Ces travaux de thèse ont pour but l'élaboration de matrices poreuses sol-gel pour une applications de détections des composés organiques microbiens, ce-ci a des fins d'identifications bactériennes.Les travaux se sont articulés autour des la synthèse et l'optimisation du matériaux d'une part puis de l'analyse des composés organiques volatiles (COV) microbiens d'autre part. Cette analyse a été envisagé selon deux voies. La première était une approche globale des profils olfactifs microbiens. La seconde était une approche ciblée des COV cibles d’importance majeur.La synthèse du matériau a été mené par voie sol-gel, les études caractéristiques ont été effectué par manométrie d'azote et diffraction des rayons X aux petits angles.La détection microbienne, via notre matériaux sol-gel, s'effectue par transduction optique. Les spectrométries d'Absorbance ou de Fluorescence ont été envisagées en mode directe (sans molécules sondes) ou en mode indirect (avec molécules sondes). / 989/5000The purpose of this thesis is to develop sol-gel porous matrices for microbial detection of microbial organic compounds for bacterial identification.The work revolved around the synthesis and optimization of materials on the one hand and then the analysis of volatile organic compounds (VOCs) on the other hand. This analysis was considered in two ways. The first was a global approach to microbial olfactory profiles. The second was a targeted approach to target VOCs of major importance.The synthesis of the material was carried out by sol-gel, the characteristic studies were carried out by nitrogen manometry and X-ray diffraction at small angles.Microbial detection, via our sol-gel material, is carried out by optical transduction. The Absorbance or Fluorescence spectrometries were considered in direct mode (without probe molecules) or in indirect mode (with probe molecules)

Ce travail de thèse avait pour objectif l'élaboration d'un capteur optique pour la détection directe de molécules d'intérêt dans un fluide biologique. Deux stéroïdes et un xéniobiotique (herbicide) ont été choisis en tant que biomarqueurs apparaissant dans des fluides corporels : respectivement l'acétate de cyprotérone, le cortisol et l'acide 2,4 dichlorophénoxyacétique. La partie détection, d'une part, est assurée par les polymères à empreintes moléculaires (MIPs, de l'anglais Molecularly Imprinted Polymers). Ces récepteurs synthétiques sur mesure présentent en effet de nombreuses qualités pour l'intégration dans un capteur. Des polymères à empreintes moléculaires ont ainsi été développés pour les analytes visés. L'optimisation des formulations de polymère a été basée sur des plans d'expériences. La transduction optique, d'autre part, est basée sur la structuration du polymère sous la forme d'un cristal photonique. Des opales ont été fabriquées avec un procédé industrialisable pour permettre la mise en forme du MIP en opale inverse. Ainsi structuré à l'échelle submicronique, le matériau présente une couleur susceptible d'évoluer lors de la détection de l'analyte, et ce, grâce à un changement de conformation (gonflement). Les formulations polymères étudiées ont généré des gonflements réduits mais visibles en spectrophotométrie. Le travail rapporté dans cette thèse consiste donc en l'élaboration de polymères à empreintes moléculaires et leur intégration dans un capteur afin de détecter un analyte de façon directe, rapide et ne nécessitant que des équipements transportables, voire portables. / This thesis aimed at elaborating an optical sensor to detect molecules in a biological fluid. Two steroids and a xenobiotic were identified as biomarkers released in some body fluids: cyproterone acetate, cortisol and 2,4-dichlorophenoxyacetic acid respectively. On one hand, detection was performed by Molecularly Imprinted Polymers (MIPs). These tailor-made synthetic receptors display numerous qualities that foster their integration in sensors. MIPs were therefore developed against the targeted analytes. Formulation optimization was led thanks to experimental designs. On the other hand, optical transduction was made possible thanks to the structuring of a polymer into a photonic crystal. Opals were manufactured with a new process suitable for large scales and were used to mold MIPs in inverse opals. Thus, submicron structures of the polymer are responsible for the color of the sensor. A change of color is triggered by the recognition of the analyte by the polymer (upon swelling). Polymers studied displayed sufficient swelling observed by spectrophotometry. Finally, the work of this thesis consisted in elaborating polymer formulations and their integration in a sensor so as to detect an analyte with direct, rapid and unobtrusive means.

