultats obtenus ont notamment permis de corréler différents paramètres expérimentaux avec l'initiation et la propagation de la piqûre. Les produits de corrosion ont pu être déterminés en fonction de la nature de l'électrolyte (acide, neutre ou basique). L'utilisation du couplage SECM / EQCM a permis la détermination du degré d'oxydation du Fer dissous et le couplage SECM / EIS a permis de caractériser l'évolution de la piqûre.

The goal of this thesis was the advanced design, fabrication, and application of combined atomic force microscopy - scanning electrochemical microscopy (AFMSECM) probes for high-resolution topographical and electrochemical imaging. The first part of the thesis describes innovative approaches for the optimization of AFM-SECM probe fabrication with recessed frame electrodes. For this purpose, commercial silicon nitride AFM cantilevers were modified using optimized critical fabrication processes including improved metallization for the deposition of the electrode layer, and novel insulation strategies for ensuring localized electrochemical signals. As a novel approach for the insulation of AFM-SECM probes, sandwiched layers of PECVD SixNy and SiO2, and plasma-deposited PFE films were applied and tested. Using sandwiched PECVD SixNy and SiO2 layers, AFM-SECM probes providing straight (unbent) cantilevers along with excellent insulation characteristics facilitating the functionality of the integrated electrode were reproducibly obtained. Alternatively, PFE thin films were tested according to their utility for serving as a mechanically flexible insulating layer for AFM-SECM probes. The electrochemical characterization of PFEinsulated AFM-SECM probes revealed excellent insulating properties at an insulation thickness of only approx. 400 nm. Finally, AFM-SECM cantilevers prepared via both insulation strategies were successfully tested during AFM-SECM imaging experiments. In the second part of this thesis, disk-shaped nanoelectrodes were for the first time integrated into AFM probes for enabling high-resolution AFM-SECM measurements. Disk electrodes with an electrode radius < 100 nm were realized, which provides a significantly improved lateral resolution for SECM experiments performed in synchronicity with AFM imaging. Furthermore, the developed fabrication scheme enables producing AFM-SECM probes with integrated disk nanoelectrodes at significantly reduced time and cost based on a highly reproducible semi-batch fabrication process providing bifunctional probes at a wafer scale. The development of a detailed processing strategy was accompanied by extensive simulation results for developing a fundamental understanding on the electrochemical properties of AFM-SECM probes with nanoscale electrodes, and for optimizing the associated processing parameters. Thus fabricated probes were electrochemically characterized, and their performance was demonstrated via bifunctional imaging at model samples. The third part of this thesis describes the development and characterization of the first AFM tip-integrated potentiometric sensors based on solid-state electrodes with submicrometer dimensions enabling laterally resolved pH imaging. Antimony and iridium oxides were applied as the pH sensitive electrode material, and have been integrated into the AFM probes via conventional microfabrication strategies. The pH response of such AFM tip-integrated integrated pH microsensors was tested for both material systems, and first studies were performed demonstrating localized pH measurements at a model system.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted great attention due to their high power density, low-temperature operation and high energy conversion efficiency. However, the high cost of Pt catalysts and durability problems hinder their commercialization. So their cost must be lowered drastically and their durability must be extended. In an effort to overcome these problems, there have been intensive efforts to enhance the activity, durability and to lower the price of catalysts by alloying with other less expensive metals. In particular, the sluggish kinetics of ORR caused by Pt oxide at cathode and Pt catalyst degradation by electrochemical surface area (ECSA) loss have been a huge research area where a lot of researchers have paid lots of attention to solve. In this regard, the objective of this dissertation is to evaluate a series of Pt catalyst electrode surface electrochemical reactions on PEMFC electrode in order to help searching new catalysts and enhancing system design, assist in the search for new catalysts and improved system design by suggesting the developed mechanism of electrocatalyst activity and stability (durability). We have been focused on understanding the oxide-mediated dissolution of Pt by using electrochemical experiment methods such as RRDE, EQCN, SECM with a combination of ICP-MS and computational simulation with COMSOL Multiphysics. Firstly, in chapter 3, we showed the oxide-mediated Pt dissolution rate and the influence of hydrogen and cation underpotential deposition on Pt dissolution. In chapter 4, we revealed oxygen reduction reaction (ORR) plays a significant role in Pt oxide formation and reduction that influences the Pt catalyst dissolution, resulting in accelerated Pt dissolution rate at specific potential range. Finally, we found out the nature of mobile species generated during PtO₂ reduction process which have been disputed as Pt ion or other mobile species and fulfilled computational simulation for evaluation of SECM experiment in chapter 5. Based on these experiments and simulation, we were able to explain some mechanism of literature results that already were reported but have not been clearly explained so far. In terms of the purpose of this dissertation, the mechanism of oxide-mediated Pt dissolution, influence of ORR to Pt oxide formation/reduction and Pt dissolution, the nature of mobile species generated during PtO₂ reduction process, are sure to be very helpful in developing new catalysts and enhancing system design and suggested operating conditions. / text

