Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’Université de Bourgogne Franche-Comté en France et l’Université de Sherbrooke au Canada. Elle porte sur le développement d'un biocapteur miniature pour la détection et la quantification de bactéries dans des milieux liquides complexes. La bactérie visée est l’Escherichia coli (E. coli), régulièrement mise en cause dans des épidémies d'infections alimentaires, et parfois meurtrière.La géométrie du biocapteur consiste en une membrane en arséniure de gallium (GaAs) sur laquelle est déposé un film mince piézoélectrique d’oxyde de zinc (ZnO). L'apport du ZnO structuré en couche mince constitue un réel atout pour atteindre de meilleures performances du transducteur piézoélectrique et consécutivement une meilleure sensibilité de détection. Une paire d'électrodes déposée sur le film de ZnO permet de générer sous une tension sinusoïdale une onde acoustique se propageant dans le GaAs, à une fréquence donnée. La face arrière de la membrane, quant à elle, est fonctionnalisée avec une monocouche auto-assemblée (SAM) d'alkanethiols et des anticorps anti-E. coli, conférant la spécificité de la détection. Ainsi, le biocapteur bénéficie à la fois des technologies de microfabrication et de bio-fonctionnalisation du GaAs, déjà validées au sein de l’équipe de recherche, et des propriétés piézoélectriques prometteuses du ZnO, afin d’atteindre potentiellement une détection hautement sensible et spécifique de la bactérie d’intérêt. Le défi consiste à pouvoir détecter et quantifier cette bactérie à de très faibles concentrations dans un échantillon liquide et/ou biologique complexe.Les travaux de recherche ont en partie porté sur les dépôts et caractérisations de couches minces piézoélectriques de ZnO sur des substrats de GaAs. L’effet de l’orientation cristalline du GaAs ainsi que l’utilisation d’une couche intermédiaire de Platine entre le ZnO et le GaAs ont été étudiés par différentes techniques de caractérisation structurale (diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, spectrométrie de masse à ionisation secondaire), topographique (microscopie à force atomique), optique (ellipsométrie) et électrique. Après la réalisation des contacts électriques, la membrane en GaAs a été usinée par gravure humide. Une fois fabriqué, le transducteur a été testé en air et en milieu liquide par des mesures électriques, afin de déterminer les fréquences de résonance pour les modes de cisaillement d’épaisseur. Un protocole de bio-fonctionnalisation de surface, validé au sein du laboratoire, a été appliqué à la face arrière du biocapteur pour l’ancrage des SAMs et des anticorps, tout en protégeant la face avant. De plus, les conditions de greffage d’anticorps en termes de concentration utilisée, pH et durée d’incubation, ont été étudiées, afin d’optimiser la capture de bactérie. Par ailleurs, l’impact du pH et de la conductivité de l’échantillon à tester sur la réponse du biocapteur a été déterminé. Les performances du biocapteur ont été évaluées par des tests de détection de la bactérie cible, E. coli, tout en corrélant les mesures électriques avec celles de fluorescence. Des tests de détection ont été réalisés en variant la concentration d’E. coli dans des milieux de complexité croissante. Différents types de contrôles ont été réalisés pour valider les critères de spécificité. En raison de sa petite taille, de son faible coût de fabrication et de sa réponse rapide, le biocapteur proposé pourrait être potentiellement utilisé dans les laboratoires de diagnostic clinique pour la détection d’E. coli. / This thesis was conducted in the frame of an international collaboration between Université de Bourgogne Franche-Comté in France and Université de Sherbrooke in Canada. It addresses the development of a miniaturized biosensor for the detection and quantification of bacteria in complex liquid media. The targeted bacteria is Escherichia coli (E. coli), regularly implicated in outbreaks of foodborne infections, and sometimes fatal.The adopted geometry of the biosensor consists of a gallium arsenide (GaAs) membrane with a thin layer of piezoelectric zinc oxide (ZnO) on its front side. The contribution of ZnO structured in a thin film is a real asset to achieve better performances of the piezoelectric transducer and consecutively a better sensitivity of detection. A pair of electrodes deposited on the ZnO film allows the generation of an acoustic wave propagating in GaAs under a sinusoidal voltage, at a given frequency. The backside of the membrane is functionalized with a self-assembled monolayer (SAM) of alkanethiols and antibodies anti-E. coli, providing the specificity of detection. Thus, the biosensor benefits from the microfabrication and bio-functionalization technologies of GaAs, validated within the research team, and the promising piezoelectric properties of ZnO, to potentially achieve a highly sensitive and specific detection of the bacteria of interest. The challenge is to be able to detect and quantify these bacteria at very low concentrations in a complex liquid and/or biological sample.The research work partly focused on the deposition and characterization of piezoelectric ZnO thin films on GaAs substrates. The effect of the crystalline orientation of GaAs and the use of a titanium / platinum buffer layer between ZnO and GaAs were studied using different structural (X-ray diffraction, Raman spectroscopy, secondary ionization mass spectrometry), topographic (atomic force microscopy), optical (ellipsometry) and electrical characterizations. After the realization of the electrical contacts on top of the ZnO film, the GaAs membrane was micromachined using chemical wet etching. Once fabricated, the transducer was tested in air and liquid medium by electrical measurements, in order to determine the resonance frequencies for thickness shear mode. A protocol for surface bio-functionalization, validated in the laboratory, was applied to the back of the biosensor for anchoring SAMs and antibodies, while protecting the top side. Furthermore, different conditions of antibody grafting such as the concentration, pH and incubation time, were tested to optimize the immunocapture of bacteria. In addition, the impact of the pH and the conductivity of the solution to be tested on the response of the biosensor has been determined. The performances of the biosensor were evaluated by detection tests of the targeted bacteria, E. coli, while correlating electrical measurements with fluorescence microscopy. Detection tests were completed by varying the concentration of E. coli in environments of increasing complexity. Various types of controls were performed to validate the specificity criteria. Thanks to its small size, low cost of fabrication and rapid response, the proposed biosensor has the potential of being applied in clinical diagnostic laboratories for the detection of E. coli.

Les cristaux phononiques (CP) sont des structures constituées de motifs élémentaires périodisés qui sont conçus et dimensionnés de manière à obtenir une propagation d’ondes acoustiques ou élastiques très différente de la propagation naturelle dans un matériau non structuré. C’est un moyen très efficace pour façonner la propagation des ondes acoustiques grâce notamment à la présence de bandes interdites liées à la périodicité des motifs élémentaires ou liées à leurs résonances intrinsèques. Ces mécanismes de contrôle de la propagation d’ondes constituent un énorme potentiel technologique dans diverses applications (filtre, multiplexeur, guide d’onde, résonateur et capteur). De nombreux travaux ont permis le développement de dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) intégrant des CP pour le contrôle d’ondes à haute fréquence. Néanmoins, de tels dispositifs devant fonctionner en présence d’un liquide en contact avec le CP présentent des difficultés de conception liées à l’affaiblissement des ondes à l’interface solide-fluide à cause de la radiation vers le fluide des ondes à composantes hors plan. Dans le cas particulier d’un usage au titre d’un capteur, les performances d’un tel dispositif sont souvent insuffisantes.L’objectif de l’étude menée dans le cadre de cette thèse est de remédier à ce problème en utilisant les résonances localisées de cristaux phononiques constitués de piliers pour concevoir des dispositifs opérationnels en milieu liquide.Dans un premier temps, des outils numériques basés sur la méthode des éléments finis ont été développés et validés pour la modélisation de cellules élémentaires d’un CP à base de piliers. Cela nous a permis de démontrer que la présence de résonances localisées de piliers judicieusement dimensionnés permet de ralentir la vitesse de l’onde Scholte-Stoneley à l’interface solide-fluide. Les modèles de dispositifs à base de CP ont été implémentés et utilisés pour valider les résultats retenus du modèle unitaire, dans un deuxième temps. Quant à la partie expérimentale, elle nous a permis de valider la persistance en milieu liquide des bandes interdites à résonances localisées qui est attribuée au fait qu’à la résonance des piliers, l’énergie reste confinée dans ces derniers empêchant ainsi