Dans le domaine stratégique des biocapteurs sans marquage, la détection de l'élément biologique est directement liée à la variation d'un paramètre physique donné du composé sensible (transducteur). Dans le cas de la détection de l'hybridation de l'ADN par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique (sans label redox), la détection se base sur le changement de conductivité de l'élément sensible. Celui-ci est généralement un matériau semi-conducteur. La présence sur sa surface, de charges électriques amenées par des biomolécules chargées, comme les brins d'ADN, induit, par un phénomène connu d' »effet de champ électrique », la création d'une zone de charge d'espace subsurfacique. Celle-ci se caractérise par la courbure vers la surface des niveaux énergétiques. En conséquence de quoi, l'impédance de l'interface électrolyte/ADN/semi-conducteur varie. Antérieurement, nous avions démontré la faisabilité de l'utilisation de films d'oxydes semi conducteurs, tels CdIn204, SnO2 pur ou dopé, présentant des surfaces denses 2D en tant qu'éléments sensibles dans des capteurs à ADN basés sur la détection par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique. Les résultats avaient montré que, si CdIn204 présentait une sensibilité supérieure à celle de SnO2, cet oxyde était en revanche très fragilisé durant les étapes de fonctionnalisation, ce qui n'est pas le cas de SnO2 qui est un oxyde stable et robuste chimiquement. L'objectif du présent travail a été (i) d'améliorer les performances des capteurs à base de SnO2 en utilisant cette fois des films nanostructurés (1 ou 3D) afin de développer la surface spécifique, et (ii) d'étudier comment la topologie de surface influe sur le signal de détection de l'hybridation de l'ADN. Dans un premier temps, différentes nanostructures de SnO2 ont été élaborées par la technique d'électrodéposition que nous avons montée et mise au point de façon à obtenir des films reproductibles. La morphologie désirée des films –nanofils 1D ou matrice nanoporeuse 3D- a été obtenue en modifiant la procédure et les paramètres de dépôt. Leurs caractéristiques microstructurales, morphologiques, chimiques et électriques ont été déterminées par DRX, MEB, XPS et spectroscopie d'impédance. Puis, en vue du greffage covalent d'ADN, un procédé de fonctionnalisation multi-étape a été réalisé. Enfin, dans un troisième temps, la détection de l'hybridation d'ADN sans marquage, réalisée par spectroscopie d'impédance électrochimique sur les deux types de films nanostructurés, a été réalisée. En parallèle, afin de valider l'hybridation de l'ADN, la détection par microscopie à fluorescence, soit en mode épifluorescence, soit en mode confocal, a été menée. En comparaison des surfaces denses 2D de SnO2 (étude antérieure), les résultats ont montré une sensibilité supérieure, avec une limite de détection observée d'ADN de 2 nM, montrant l'importance d'avoir une surface développée. La structuration en nanofils est plus favorable que la matrice nanoporeuse en terme de sensibilité. Par ailleurs, en utilisant des ADN cibles, soit non complémentaires, soit possédant une ou deux mutations, nous avons pu montrer le caractère hautement sélectif de notre capteur dans le cas des deux types de nanostructures. Ce travail fortement expérimental a aussi permis de montrer l'importance de l'organisation structurale et morphologique du matériau sensible sur la réponse du signal à l'hybridation d'ADN. En effet, dans le cas des nanofils, comme dans celui des films denses avec surface 2D, le signal de réponse donne systématiquement une augmentation d'impédance. Cela s'explique par le phénomène d'effet de champ explicité plus haut. En revanche, dans le cas de la matrice naporeuse de SnO2, l'hybridation d'ADN entraine une diminution de l'impédance ... / For environmental in situ diagnostic, as well as for medical point of care diagnostic, quick andaffordable sensing devices are of importance. Label-free biosensors based on electrical orelectrochemical detection methods can provide such features. In previous studies, we havedemonstrated for the first time the feasibility of using semiconductive SnO2 2D dense films fornon-faradic electrochemical impedance DNA detection. The aim of the present study is (i) toimprove the sensing performances by using SnO2 nanostructures in order to benefit from highspecific surface, and (ii) to study the influence of the morphology and microstructure on theimpedimetric DNA detection signal.We performed the cathodic electrodeposition of SnO2 nanostructures. By changing relevantprocessing parameters, two kinds of nanostructures were deposited: 3D nanoporous films and 1Dnanowires. Both nanostructures have been characterized in terms of morphology, microstructureand electrochemical properties.Our results emphasize the importance of both the microstructural and morphological organizationson the impedimetric signal upon DNA hybridization. Opposite tendencies are found. DNAhybridization induces a decrease of the impedance in the case of 3D-nanoporous films, whereasan increase of impedance is obtained in the case of 1D NWs. Indeed, following the dimensionalityof the nanostructures, either external cause - ion transport - or internal cause - field effectphenomenon - can contribute to the impedance variation.The performances of the sensors have also been analyzed, namely: sensitivity, selectivity andreusability. Compared to the 2D dense and 3D nanoporous films, the 1D SnO2 nanowires are morefavorable in term of sensitivity, showing a detection limit of 2 nM.