Scanning electrochemical microscopy (SECM) was used for the study and characterization of catalytic and electrocatalytic processes occurring at electrodes. The Surface Interrogation mode (SI-SECM) was introduced for the detection and quantification of adsorbed intermediates and products of catalyzed chemical and electrochemical reactions at noble metals (Pt, Au). In SI-SECM two micro electrodes (i.e. an SECM tip and a substrate of the desired material) are aligned concentrically at a micrometric distance where SECM feedback effects operate. A contrast mechanism based on feedback effects allows for the detection of reactive adsorbed intermediates at the substrate: the SECM tip generates a reactive homogeneous species that “micro-titrates” the substrate adsorbates to yield an electrochemical signal that contains information about the amount of intermediate and about its kinetics of reaction with the redox mediator. The technique was used for the study of the reactivity of three model small adsorbates: 1) the reactivity of adsorbed oxygen on Au and Pt with a reducing mediator was explored and suggested the detection of “incipient oxides” at these surfaces; kinetic parameters of the reactivity of Pt oxides with mediators were obtained, fit to theory and used to explain observations about the electrocatalytic behavior of Pt under anodizing conditions; 2) the reactivity of oxidizing mediators with adsorbed hydrogen on Pt was studied and showed the cation of N,N,N,N-tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD) to be a successful interrogation agent, the detection of hydrogen generated by the decomposition of formic acid on Pt at open circuit was investigated; 3) electrogenerated bromine was used to catalytically interrogate carbon monoxide at Pt, this reaction was previously unreported. The mentioned applications of SECM were validated through the use of digital simulations of diffusion in the complex SECM geometry through flexible commercial finite element method software. / text

Cells are encapsulated by a biological membrane in order to separate the cell interior from the surrounding environment. Different lipids and proteins compose the membrane and present a semi-permeable barrier for the diffusion of ions and molecules across the lipid bilayer. Membrane proteins also mediate the passage of signals between the interior and the exterior of the cell.   To ensure the proper functioning of membrane proteins, it is essential that nascent membrane proteins are correctly integrated into the lipid bilayer to be able to fold and oligomerize.  In this thesis, an engineered protein containing two natural transmembrane segments followed by an additional test segment, has been used as a model protein to study (i) sequence requirements for translocon-mediated insertion of the test segment, (ii) dynamics of nascent membrane proteins undergoing translocon-mediated insertion and (iii) to carry out an extensive mutagenesis scan to identify critical residues in the mammalian arrest peptide Xbp1 that enhances translational stalling in the ribosome. This provides a toolbox of arrest peptides with different stalling strengths that will be useful for force measurements on nascent protein chains. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>

Cette thèse se concentre sur la caractérisation d'assemblages organisés de nanoparticules plasmoniques appelés supracristaux. Les nanoparticules utilisées mesurent entre 5 et 11 nm de diamètre et possèdent une distribution en taille étroite permettant leur organisation à trois dimensions. Une fois les supracristaux obtenus, nous avons mesuré les spectres d'absorbance de supracristaux individuels constitués de différentes nanoparticules : cuivre, argent et or. Un modèle théorique simple a été utilisé pour calculer les spectres d'absorbance à partir de données disponibles dans la littérature. Nous avons ensuite montré que les supracristaux de nanoparticules d'argent ou d'or constituent de nouveaux substrats présentant un grand intérêt pour des applications en Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS). Les tailles des nanoparticules utilisées sont en effet beaucoup plus petites que celles reportées dans la littérature, d'où un nombre plus important de points chauds et donc une grande sensibilité. En vue d'applications couplées électrochimie/Raman, nous avons également mesuré les spectres de réflectance sous potentiel. De plus, des mesures par AFM conducteur et par microscopie électrochimique montrent que la conductivité des assemblages est faible mais autorise néanmoins des transferts d'électrons entre les supracristaux les plus fins et une sonde redox en solution. Enfin, des expériences de microscopie holographique ont permis de suivre la formation de ces édifices en solution. / This thesis focuses on the characterization of organized assemblies of plasmonic nanoparticles called supracrystals. The nanoparticles have a diameter ranging from 5 to 11 nm diameter and a narrow size distribution allowing their organization at three dimensions. Once the supracrystals were obtained, we measured the absorbance spectrum of individual supracrystals made of various nanoparticles: copper, silver or gold. A simple theoretical model was used to calculate the absorbance spectrum from available data in the literature. We then demonstrated that the supracrystals made of silver or gold nanoparticles are suitable substrates for Surface Enhanced Raman Spectroscopy applications. The sizes of the nanoparticles we use are indeed much smaller than in the literature, so that the number of hot spots and thus the sensitivity are increased. In view of coupling electrochemistry and Raman spectroscopy for future applications, we also measured the reflectance spectrum under potential control. Moreover, conductive AFM and Scanning ElectroChemical Microscopy measurements demonstrate that even if the conductivity of the supracrystals is weak, electron transfers between thin supracrystals and a redox probe in solution are nevertheless possible. Finally, holographic microscopy experiments allowed to follow the formation of these structures inside the solution.

La presente tesis doctoral se centra en el estudio del efecto de la estructura y composición de electrodos de platino en la reacción de ácido fórmico. Por un lado, se estudia el efecto estructural en el mecanismo de reacción, que ha servido para plantear un mecanismo de reacción modelo que da explicación satisfactoria a los resultados voltamétricos obtenidos. De esta forma se ha llegado a proponer la naturaleza y configuración del intermedio activo de la reacción (cuya identidad ha estado en fuerte discusión hasta ahora). Por otro lado, se ha estudiado el efecto de la composición estructural en la cinética de la reacción, usando para ello modificaciones superficiales conocidos como adátomos. Se estudió el efecto del Bi, a fin de proponer el mecanismo de acción del adátomo. Así, como el efecto del Tl y el Pb en la electrocatálisis en superficies monocristalinas y nanopartículas de platino.