sa radiation dans le fluide. Ces résultats nous ont permis de concevoir des guides d’ondes persistantes en milieu liquide par l’intégration au sein du CP de défauts géométriques sous forme d’une chaine de piliers ayant des dimensions différentes du reste des piliers du CP.L’étude théorique a montré que les ondes guidées que l'on peut engendrer en utilisant les deux types de bandes interdites (Bragg et résonances localisées) ont des propriétés proches d’une onde de surface de Rayleigh. Les résultats obtenus dans ce travail ont permis d’élucider et d'expliciter les mécanismes à l’origine de la persistance des modes propagatifs dans les CP à résonances localisées. Cela devrait permettre d'ouvrir un champ d’investigation visant à développer des capteurs SAW phononiques pour des applications en micro-fluidique, notamment des dispositifs de type lab-on-chip. / Phononic crystal(PC) can be defined as an artificial structure built from periodical unit cell which could achieve interesting acoustic and elastic propagation thanks to the presence of phononic bandgap(PnBg) related to the periodicity and its intrinsic resonance of the unit cell. These mechanisms to control the wave’s propagation illustrate a huge potential that could led to several promising applications (filtering, waveguiding, resonator and sensor). Many works proposed the integration of surface acoustic wave(SAW) with PC with the purpose to manipulate the wave’s propagation at high frequency(UHF-VHF range). Nevertheless, the presence of liquid on the surface of such device induces an attenuation of the wave at the interface of solid-fluid due to the out-of-plane displacement which radiate into the fluid. For the development of such device as a sensor, its performance is usually degraded and not sufficient compared to the current state of art. The objective of this thesis is to provide a solution to the above problem through the utilization of locally-resonant mechanism in PC composed of an array of pillars to design a device which could operate in the liquid environment. First, we developed a theoretical model based on Finite Element Method (FEM) simulation for a unit cell of pillar-based structure embedded with a liquid medium. We demonstrated that local resonances of pillars with optimized dimension could decrease the phase velocity of Scholte-Stoneley wave, to produce a slow wave at the solid/fluid interface. For the experimental part, we showed the conservation of locally-resonant bandgap when the fabricated device is loaded with liquid. This conservation is attributed to the local resonance of pillars that confine the energy inside the pillar to prevent radiation of energy into the fluid. The obtained results allow us to design a waveguide persistent under liquid medium by the integration of geometrical defect in the PC in the form of a chain of pillars with a different dimension compared to the rest. Furthermore, the theoretical studies indicated also that the waveguide induced in the both type of band gap(Bragg and locally-resonant) has a close appearance as a Rayleigh SAW. The results from this study could elucidate the mechanism of the persistence of the propagation mode of locally-resonant PC. This could open a new perspective for a further investigation to develop SAW phononic especially in the in a microfluidic and lab on chip application.

Cette thèse a pour vocation de contribuer au développement de différents immunocapteurs ampérométriques associés aux électrodes sérigraphiées (SPE). Les immunocapteurs sont des dispositifs simples associant un anticorps ou un antigène qui assurent la sélectivité à un transducteur (ici une SPE) ;ce dernier transforme la liaison anticorps/antigène en un signal mesurable (ici ampérométrique).<p>Le travail est divisé en deux volets principaux.<p>Le premier est consacré à la mise en œuvre de différents modèles d’immunocapteurs ampérométriques pour le dosage d’anticorps anti-tetani. La vaccination contre le tétanos est généralisée, toutefois pour maintenir un taux d’anticorps suffisant, il est indispensable d’administrer un rappel tous les 10 ans. Ce schéma vaccinal n’est pas toujours respecté, ce qui a pour conséquence qu’une partie de la population n’est plus protégée. Afin de déterminer le statut immunitaire du patient, il est indispensable de pouvoir déterminer le taux d’anticorps. Les immunocapteurs ampérométriques répondent à cet objectif. Plusieurs stratégies d’immobilisation de l’anatoxine tétanique (antigène) sur une SPE ont été mises en œuvre et comparées. L’une d’elles repose sur l’utilisation de microparticules superparamagnétiques pour la réaction immunologique et d’une SPE rendue magnétique par un support aimanté pour la mesure. D’autres reposent sur l’immobilisation de l’antigène et les réactions immunologiques directement à la surface de la SPE. L’utilisation de plans d’expérience, pour l’optimisation des immunoessais sur SPE est également exploitée dans ce travail. Les immunocapteurs développés ont permis de doser les anticorps anti-tetani dans le sérum de cobaye en dessous des valeurs considérées comme protectrices.