Le travail de thèse a consisté à développer des voies originales de microfabrication pour laconception d’électrodes qui pourront être utilisées dans un biocapteur basé sur unetransduction électrochimique. Une des perspectives étant de pouvoir intégrer ce type decapteur dans un microsystème analytique à base microfluidique, nous avons fait le choix duverre comme matériau de base. Par ailleurs, nous avons privilégié les technologies de« lithographie douce » au détriment de voies classiques telles que la photolithographie afin derendre inutile l’accès à des salles à environnement contrôlé ou l’utilisation d’appareillagessophistiqués.Lors de ce travail, nous avons plus particulièrement travaillé sur le développement deméthodes combinant la technique de microtamponnage et la métallisation chimique de typeautocatalytique (electroless). Cette métallisation nécessitant des surfaces catalytiques pourfaire croître la couche métallique, nous avons développé des méthodes de traitements desurface afin de rendre le substrat de base catalytique sur toute sa surface. La technique demicrotamponnage a ensuite été utilisée afin de passiver les zones où la métallisation n’est pasdésirée et cela a mené à des microstructures métalliques en surface du verre présentant peu oupas de défauts. Notre approche nous a conduit à utiliser plusieurs types de catalyseurs sous laforme de nanoparticules métalliques à base d’argent, d’or ou de palladium et nous avonsdiscuté les différences entre les méthodes basées sur ces différents catalyseurs.Une autre voie a consisté à graver de façon localisée des couches minces métalliquesuniformes en protégeant les zones ne devant pas être gravées par la technique demicrotamponnage. Ceci a permis le développement de deux voies originales demicrostructuration sur couches minces métalliques uniformes (d’une part le pelage sélectif etd’autre part le procédé à double inversion).Dans l’ensemble de nos travaux, des caractérisations d’extrême surface par les techniquesSEM, AFM, ToF-SIMS, XPS et de mouillabilité ont été menées afin d’optimiser ledéveloppement des différents procédés. / This thesis work consisted in the development of original strategy for the microfabrication ofelectrodes which could be used in a biosensor as an electrochemical transducer. One of theprospects of this work is to insert this type of sensor into a microfluidic chip, We have madethe choice of using glass as a substrate. Moreover, we have favoured soft lithographictechnologies at the expense of conventional strategy like photolithography.In this work, we mainly worked on the development of methods which combines microcontact printing and autocatalytic metallisation (electroless). As this type of metallisationneeds catalytic surfaces to grow the metallic layer, we developed surface treatments methodsto make the surface of the substrate catalytic for the metallisation. To follow, the microcontact printing technique has been used to passivate areas where metallisation should notoccur and this leads to metallic microstructure with very few defects. Our approach leads uson the use of different catalyst like gold, silver or palladium nanoparticles and we havediscussed differences between the different methods.Another strategy consisted in the selective etching of thin metallic layer. Areas not to be etchare protected by the micro contact printing technique. This leads to the development of twooriginal strategies of microfabrication on thin metallic layer.In the whole work, extreme surface characterisation like SEM, AFM, ToF-SIMS, XPS andwettability have been carried out in order to optimize the development of the differentmethods.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l’Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage). / These works have been funded by "la Région Aquitaine" as part of the projects ASCOBAR (2007-2009) and OSQUAR (2009-2011). They have been done in the IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) with the collaboration of two others laboratories.The main goal was to create a guided transverse horizontal acoustic wave (Love wave) platform for specific detection of phycotoxins, responsible of shellfish poisoning. The microfluidic chip integrated into this platform allows control of the sample flow above the sensitive surface while saving biological liquid consumption.Detection tests have been done with the collaboration of the "Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie" (Université Bordeaux 2). The sensitive surface was made of antibodies, created from a hapten made with a mimotope synthesized by "l'Institut des Sciences Moléculaires" (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255). This mimotope is a molecule part which is common to a family of amnesic phycotoxin (ASP).Thanks to the synergistic efforts of this consortium and development of specific detection protocols, results can discriminate poisonous samples at sanitary threshold, that is, containing 0.2 ppm of okadaic acid, 20 ppm of domoic acid (200 ng of domoic acid into only 10 mg of shellfish flesh).