La présence de microorganismes peut être révélée par des métabolites volatils caractéristiques. Cette approche est particulièrement intéressante pour la détection non-invasive de pathogènes dans des échantillons complexes comme les matrices alimentaires, les échantillons sanguins, ou encore les plaies chroniques. Des capteurs nanoporeux à grande surface spécifique ont été préparés par voie sol-gel (xérogels) ; leur rôle est à la fois de capturer, concentrer et permettre une détection optique des Composés Organiques Volatils (COV) microbiens. Des capteurs dopés avec une molécule sonde, l'acide 5,5′ dithiobis 2 nitrobenzoïque, ont été développés pour mettre en évidence le sulfure d'hydrogène (H2S) produit par Salmonella, un pathogène d'intérêt dans le domaine de l'agroalimentaire. La capture d'H2S provoque un changement de couleur du capteur dès 5 ppm. Une partie du travail de recherche porte également sur la détection de métabolites dits « exogènes », libérés suite à l'hydrolyse d'un substrat enzymatique. C'est alors l'activité enzymatique qui est spécifique du micro-organisme ciblé. Deux COV exogènes sont envisagés : la β naphthylamine (β NA) et le 2 nitrophénol (2 NP). La première est issue d'activités enzymatiques peptidases, le second est issu d'activités glycosidases ou estérases. Pour ce dernier, une détection directe est possible dès 14 ppb grâce à son absorbance intrinsèque dans le visible. Après un travail sur la composition chimique des xérogels, une mise en forme originale par moulage des gels en forme de coin de cube permet une lecture de l'absorbance des xérogels en réflexion. Enfin, les capteurs obtenus ont été testés vis-à-vis de COV générés par 3 pathogènes: Salmonella, Escherichia coli et Staphylococcus aureus dans des matrices complexes (sang et échantillons alimentaires). / The presence of micro-organisms can be revealed by specific volatile metabolites. This approach is interesting for the non-invasive detection of pathogenic species in complex samples, such as food, blood or exudate. Nanoporous materials developing a high surface area have been prepared by sol-gel process (xerogels). They trap, concentrate and reveal the presence of microbial Volatile Organic Compounds (VOC) by means of an optical detection. Sensors have been doped with a probe molecule (5,5′ dithiobis 2 nitrobenzoic acid) in order to detect hydrogen sulfide emitted by foodborne pathogen Salmonella. The colour of sensor changes in the presence of 5 ppm of H2S. Another detection method is the use of enzymatic substrates which release exogenous VOCs. In this approach, the enzymatic activity is specific to the targeted pathogenic bacteria. Sensors have been developed for two exogenous VOCs: β naphthylamine (β NA) and 2 nitrophenol (2-NP). β NA is issued from peptidase activity, whereas 2 NP is produced by glycosidase or esterase activity. The latter can be detected above 14 ppb through absorbance in the visible region. The work focused both on the chemical composition of the xerogels and on their shape. After molding the xerogels into a trihedral prism (“corner reflector”), the absorbance can be easily monitored using the reflected light. VOCs produced by 3 pathogenic bacteria, Salmonella, Escherichia coli and Staphylococcus aureus, in complex media (blood and food samples) have been monitored with the obtained sensors.

Dans un monde de plus en plus pollué par l'activité industrielle, la détection des espèces gazeuses nocives dans l'atmosphère est d'une importance essentielle. Le marché des capteurs de gaz est déjà bien développé, avec la présence de diverses technologies et principes de détection, chacune présentant des avantages et des inconvénients intrinsèques. Dans le cadre de cette thèse, un alliage entre deux ou plusieurs technologies de détection typiquement utilisées de façon autonome a été visée, afin d'améliorer les performances globales des systèmes capteurs ainsi formées. A ce fin, nous avons conçu et étudié des dispositifs capteurs basées sur la transduction optique, couplée à un matériau sensible au gaz cible à détecter. Plus précisément, nous avons intégré pour la première fois un matériau catalyseur pouvant accélérer le taux d'oxydation des espèces chimiques (tel le monoxyde de carbone ou l'hydrogène) avec une architecture optique capable d'absorber la chaleur cédée lors de cette oxydation. L'augmentation de température occasionnée est traduite en une variation d'intensité lumineuse constituante le signal de sortie du capteur. Les travaux effectués sur les mesures de la dispersion thermique et chromatique de l'indice de réfraction des matériaux constituant le transducteur optique par des techniques d'optique guidé, ellipsométrie et des techniques photométriques sont présentés. Le sondage par moyen optique des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs a également été étudié, y compris les variations de ces propriétés en présence des gaz oxydants, réducteurs et combustibles. / In a world suffering from increasing air pollution due to spiraling industrial activity, the detection of toxic gasses in the atmosphere is of paramount importance. The gas detector market is already well developed, and features a wide variety of detection technologies and techniques, each presenting its own set of intrinsic advantages and drawbacks. In this thesis, a combination of two or more technologies typically used independently has been studied in order to improve the global performances of gas detection systems. To this length, we have conceived and studied detector architectures based upon optical transduction systems, coupled with a material presenting a specific sensitivity to the target gas. More precisely, we have for the first time integrated a catalyst designed to accelerate the oxidation rate of chemical species (such as carbon monoxide or hydrogen) with an optical component capable of absorbing the heat generated by the oxidation reaction. The associated increase in temperature is translated to a variation of the optical intensity comprising the exit signal of the detector. The work carried out measuring the chromatic and temperature dispersion of the refractive index of the materials comprising the optical transduction component by guided mode techniques, ellipsometry and photometric techniques is presented. The optical probing of the electrical properties of semiconductor materials has also been studied, including the variations of these properties following interactions with oxidizing, reducing, or combustible gasses.