<p>Dans le second volet, un immunocapteur basé sur l’utilisation de nanobodies® (NB) a été mis au point. Nous avons qualifié ce type d’immunocapteur original de nanoimmunocapteur. Le récepteur de facteur de croissance épidermique humain (HER2) a été utilisé comme cible. La protéine HER2 est considérée comme un biomarqueur important car sa surexpression provoque un type agressif de cancer du sein. Les NB sont des fragments à domaine unique dérivés d'anticorps à chaînes lourdes de camélidés. La stratégie de dosage immunologique en sandwich développée a tiré profit de la petite taille des NB pour la détection du marqueur électroactif d’oxydoréduction. La stabilité élevée des NB immobilisés a permis une durée de stockage des SPE modifiées supérieure à 3 semaines. De très courtes durées d'incubation étaient suffisantes pour obtenir une réponse satisfaisante. Le nanoimmunoessai a permis de déterminer le taux d’HER2 dopé dans des lysats cellulaires.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’ARN polymérase dépendante d’ADN (RNAP) est une enzyme responsable de la polymérisation de ribonucleotides dans une séquence d'ARN complémentaire de l'ADN de matrice. La famille de RNAP a plusieurs membres, comme de protéines sous-unité unique (par exemple du bactériophage T7) ou multiple sous-unité (bactériennes et eucaryotes). Transcription de l'ARN - un événement crucial dans l'expression des gènes - varie en fonction de l'origine de RNAP. Bien que le processus de transcription est relativement bien caractérisée, de nombreux éléments restent mal compris, surtout par rapport à la dynamique de la reconnaissance de promoteur, d'évasion et de l'allongement dans une contexte de cellule où la densité moléculaire, les concentrations et les effets plus proches environs sont importants. L'objectif de cette thèse était la développement d’une méthode qui permettrait suivre la réaction RNAP in vitro en temps réel dans des conditions très contrôlées. Un axe majeur a été mis pour développer un biocapteur basé surface qui permettrait à la caractérisation des principales étapes de la réaction de transcription. Par conséquent, les interactions entre des molécules d'ADN immobilisés sur une surface du capteur et RNAP libre délivré par un système microfluidique de la surface ont été examinées. Changements de l'indice de réfraction, corrélés avec les changements de masse sur la surface ont été suivis en utilisant l'imagerie par résonance de plasmon de surface (SPRi). SPRi est une technique sensible dédiée à l'analyse des interactions entre deux ligands en temps réel. Les bases du mécanisme sont la détection de légères différences dans la réflexion de la lumière polarisée à un angle fixe qui est associé avec une variation de masse à l'interface. Les données obtenues à partir SPRi sont utilisées pour déterminer la cinétique des interactions. Géométrie d’ADN puces permet de suivre plusieurs échantillons simultanément, qui raccourcit considérablement le temps que de manipulation et améliore la qualité et la reproductibilité des résultats obtenus. Autres biocapteurs optofluidique: résonateur de microring et microscopie de fluorescence par réflexion totale interne (TIRF) ont été développés en parallèle. Nous avons biofunctionalisé et caractérisé des surfaces de capteur (de verre couvert de polymère pour un résonateur de microring et la microscopie TIRF et 50 nm couche mince d’or sur des prismes de SPRi) afin d'immobiliser ADN d'une manière contrôlée, par création d’une monocouche auto-assemblée (SAM). Fonctionnalisation de polymères SU-8 concernées deux méthodes: covalent immobilisation de (bio) molécules et la conjugaison non covalente sur la base de couplage hydrophobe. Pour la fonctionnalisation de surface d’or, quatre stratégies différentes d'immobilisation des molécules ont été comparés: formation de la liaison de thiol - or, la formation des liaisons amide, interactions extrAvidin - biotine et le couplage hydrophobe. Les études de la conjugaison de l'ADN à la surface d'or fonctionnalisé ont été effectuées en ce qui concerne la