L’identification par radio fréquence (RFID) connectée à des capteurs est une technologie grandissante pour les emballages intelligents. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude des propriétés électriques (impédance et capacité) et diélectriques (permittivité diélectrique et pertes) des protéines notamment le gluten de blé, en fonction des molécules environnementales connues comme des marqueurs de dégradation des denrées alimentaires. Les effets de ces molécules (eau, dioxyde de carbone et éthanol) sur les propriétés électriques et diélectriques du gluten de blé ont été analysés. Dans le but d’effectuer des mesures dans des conditions optimales, plusieurs étapes ont été mises en place:Le développement d’une méthode, permettant une haute exposition du gluten de blé à l’atmosphère environnant, afin d’acquérir des mesures électriques et diélectriques du gluten de blé dans des conditions contrôlées de température, vapeurs et de gaz ;L’analyse des effets des vapeurs et gaz sur les propriétés diélectriques du gluten de blé, ainsi que la détermination de différents paramètres tels que la sensibilité et l’hystérésis, propres aux capteurs ;L’enduction du gluten de blé sur une étiquette RFID, testée en fonction de l’humidité et dans des conditions réelles d’utilisation. Les effets sur la distance de lecture de l’étiquette RFID ont été analysés.Les résultats obtenus sont prometteurs au vu des modifications de la permittivité diélectrique et des pertes, indiquant une modification structurelle de la protéine, qui aurait un impact sur la réponse RFID. La permittivité diélectrique a été augmenté de 5.01±0.06 à 9.22±0.06, de 7.81±0.07 à 12.02±0.03 et de 6.66±0.01 à 11.77±0.01, pour une croissance de 20% à 95% de l’humidité relative, de 0% à 40% de dioxyde de carbone et de 0% à 0.1% d’éthanol respectivement, aboutissant à une sensibilité de 26.70±0.13fF/%RH,31.38±0.06fF/%CO2 et 25.50±0.05pF/%éthanol pour les 3 vapeurs et gaz. Les propriétés diélectriques du gluten et sa sensibilité aux vapeurs et aux gaz offrent de nouvelles perspectives sur la conception de capteurs à bas coûts et écologiques, connectés à des étiquettes RFID passives pour les emballages intelligents et pour le contrôle de la chaîne alimentaire. / Radio frequency identification (RFID) interfaced to sensors is a growing technology for intelligent packaging. The present thesis work is based on the study of the electrical (impedance and capacitance) and dielectric properties (dielectric permittivity and loss) of proteins principally wheat gluten, as a function of environmental molecules known as markers of food degradation. The impacts of those molecules (water, carbon dioxide and ethanol), usually found in food packages, on the electrical and dielectric properties of wheat glutenhave been investigated. In order to perform measurements in the optimum conditions, several steps have been set up:The development of a methodology, allowing a high exposure of wheat gluten to the surrounding atmosphere, offering the possibility to perform electrical measurements and identify dielectric properties of wheat gluten in controlled conditions of vapors and gases ;Analyzing the impact of vapors and gases on the dielectric properties of wheat gluten, and the determination of several parameters such as sensitivity and hysteresis, specific to sensors ;The coating of wheat gluten on a RFID tag, tested as a function relative humidity and in real conditions of use. The subsequent impacts on the reading range of the RFID tag have been analyzed.The results obtained are promising according to modifications of the dielectricpermittivity and loss, indicating a structural modification of the protein, sought to have an impact on the RFID response. The dielectric permittivity was increased from 5.01±0.06 to 9.22±0.06, from 7.81±0.07 to 12.02±0.03 and from 6.66±0.01 to 11.77±0.01, for an increase in relative humidity from 20% to 95%, in carbon dioxide from 0% to 40% and in ethanol from 0% to 0.1%, respectively, resulting in a sensitivity of 26.70±0.13fF/%RH, 31.38±0.06fF/%CO2 and 25.50±0.05pF/%ethanol for the 3 vapors and gases. The dielectric properties of wheat gluten and its sensitivity to vapors and gases offer new insights on theconception of low cost, eco-friendly sensors sought to be interfaced to passive RFID tags for intelligent packaging for food and supply chain monitoring.

