Avec l’avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l’amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s’inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l’application d’un BioMEMS pour l’analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l’échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l’utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d’allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l’immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l’utilisation de ce bioMEMS autour d’une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l’équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l’échelle de la picoseconde, sans marqueur et d’une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l’activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d’une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l’échelle industrielle. / The applications of miniaturized devices are no longer limited to electronic industry. Today, a new kind of microsystems called BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems) are spreading in different fields, including biomedical, environmental and food industry applications. Recurring challenges are focusing on enabling processes for smaller, cost-effective, high-functionality devices, with more sensitivity and suitability for industrial scale development. This highly interdisciplinary thesis work attempts to provide new solutions to meet some of the needs mentioned above. It reports the fabrication, functionalization, and applications of a BioMEMS for enzyme reaction monitoring. First, we have developed a PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) process for the surface functionalization by plasma polymerized allylamine. Films with high amine density and enhanced stability in aqueous environment were obtained. The amine functions were then used for enzymes immobilization. The covalently bonded trypsin molecules were extensively characterized and kinetic parameters determined using several microscopic and spectroscopic methods. Finally, both optimized processes were applied to the biofunctionalization of a TeraHertz (THz)-based BioMEMS. THz spectroscopy is the only non-invasive analytic method able to monitor molecular events at the picosecond timescale by probing low binding energies directly. It is used here for sensing a biocatalysis reaction inside the bioMEMS microchannels. Sub-THz measurements (0.06-0.11 THz) showed that combining microfluidic microsystems technology with THz detection could be a promising alternative for label-free real-time detection of biological interactions at the microscale. Additionally, we have developed a new microchannel fabrication process using direct plasma polymerization of TMDS (TetraMethylDiSiloxane) on micropatterned surfaces. This achievement demonstrates that cold plasma processes could be used not only for functionalization purposes or surface treatment but for the 3D microfabrication as well. This highly reduces processing time and manual handling steps, which is of a great importance for further industrial scale production.

Ces dernières années, les recherches industrielles et académiques ont connu des bouleversements sans précédents liés à la notion de Développement Durable. Les exigences en matière de santé et d'environnement ont poussé les chimistes à concevoir des produits et procédés chimiques qui permettent de réduire ou d'éliminer les substances dangereuses. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse s'inscrivent dans ce contexte et concernent la mise au point de nouveaux systèmes réducteurs utilisant des hydrosiloxanes comme substituts des hydrures d'aluminium et de bore. Dans cet objectif, des systèmes associant le 1,1,3,3-tétraméthyldisiloxane (TMDS) ou le polyméthylhydrosiloxane (PMHS) avec des complexes de titane ou de vanadium ont été développés pour la réduction des fonctions amides et nitriles. La nature de l'association hydrosiloxane - métal et du substrat étudié a joué un rôle important sur la performance et la sélectivité des réactions misent en oeuvre. D'une part, les réductions sélectives d'amides (tertiaires et secondaires) et de nitriles en aldéhydes ont été réalisées respectivement en présence du tétraisopropylate de titane(IV) et du triisopropylate d'oxyde de vanadium(V). D'autre part, les réductions d'amides primaires et de nitriles ont conduit aux amines primaires en présence de tétraisopropylate de titane(IV). Enfin, ces systèmes réducteurs ont été utilisés pour la synthèse d'hétérocycles azotés saturés. La réduction de composés dinitriles donne lieu à une réaction d'alkylation réductrice intramoléculaire qui conduit à la formation de dérivés de la pipéridine, de la pyrrolidine et de l'azétidine en une étape

Ces dernières années, les recherches industrielles et académiques ont connu des bouleversements sans précédents liés à la notion de Développement Durable. Les exigences en matière de santé et d’environnement ont poussé les chimistes à concevoir des produits et procédés chimiques qui permettent de réduire ou d’éliminer les substances dangereuses. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse s’inscrivent dans ce contexte et concernent la mise au point de nouveaux systèmes réducteurs utilisant des hydrosiloxanes comme substituts des hydrures d’aluminium et de bore. Dans cet objectif, des systèmes associant le 1,1,3,3-tétraméthyldisiloxane (TMDS) ou le polyméthylhydrosiloxane (PMHS) avec des complexes de titane ou de vanadium ont été développés pour la réduction des fonctions amides et nitriles. La nature de l’association hydrosiloxane – métal et du substrat étudié a joué un rôle important sur la performance et la sélectivité des réactions misent en oeuvre. D’une part, les réductions sélectives d’amides (tertiaires et secondaires) et de nitriles en aldéhydes ont été réalisées respectivement en présence du tétraisopropylate de titane(IV) et du triisopropylate d’oxyde de vanadium(V). D’autre part, les réductions d’amides primaires et de nitriles ont conduit aux amines primaires en présence de tétraisopropylate de titane(IV). Enfin, ces systèmes réducteurs ont été utilisés pour la synthèse d’hétérocycles azotés saturés. La réduction de composés dinitriles donne lieu à une réaction d’alkylation réductrice intramoléculaire qui conduit à la formation de dérivés de la pipéridine, de la pyrrolidine et de l’azétidine en une étape / In recent years, industrial and academic researches have experienced unprecedented changes related to the concept of sustainable development. Health and environment new requirements have prompted chemists to develop chemical products and processes that reduce or eliminate hazardous substances. The research work described in this thesis is focused on the development of new reducing systems using hydrosiloxanes as substitutes for aluminum and boron hydrides. In order to achieve this goal, reducing systems combining 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (TMDS) or polymethylhydrosiloxane (PMHS) with titanium or vanadium complexes have been developed for the reduction of amides and nitriles. The nature of both the association “hydrosiloxane – metal” as well as the studied substrate played an important role on the performance and the selectivity of the reaction. On the one hand, selective reductions of amides (tertiary and secondary) and nitriles to aldehydes were carried out respectively in the presence of titanium(IV) tetraisopropoxide and vanadium(V) triisopropoxide oxide. On the other hand, reductions of amides (primary) and nitriles afforded the corresponding primary amines in the presence of titanium(IV) tetraisopropoxide. Finally, these systems have been applied for the synthesis of saturated N-heterocycles. Reduction of dinitrile compounds led, in one step, to piperidine, pyrrolidine and azetidine derivatives through an intramolecular reductive alkylation reaction