spécificité et la densité d'ADN immobilisées de longueurs différentes: 50, 500 et 1000 pb. Enfin, les surfaces biofunctionalized ont été utilisées pour suivre en temps réel des réactions de transcription de deux RNAP: bactériophage T7 RNAP monomère et l'holoenzyme d'Escherichia coli RNAP. Les analyses cinétiques de la formation d’un complexe nucléoprotéine et la transcription d'ARN ont été fait par report de la densité et la longueur de l'ADN immobilisé, la position de la séquence du promoteur spécifique. Transcription de l'ARN dans l'appareil SPRi a été confirmée par la collection, la détection et l'analyse des produits ARN.L'objectif final comprends une synthèse de l'ARN contrôlée qui serait une étape intermédiaire d'enquêter en temps réel la production de protéines in vitro. / DNA-dependent RNA polymerase (RNAP) is an enzyme responsible for the polymerization of ribonucleotides into an RNA sequence complementary to the template DNA. RNAP family has several members being single subunit (e.g. T7 bacteriophage) or multi subunit (bacterial and eukaryote) proteins. RNA transcription – a crucial event in gene expression – differs depending on the RNAP origin. Although the transcription process is relatively well characterized, many elements remain poorly understood, especially with respect to the dynamics of promoter recognition, escape and elongation in a cell like context where molecular density, concentrations and nearest neighbour effects are prevalent.The goal of this thesis was to develop a robust method that would allow real time monitoring of RNAP reaction in vitro in thoroughly controlled conditions. A major axis was to develop a surface-based biosensor that would allow the characterization of the main steps of the transcription reaction. Consequently, interactions between DNA molecules immobilized on a sensor surface and free RNAP delivered through a microfluidic flow system to the surface were examined. Changes in refractive index, correlated with changes in mass at a surface were followed using surface plasmon resonance imaging (SPRi). SPRi is a sensitive technique dedicated to analysis of interactions between two ligands in real time. The mechanism bases on the detection of slight differences in the reflectivity of polarized light at a fixed angle that are associated with a mass variation at the interface. Data obtained from SPRi are used to determine the kinetics of the interactions. Microarray geometry of SPRi allows monitoring several samples simultaneously that significantly shortens manipulation time and improves a quality and reproducibility of obtained results. Other label-free optofluidic biosensors: microring resonator and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy were developed in parallel.We firstly biofunctionalized and characterized sensor surfaces (polymer coated glass for microring resonator and TIRF microscopy and 50-nm thin layer gold coatings on glass prisms for SPRi) in order to immobilize DNA strands in a controlled manner, using a self-assembled monolayer (SAM). Functionalization of photoresist polymer SU-8 concerned two methods: covalent (bio)molecule grafting and non-covalent conjugation based on hydrophobic coupling. Regarding gold surface functionalization, four different strategies of antifouling (bio)molecule immobilization were compared: thiol – gold bond formation, amide bond formation, extrAvidin – biotin interactions and hydrophobic coupling. Studies of DNA conjugation to the functionalized gold surface were performed with respect to specificity and density of immobilized DNA molecules of different lengths: 50, 500 and 1000 bp.Finally, biofunctionalized surfaces were used for real time monitoring of transcription reactions using two RNAPs: monomeric bacteriophage T7 RNAP and the holoenzyme of Escherichia coli RNAP. Kinetic analyses of nucleoprotein complex formation and RNA transcription were performed as a function of immobilized DNA density, the length of the immobilized DNA, the position of the specific promoter sequence with respect to the point of immobilization and the direction of subsequent transcription. RNA transcription in the SPRi apparatus was confirmed by collection, detection and analysis of relevant products.The future development of biosensors dedicated to in vitro gene expression will include the adaptation of the methods presented above to other optofluidic systems and further development of the technique. The final goal comprises a controlled RNA synthesis that would be an intermediate step to investigate real time in vitro protein production.