La possibilité de convertir l’activité catalytique d’une oxydoréductase en un courant électrique a permis le développement d’une grande diversité d’électrodes enzymatiques. Les anodes catalysant l’oxydation du glucose font partie des plus étudiées pour leurs applications dans la mesure de la glycémie ou dans des biopiles glucose/O2. Parmi les nombreuses stratégies disponibles, l’utilisation d’hydrogels à base de complexes d’osmium en guise de médiateurs rédox fournit d’excellents résultats, qui restent cependant limités en terme de densité de courant ou de sélectivité. Durant cette thèse, la glucose oxydase (GOx) a été déglycosylée. Les électrodes préparées avec la nouvelle enzyme délivraient des courants catalytiques plus élevés, ce qui laissait supposer initialement une diminution de la distance de saut d’électron entre la GOx et le médiateur rédox suite au retrait des oligosaccharides. Une étude avec des électrodes de différentes compositions suggère au contraire que la déglycosylation n’améliore pas le transfert électronique intrinsèque mais la structure globale de l’hydrogel. De fait, une enzyme plus petite et plus négativement chargée doit induire un volume d’hydrogel plus faible pour une même composition molaire. En second lieu, une réduction parasite de l’oxygène affectant ces anodes, non envisagée jusqu’à aujourd’hui, a été mise en évidence et étudiée. En effet, l’interférence de l’O2 n’est usuellement attribuée qu’à sa réactivité avec la GOx. La présente étude prouve que l’O2 se réduit aussi sur les complexes d’osmium si leur potentiel standard E°’ est inférieur à + 0,07 V vs. Ag/AgCl. La cinétique de cette réaction croît exponentiellement quand le E°’ du complexe diminue. En plus d’abaisser le courant d’oxydation et donc les performances de l’anode, la génération de peroxyde d’hydrogène pourrait aussi altérer sa stabilité. Ces résultats suggèrent que le choix d’un médiateur de E°’ donné doit aussi dépendre de l’amplitude de cette réduction. / The possibility of converting the catalytic activity of oxidoreductase enzymes into electric current has led to the development of a high diversity of enzyme electrodes. Anodes catalysing glucose oxidation have been amongst the most studied, especially for their application in monitoring blood glucose or glucose/O2 biofuel cells. Although one of the numerous strategies available, the use of osmium-based hydrogels as redox mediators, has given excellent results, some limitations still remain such as rather low current densities, stability or selectivity Initially, the study focused on the deglycosylation of glucose oxidase (GOx). When most of the oligosaccharides around this glycoenzyme were removed, the ensuing increase in the electrode catalytic current seemed a priori to support the hypothesis of a decrease in the electron hopping distance between the enzyme redox centres and the redox mediator. However, a systematic study of electrode response for different compositions leads us to conclude that deglycosylation does not improve the intrinsic electron transfer but the whole hydrogel structure. This seems due to the smaller size and higher surface charge of the deglycosylated GOx inducing smaller hydrogel volumes than in the native-based GOx. The study then proceeded to examine the oxygen side reduction of commonly used osmium-based redox polymers. The interference of O2 on glucose oxidation current has generally been attributed to O2 reactivity with GOx. The present study shows that O2 reduction also occurs on osmium-based polymers if their formal potential E°’ is below + 0.07 V vs. Ag/AgCl. The kinetics of this reaction appears to increase exponentially when E°’ decreases. As well as reducing the oxidation current and, consequently, lowering anode performances, the generation of hydrogen peroxide could also modify electrode stability. These results suggest that the choice of redox mediator for a given E°'must also take into account the extent of O2 reduction.

La principale originalité de ce travail est la mise en œuvre de deux voies d'immobilisation du biorécepteur sur différents matériaux d'électrodes. Dans un premier temps, nous avons démontré que le polyneutral red (PNR) représente une bonne matrice de rétention pour les enzymes. De plus, de part ses propriétés de médiation vis-à-vis des enzymes et principalement de leur cofacteur (NAD/FAD), ce polymère permet une connexion intime entre le site actif de l'enzyme et l'électrode. L'ensemble de ces caractéristiques nous a permis de mettre en œuvre une bioélectrode applicable en tant qu'anode d'un biocapteur à glucose et d'une cellule de biopile à combustible. Dans un second temps, la glocose oxydase a été immobilisée de façon covalente sur une électrode. L'électro-oxydation de l'éthylène a été menée sur les électrodes de carbone vitreux pour obtenir des fonctions amines. La voie proposée est simple, rapide et efficace. Puis, la glucose oxydase a été greffée avec succès par la méthode EDC / NHS sur les fonctions amines après optimisation des conditions de pH. Ces bioélectrodes ont ensuite été testées en tant que biocapteur à glucose montrant une bonne sensibilité de glucose avec une bonne stabilité sur une période de 4 semaines ce qui prouve l'efficacité de la méthode de greffage pour des applications de détection et dosage. / The main originality of this work is the development of two-way to immobilize a bioreceptor on different electrode materials. Initially, we demonstrated that the polyneutral red (PNR) is a good matrix for retaining enzymes. In addition, its properties of mediation towards enzymes and mainly their cofactor (NAD / FAD), this polymer provides an intimate connection between the active site of the enzyme and the electrode. All these features allowed us to develop an bioelectrodes as the anode of a biosensor for glucose and a fuel cell biopile. In a second step, the glocose oxidase was covalently immobilized on an electrode. The electro-oxidation of ethylene diamine was carried out on glassy carbon electrodes to obtain amine functions. This proposed way is simple, fast and efficient. Then, glucose oxidase was successfully grafted by the method EDC / NHS on amine functions after the optimization of pH conditions. These bioelectrodes were then tested as glucose biosensor and showed good sensitivity with good stability over a period of 4 weeks which proves the effectiveness of the grafting method for detection and assay applications.