La mesure de cellules biologiques constitue une étape de routine dans de nombreuses investigations en biologie. Les techniques actuelles utilisées par les biologistes sont principalement basées sur l'utilisation marqueurs optiques de coloration ou fluorescents, qui fournissent des observations moléculaires et cellulaires très précises et efficaces. Dans ce contexte, la spectroscopie diélectrique micro-ondes pour analyse cellulaire constitue une méthode nouvelle et attrayante, en raison du manque de préparation et manipulation des cellules, sans besoin d'ajout de produits chimiques, qui pourraient interférer avec d'autres constituants cellulaires. Sa compatibilité avec l'analyse de cellules uniques, potentiellement en temps réel, constitue également deux atouts importants de la technique d'analyse. Les travaux de cette thèse ont donc porté sur l'optimisation d'un biocapteur hyperfréquence microfluidique, dédié à la spectroscopie diélectrique de cellules biologiques uniques, et au développement de sa métrologie pour accéder au comportement diélectrique de cellule soumise à des stimuli chimique. Après un état de l'art sur les techniques courantes d'analyse de cellule individuelle, nous nous sommes attachés à optimiser le biocapteur hyperfréquence pour en améliorer les performances en sensibilité et en répétabilité. Ces optimisations ont porté sur le procédé de micro-fabrication, l'architecture du composant, que ce soit au niveau mécanique vis à vis de l'efficacité de blocage d'une cellule unique, mais aussi d'un point de vue électromagnétique avec une étude paramétrique. Ces études ont été validées dans un premier temps expérimentalement par la mesure de billes de polystyrène, modèle diélectrique simplifié par rapport à la complexité d'une cellule biologique, puis sur cellules individuelles vivantes dans leur milieu de culture. Le banc de caractérisation a également été optimisé afin de permettre la mesure diélectrique de cellules au cours du temps, et notamment en réaction à un stimulus d'ordre chimique. La cinétique de réaction d'une cellule unique soumise à de la saponine a été enregistrée automatiquement pour différentes cellules. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à l'analyse à l'échelle cellulaire par spectroscopie diélectrique micro-onde de processus biologiques complexes en temps réel. / The measurement of biological cells is a routine step in many biological investigations. Current techniques used by biologists are mainly based on staining or fluorescent labelings, which provide very precise and effective molecular and cellular observations. Within this context, the microwave dielectric spectroscopy for cell analysis represents a new and attractive method, due to the lack of cells preparation and manipulation, without adding chemicals that could interfere with other cellular constituents. Its compatibility with the analysis of single-cells, potentially in real-time monitoring, constitute also two major assets of the analysis technique. This PhD thesis therefore focused on the optimization of a microfluidic and microwave based biosensor, which is dedicated to the dielectric spectroscopy of individual biological cells, and the development of its metrology to assess the dielectric behavior of cells subjected to chemical stimuli. After a state of the art on the current techniques available to analyze single cells, we focused on the optimization of the microwave biosensor to improve its performances in terms of sensitivity and repeatability. These optimizations dealt with the microfabrication process, the component architecture through the investigation of single cell loading efficacy as well as an electromagnetic parametric study. These developments were validated first experimentally with the measurement of polystyrene beads, which present a simplified dielectric model compared to the complexity of a biological cell, followed then by living individual cells in their culture medium. The test bench was also optimized to allow the dielectric measurement of cells over time, and especially in response to a chemical stimulus. The reaction kinetics of a single-cell subjected to saponin was recorded automatically for different cells. This work opens the door to single-cell analysis with microwave dielectric spectroscopy of complex biological processes in real-time.

Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et à intégrer les fonctions couramment utilisées dans les laboratoires d'analyse afin de cibler des applications en santé avec un impact prometteur sur le diagnostic médical au lit du patient. Les membranes poreuses sont d'un grand intérêt pour la préparation et l'analyse d'échantillon sur puce car elles permettent la séparation par taille/charge de molécules, mais également leur pré-concentration. Parmi les matériaux disponibles pour constituer des membranes poreuses, le silicium poreux présente de nombreux avantages tels que le contrôle précis de la taille des pores et de la porosité, une chimie de surface pratique et des propriétés optiques uniques. Les membranes de silicium poreux sont généralement intégrées dans des puces fluidiques en les montant entre deux couches comportant des micro-canaux, formant ainsi des réseaux fluidiques à trois dimensions, peu pratiques et peu adaptés à l'observation directe par microscopie. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé deux méthodes de fabrication de membranes de silicium à pores latéraux qui permettent leur intégration monolithique dans des systèmes microfluidiques planaires. Le premier procédé est fondé sur l'utilisation d'électrodes localement structurées afin de guider la formation de pores de manière horizontale, en combinaison avec des substrats type silicium sur isolant (SOI) pour localiser spatialement la formation de silicium poreux dans la profondeur du canal. La deuxième méthode repose sur le fait que la formation de silicium poreux par anodisation est fortement dépendante du type de dopant et de sa concentration. Bien que nous utilisons encore le même type d'électrodes structurées sur les parois latérales de la membrane pour injecter le courant lors de l'anodisation, le dopage par implantation permet de confiner la membrane, de façon analogue mais à la place de l'oxyde enterré du SOI. Des membranes à pores latéraux ont été fabriquées par ces deux méthodes et leur fonctionnalité a été démontrée en réalisant des expériences de filtrage. En plus de la filtration d'échantillon, les membranes ont été utilisées pour étudier la possibilité d'effectuer de la pré-concentration électrocinétique et de la détection interférométrique. La sélectivité ionique des membranes microporeuse permet la pré-concentration moléculaire avec des facteurs de concentration pouvant atteindre jusqu'à 103 en 10 min en appliquant moins de 9 V. Ces résultats sont comparables à ceux rapportés dans la littérature à l'aide par exemple de nanocanaux avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Enfin, nous avons pu détecter une variation de l'indice de réfraction du silicium poreux par le décalage du spectre d'interférence lors du chargement de différents liquides injectés dans les membranes. Le travail présenté dans cette thèse constitue la première étape dans la démonstration de l'intérêt du silicium poreux pour la préparation d'échantillon et la biodétection dans des laboratoires sur puce planaires. / Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore properties, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane[TL1]. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.

Des millions de patients souffrant d’insuffisance cardiaque bénéficieraient d’analyses sanguines hebdomadaires pour surveiller l’évolution de leur état de santé comme c’est le cas avec les personnes atteintes du diabète. Cependant, il n’existe pas de technologies d’analyses sanguines rapides et efficaces pour détecter des marqueurs d’insuffisance cardiaque, telle que la créatinine, la NT-proBNP et la troponine I par exemple. La possibilité pour les patients de surveiller leurs taux de créatinine régulièrement, du confort de chez soi, améliorerait largement leur qualité de vie ainsi que leur taux de survie. En suivant leur taux de créatinine, le patient pourrait prédire des signes d’insuffisance cardiaque, et ainsi faire ajuster leur plan de traitement en conséquence. Pour y arriver, les biocapteurs électrochimiques, dont un exemple est le glucomètre, représentent une classe prometteuse de dispositifs d’analyse sanguine puisqu’ils sont faciles à utiliser, rapides, peu coûteux, sensibles, stables et potentiellement universels. Les biocapteurs électrochimiques à base d’ADN pourraient potentiellement être adaptés en biocapteur de créatinine, par l’entremise d’aptamères. Le but de cette recherche est de développer un nouveau mécanisme de détection universel et efficace pouvant être adapté directement à partir des stratégies de sélection des aptamères. Pour ce faire, nous avons identifié et caractérisé un élément de bioreconnaissance sélectif pour la créatinine. Ensuite, nous avons conçu une nouvelle stratégie de détection et nous avons validé cette nouvelle stratégie par spectroscopie de fluorescence avant de l’adapter pour une détection électrochimique. Par la suite, nous avons optimisé les performances du biocapteur en modulant des paramètres analytiques tels que sa gamme linéaire et son gain de signal, tout en validant ses performances dans une matrice complexe comme le sérum. Les résultats de cette recherche suggèrent que la stratégie de conception du nouveau biocapteur électrochimique à base d’aptamère est prometteuse pour la détection efficace de biomarqueurs sanguins. Ce type de mécanisme pourrait être facilement adapté pour détecter d'autres molécules cliniquement pertinentes en modifiant simplement la stratégie de sélection de l'aptamère. / Millions of patients suffering from heart failure would greatly benefit from weekly blood analysis to help them manage their disease state like patients suffering from diabetes. However, no simple blood monitoring technologies detecting heart failure biomarkers, such as creatinine, NT-proBNP, and troponin I, are available. The ability to determine and regularly monitor the creatinine level in the home setting would greatly improve the patient’s quality of life and survival rate. Knowing the concentration of creatinine help to predict heart failure and to revise the treatment plan if the concentration of creatinine is abnormal. To achieve this, electrochemical sensors, like a glucometer, represent a promising class of blood analysis devices due to their ease of use, fast response, low cost, inherent sensitivity and stability, and potential universality. More specifically, DNA-based electrochemical biosensors could potentially be adapted into a creatinine sensor by using aptamers specific to a biomarker. To achieve this goal, we identified a selective biorecognition element for creatinine detection and characterized it. We also designed a novel sensing aptamer-based strategy and validated this strategy by fluorescent spectroscopy before transposing it into the electrochemical format. We then optimized the performance of the sensor by tuning its signal gain and characterizing the dynamic range while also validating its performance in serum. The results of this work suggest that the electrochemical aptamer-based strategy represents a promising sensing mechanism. We believe this mechanism could be easily adapted to detect other clinically relevant molecules by simply relying on the aptamer’s selection strategy.