La métalloprotéinase matricielle (MMP)-8 ou collagénase-2 est capable de rompre les molécules natives, triples hélices, du collagène interstitiel, initiant ainsi le remodelage cellulaire lors du déplacement dentaire induit par une force orthodontique. C'est un bio-marqueur incontournable du remaniement tissulaire parodontal. L'augmentation de l'expression et de l'activation de MMP-8 dans le fluide gingival reflète l'activité du remodelage parodontal induit par les forces orthodontiques. En moyenne, la concentration de MMP-8 prélevée dans le fluide gingival des patients orthodontiques est 12 fois plus élevée (56 ± 50 µg/l contre 4,6 ± 4 µg/l) que chez les patients non orthodontiques. Le suivi des fluctuations de MMP-8 durant le déplacement orthodontique nécessite la mise au point d'un biocapteur. L'objectif de ce travail est d'utiliser une structure photonique à base de silicium poreux pour la conception d'un biocapteur optique de la MMP-8. Nous avons déterminé le choix du substrat de silicium poreux (PSi) le plus adapté à notre application avec une surface spécifique élevée et pores suffisamment ouverts pour l'infiltration des biomolécules qui sont des anticorps anti-MMP-8. Ensuite nous avons mis en place un procédé de fonctionnalisation chimique et biologique de la surface interne de ces échantillons. / The matrix métalloprotéinase (MMP) 8 or collagenase 2 is able to cleave native molecules, triple helixes, of the interstitial collagen, so introducing the cellular reshaping during orthodontic tooth movement. It is a major biomarker of the periodontal tissular remodeling. The increase of the expression and the activation of MMP-8 in the gingival fluid reflects the activity of the periodontal remodeling. On average, the concentration of MMP-8 taken in the gingival fluid of the orthodontic patients is 12 times as raised(brought up) (56 ± 50 µg / l against 4,6 ± 4 µg / l) that at the not orthodontic patients. Followed it by fluctuations in MMP-8 during the orthodontic movement require the development of a biosensor. The objective of this work is to use a photonique structure with porous silicon for the conception of an optical biosensor of the MMP-8. We determined the choice of the substratum of porous silicon (PSi) the most adapted to our application with a high specific surface and pores opened enough for the infiltration of the biomolecules which are antibodies anti-MMP-8. Then we set up a process of chemical and biological fonctionnalisation of the internal surface of these samples.

Le facteur de motilité autocrine (AMF) est une cytokine sécrétée par les cellules tumorales qui a été détectée dans le sérum et l'urine de patients cancéreux. Cette enzyme stimule la motilité des cellules cancéreuses in vitro et provoque des métastases in vivo. Elle peut être utilisée comme un biomarqueur métastasique.Dans cette étude, un biocapteur électrochimique sensible et spécifique a été conçu pour la détection et la quantification d'une enzyme modèle de l’AMF humain : la PGI de mammifère. Le biocapteur a été construit par liaison de 6-phosphate-D-fructose (F6P) sur une surface d'or d’électrode fonctionnalisée covalemment par des groupements oxyamine.La reconnaissance entre l’enzyme et le biorécepteur a été quantifiée par spectroscopie d'impédance électrochimique et voltammétrie dans une gamme de 10 fM à 100 nM. La limite de détection mesurée est de 6,6 fM. La sélectivité a été prouvée, ainsi que la reproductibilité. Notre biocapteur est une preuve de concept très prometteuse d'un futur dispositif analytique miniaturisé conçu pour la détection rapide, facile et précis de l'AMF. Il pourrait en outre contribuer à valider l'AMF en tant que nouveau biomarqueur du cancer métastatique.Afin d’étudier les interactions mises en jeu dans la reconnaissance entre l’enzyme et le biorécepteur, des études de mécanique moléculaire polarisable via le champ de forces SIBFA ont été réalisées. SIBFA est un champ de forces de seconde génération basé sur les résultats des décompositions ab-initio de l’énergie d’interaction et inclut donc la polarisation mais aussi l’énergie de transfert de charge.Pour cette étude nous avons mis en place deux modèles d’AMF pour SIBFA, une forme entière et une forme réduite, et nous avons construit un mime du biocapteur pour SIBFA. Pour cela, il a fallu concevoir et calibrer chaque fragment nécessaire à l’élaboration du mime. Ensuite différentes minimisations d’énergie ont été réalisées, en prenant en compte ou non la solvatation, puis des études sur les interactions mises en jeu ont été effectuées. / Autocrine motility factor (AMF) is a cytokine secreted by tumor cells that could be detected in the serum and the urine of cancer patients. This enzyme stimulates tumor cells motility in vitro and causes metastasis in vivo. It can be used as a biomarker of metastasis.In this study, a sensitive and specific electrochemical biosensor was designed for the detection and quantitation of a model of the human enzyme AMF: the mammalian PGI. The biosensor was constructed by covalently binding D-fructose 6-phosphate (F6P) on the oxyamine functionalized surface of a gold electrode.Recognition between the enzyme and the bioreceptor was quantified by electrochemical impedance spectroscopy and voltammetry in the range of 10 fM to 100 nM. The measured detection limit was 6.6 fM. Selectivity and reproducibility were also proven. Our biosensor is a promising proof of concept for the design of a future miniaturized analytical device for fast, easy and accurate detection of AMF. It could also help validate the AMF as a new biomarker of metastatic cancer.To study the interactions involved in the recognition process between the enzyme and the bioreceptor, we performed polarizable molecular mechanic studies using the force field SIBFA. SIBFA is a second-generation force field based on the results of ab- initio decomposition energy of interaction and therefore includes not only the polarization but also the charge transfer energy.For this study we have developed two models of AMF for SIBFA, an entire form and a reduced form, and we built a mime of the biosensor for SIBFA. For this, it was necessary to design and calibrate each fragment essential for the development of the mime. Then, different energy minimizations were carried out, some of which taking into account solvation parameters. Studies of interactions between the mime and the AMF model are being carried out.

La conception et le développement de biocapteurs pour la détection directe de biomarqueurs dans un échantillon de fluide biologique constituent un véritable défi dans la recherche pour leur application dans le système de point de soins en diagnostic. Mon projet est axé sur l'élaboration d'une nouvelle plateforme de décomposition biologique composée de graphène qui présente une surface électroactive et spécifique élevée permettant de greffer de nombreux biomolécules avec des métalloporphyrines en tant que nouveau marqueur redox pour suivre le processus de reconnaissance biologique obtenu dans le cas d'un capteur d'ADN. Le concept sera de démontrer que les métalloporphyrines où le potentiel d'oxydo-réduction pourrait être contrôlé par la nature des ions métalliques pourraient être appliquées dans une plate-forme de biocapteurs électrochimique multidétection. L'association de la métalloporphyrine avec le graphène offrira de nombreux avantages, comme la promotion de la réaction de transfert d'électrons et ayant une grande surface pour l'immobilisation des protéines. La détection de la cible présente sera réalisée suite à l'activité redox des métalloporphyrines greffées à la surface. Nous avons déjà synthétisé différentes métalloporphyrines modifiées et caractérisées par des techniques habituelles de spectrométrie telles que la RMN, les UV et la MS. Le biocapteur d'ADN a été construit par le composite de graphène et métalloporphyrine et sonde d'ADN comme biorécepteur suivant l'approche d'attachement covalent et l'optimisation de la construction de biocapteur pour améliorer la stabilité et la reproductibilité. Et nous avons déjà fait une détection de l'ADN cible par diverses méthodes électrochimiques, y compris la voltamétrie cyclique, la voltampérométrie à onde carrée et la spectroscopie d'impédance. Cette stratégie a été réalisée d'abord avec la porphyrine Mn insérée puis généralisée à divers complexes métalliques pour une approche multidétection. Parallèlement, les nanomatériaux hybrides combinant les caractéristiques du graphène (haute conductivité et grande surface spécifique) et des porphyrines (propriétés physiques et chimiques et capacité de transfert d'électrons), tels que la tétraphénylporphyrine portant un et quatre groupes carboxyliques nommés H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et la tétraphénylporphyrine incorporant du manganèse (III) (MnTPP-1CP) ont été synthétisés avec succès. L'interaction entre H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et l'oxyde de graphène chimiquement réduit (CRGO) a été étudiée dans mon travail de thèse. Pour étudier les propriétés caractéristiques des nanomatériaux préparés, la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie à force atomique (AFM), les spectres UV-visible, les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR) et les spectres de photoélectrons X. Afin d'éliminer l'absorption non spécifique, la modification de l'électrode par le PEA a également été appliquée et obtenir une excellente application pour la détection de la cible d'ADN. / The design and development of biosensors for direct detection of biomarkers in biological fluid sample is real challenge in research for their application in point of care system in diagnostic. My project is focus on the elaboration of a new platform for biological detaction composed of graphene which exhibits a high electroactive and specific surface suitable for grafting numerous biomoleculer with metalloporphyrins as a novel redox marker for following biological recognition process obtained in the case of DNA sensor. The concept will be to demonstrate that the metaloporphyrines where there redox potential could be controlled by the nature of metal ions could be applied in multidetection electrochemical biosensor platform. The association of metalloporphyrin