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques. / The properties of a novel class of surface chemistry based on ionic liquid self-assembled monolayers (IL-SAM) were investigated for use with surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Biosensors are useful to detect specific biomolecules in a complex biological matrix. However, the analytical signal of a specific biomolecule can be masked by nonspecific adsorption of the biological matrix, resulting in a false positive response. Moreover, the activity of molecular receptors is often reduced by current immobilization chemistry. Thus, it is essential to determine an ideal surface for the preparation of biosensors. Ionic liquids are well-known to promote the activity of molecular receptors and this study investigates if this important property translates to SPR sensors. Different ionic liquids were used to form self-assembled monolayers on a gold surface. IL-SAM were based on mercapto(alkyl chain)n methylimidazolium salts with different alkyl chain (n = 3, 6, 9, 12) and counter anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Kinetic studies of the nonspecific adsorption of bovine serum were carried on SPR sensors with a custom built instrument based on wavelength interrogation SPR on a dove prism. Thereafter, anti-goat IgG selective to human IgG was used as a model for biosensor employing ILs-SAM surface chemistry. Exchange of counter anion of ionic liquids was believed impossible for most hydrophobic counter anions. However, it was observed that ionic liquids immobilized on a gold surface have the ability to exchange their counter anions reversibly, allowing a simple method to modulate their physico-chemical properties. This phenomenon was observed by contact angle technique and by attenuated total reflectance mid-infrared (ATR mid-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), surface enhanced raman spectroscopy (SERS) and mass spectrometry (MS). Better understanding of the anion exchange properties is crucial in predicting the behaviour of IL-SAM in presence of biological buffers and fluids.

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet. / This thesis characterizes the optical properties of microstructured plasmonic materials and evaluates analytical parameters to use them as biosensing platforms in surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. At microscopic dimensions, plasmonic materials present optical characteristics unique to nano- and macromaterials. A SPR physico-optic mapping of meso- and microscopic materials was performed using structured films with triangular and circular periodic patterns fabricate by modified nanosphere lithography (NSL) technique. From this overview, a few structured films were selected based on analytical aspects such as sensitivity and resolution with respect to the refractive index (RI) to determine the potential of these materials as biosensing platforms. The distinct plasmonic properties of microstructured films emerge from resonant interactions between localized and propagating surface plasmons (SP) modes identified by the SPR dispersion relation and by Raman imaging. The conditions of SP modes resonant interactions depend on experimental parameters (λ, θ, η) as observed numerically in rigorous coupled wave analysis (RCWA) and empirically. These works show the distinct plasmonic nature of micromaterials and their potential integration to existing SPR techniques. Plasmonic micromaterials were also studied for the implementation of SPR to an atomic force microscopy (AFM) cantilever, hence combining spectroscopy to topographic imaging. Preliminanry works were focused on the spectroscopic response of silicon (Si) and silicon nitride (Si3N4) cantilever, the impact of gold coating on the cantilever is tip, and the influence of the adjacent environment. An image of plasmonic nature was obtained in transmission spectroscopy with gold coated Si3N4 cantilever in water environment, thus indicating the potential of these cantilevers as micro-SPR sensing probes. These preliminary results provide a basis to guide future investigations in this project.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.