with graphene will offer numerous advantages, as promoting electron transfer reaction and having a large surface for protein immobilization. The detection of target present will be performed following redox activity of the metalloporphyrins grafted on the surface. We have already synthesized various modified metalloporphyrins and characterizatized by usual spectrometry techniques such as NMR, UV and MS. The DNA biosensor has been constructed by the composite of graphene and metalloporphyrin and DNA probe as bioreceptor following covalent attachment approach and optimization of the biosensor construction for improving stability and reproducibility. And we have already done some detection of DNA Target by various electrochemical methods including cyclic voltammetry, square wave voltammetry and impedance spectroscopy. This strategy was performed firstly with on Mn inserted porphyrin and then generalized to various metal complex for multidetection approach. Meanwhile, the hybrid nanomaterials which combined the features of both graphene (high conductivity and large specific surface area) and porphyrins (physical and chemical properties and electron transfer ability), such as tetraphenylporphyrin bearing one and four carboxylic group named H₂TPP-nCP(n=1, 4) and tetraphenylporphyrin incorporating manganese (III) (MnTPP-1CP) were successfully synthesized. The interaction modes between H₂TPP-nCP(n=1, 4) and chemically reduced graphene oxide (CRGO) was studied in my thesis work. To investigate the characteristic properties of as-prepared nanomaterials, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), UV-visible spectra, Fourier Transform infrared spectra (FT-IR), X-ray photoelectron spectra (XPS). In order to eliminate the non-specific absorption, the modification of the electrode by monolayer PEA was also applied and obtain excellent application for the detection of DNA target.

La tuberculose (TB) est une maladie transmise par l'air causée par Mycobacterium tuberculosis (MTB) qui affecte habituellement les poumons, entraînant une toux sévère, de la fièvre et des douleurs thoraciques. En 2015, il a été estimé que plus de 9,6 millions de personnes dans le monde ont développé la tuberculose et que 1,5 millions sont morts de la maladie infectieuse dont 12% étaient co-infectés par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH). En 2016, les statistiques ont atteint un total de 1,7 million de personnes décédées de la tuberculose avec environ 10,4 millions de nouveaux cas de TB diagnostiqués dans le monde. Le développement de systèmes de mesures rapides et fiables, ultra-sensibles, bon marché et facilement disponibles est essentiel pour lutter contre la tuberculose (TB) et la tuberculose multirésistante. Ce travail est une étude sur la faisabilité d'une part d'immunocapteurs électrochimique utilisant un antigène spécifique de Mycobacterium tuberculosis Ag85B pour détecter la tuberculose et d'autre part de biocapteurs utilisant l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) pour détecter les médicaments antituberculeux dans le sérum ou l’eau.L'immunocapteur a été développé en adoptant la méthode ELISA indirecte qui a été utilisée pour la détection des anticorps IgG dans les tests ELISA IgG contre la tuberculose. Il a été réalisé en électrodéposant par voltamétrie cyclique (CV) d’abord de l'acide polyamique (PAA) sur une électrode de carbone vitreux (GCE) puis des antigènes recombinants de Mycobacterium tuberculosis Ag85B (Ag). Les électrodes modifiées ont été caractérisées par CV et SWV. Le profil de réponse de l'immunocapteur à des anticorps de Mycobacterium tuberculosis a été étudié par SWV et la réponse linéaire était dans une gamme de 0,3 à 1,6 mg / mL avec une limite de détection (LOD) de 0,08 mg / mL.D'autre part, deux plates-formes pour le développement de biocapteurs pour la détection de médicaments antituberculeux, l'éthambutol (ETH) et la rifampicine (RIF), ont également été préparées. L’une était un composite PAA/AgNPs (nanoparticules d’argent) déposé par goutte sur GCE pour former une plate-forme GCE/PAA/AgNPs. Alors que l'autre plate-forme (GCE/PPy/AgNPs) a été formée par électrodéposition de pyrrole en présence de nanoparticules d'argent (PPy + AgNPs) sur GCE en utilisant la chronopotentiométrie. Les plateformes GCE/PAA/AgNPs et GCE/PPy/AgNPs ont ensuite été caractérisées en utilisant la voltamétrie cyclique alors que leurs morphologies l’ont été par microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (MEB). L'immobilisation de l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) sur les deux plates-formes a été réalisée par dépôt de gouttes. L'efficacité des biocapteurs GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 et GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 pour la détection de ETH et de RIF a été étudiée par DPV. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 a été capable de détecter les médicaments antituberculeux à leur concentration sérique maximale (2 à 6 μg/mL). Alors que le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 était capable de détecter l'ETH à des concentrations inférieures au taux sérique (2,5 ng/mL à 12,5 ng/mL). Par conséquent, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a la capacité de détecter ETH même à l'état de traces dans les systèmes aqueux. Ainsi, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a une limite inférieure de détection de l'ETH (0,75 ng/mL) par rapport au biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 (1,3 µg/mL). La sensibilité du biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 pour l'ETH était de 5 µA/ng.mL-1 alors que celle du biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était de 2,6 µA/µg.mL-1. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était le seul biocapteur capable de détecter le RIF avec une limite de détection de 7,5 µg/mL. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 convient à la détection de l'ETH et du RIF aux taux sériques et aux systèmes aqueux. Alors que le GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 ne convient que pour la détection des médicaments antituberculeux à des niveaux traces dans l'eau. / Tuberculosis (TB) is an airborne disease caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB) that usually affects the lungs leading to severe coughing, fever and chest pains. In 2015 it was estimated that over 9.6 million people worldwide developed TB and 1.5 million died from the infectious disease of which 12 % were co-infected with human immunodeficiency virus (HIV). In 2016 the statistics increased to a total of 1.7 million people died from TB with an estimated 10.4 million new cases of TB diagnosed worldwide. The development of the fast and reliable point-of-care systems that are ultra-sensitive, cheap and readily available is essential in order to address and control the spread of the tuberculosis (TB) disease and multidrug-resistant tuberculosis. This work is the feasibly study on one part on the development of electrochemical immunosensor using a specific Mycobacterium tuberculosis Ag85B antigen to detect tuberculosis and on another part on the development of biosensors using cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) enzyme to detect anti-TB drugs in aqueous systems. The immunosensor was developed by adopting the indirect ELISA method which was used for the detection of the IgG antibodies using the tuberculosis IgG ELISA. The development of immunosensor was achieved using glassy carbon electrode (GCE) modified with polyamic acid (PAA) in which Mycobacterium tuberculosis recombinant antigen Ag85B (Ag) was immobilized. PAA was electrodeposited on glassy carbon electrode (GCE) using cyclic voltammetry. The modified electrodes were characterized by cyclic and square wave voltammetry. The response profile of the immunosensor at Mycobacterium tuberculosis antibodies was studied by square wave voltammetry and the linear response was in a range of 0.3 to 1.6 mg/mL with a detection limit (LOD) of 0.08 mg/mL. On the other hand, two platforms for the development of biosensors for the detection of ethambutol and rifampicin (anti-TB drugs) were also prepared. Two platforms were prepared whereby polyamic acid-silver nanoparticles composite (PAA/AgNPs) was drop-coated on GCE to form GCE/PAA/AgNPs platform. While the other platform (GCE/PPy/AgNPs) was formed by electrodeposition of polypyrrole-silver nanoparticles composite (PPy/AgNPs) on GCE using chronopotentiometry. The GCE/PAA/AgNPs and GCE/PPy/AgNPs platforms were then characterized using cyclic voltammetry while their morphologies were obtained by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The immobilization of cytochrome P450-2E1 enzyme (CYP2E1) on both platforms was achieved by means of drop coating. The efficiency of the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 and GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensors for the detection of ethambutol (ETH) and rifampicin (RIF) was studied by differential pulse voltammetry (DPV). The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect anti-TB drugs at their peak serum levels (2 – 6 µg/mL). Whereas the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect ethambutol at concentrations lower than the serum level (2.5 ng/mL to 12.5 ng/mL). Therefore, GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor has an ability to detect ethambutol even at trace levels in aqueous systems. Thus, the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor have lower limit of detecting ETH (0.75 ng/mL) than GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor (1.3 µg/mL). The sensitivity of GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor for ETH was 5 μA/ng.mL-1while the sensitivity of GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was 2.6 μA/μg.mL-1. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was the only biosensor that was able to detect RIF with a limit of detection of 7.5 µg/mL. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor is suitable for the detection of ETH and RIF at serum levels and aqueous systems. While the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 is suitable for only detecting anti-TB drugs at trace levels in water.