Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’institut FEMTO-ST à Besançon en France et l’université de Sherbrooke au Canada. Elle porte sur l’élaboration d’un biocapteur, potentiellement à bas coût, pour la détection de pathogènes dans les secteurs de l’agroalimentaire, de l’environnement et de la biosécurité. Le modèle biologique visé est la bactérie Escherichia coli, dont les souches pathogènes sont responsables, chaque année et partout dans le monde, de plusieurs crises sanitaires liées à une mauvaise gestion des produits de consommation ou des installations de conditionnement ou de traitements de ces produits. L’utilisation de biocapteurs pour une détection rapide, sensible et sélective d’organismes pathogènes répond ainsi aux inquiétudes quant aux risques d’infection pour la population. La structure du capteur consiste en une fine membrane en arséniure de gallium (GaAs) vibrant sur des modes de cisaillement d’épaisseur générés par champ électrique latéral via les propriétés piézoélectriques du matériau. Nous montrons dans ce travail que le biocapteur offre également des possibilités de microfabrication, de biofonctionnalisation et de régénération intéressantes pour la conception d’un dispositif à bas coût. Le transducteur a été réalisé via des technologies de microfabrication utilisées en salle blanche avec une mise en parallèle des méthodes d’usinage par voie chimique et par plasma, l’objectif étant d’obtenir des membranes minces, planes et avec un état de surface de haute qualité. Une interface fluidique a été mise au point de façon à approvisionner de manière homogène le capteur en fluide. Par ailleurs, nos études se sont portées sur la fonctionnalisation biochimique de l’interface de bioreconnaissance sur l’arséniure de gallium et sa caractérisation fine par les techniques de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les résultats de cette étude ont permis de progresser sur la compréhension fondamentale du phénomène d’auto-assemblage de molécules sur GaAs. Un effort particulier a été mis en œuvre pour développer des biointerfaces de haute densité offrant une immobilisation optimale des immunorécepteurs biologiques. Parmi les différentes méthodes de régénération de la biointerface, le procédé de photo-oxydation UV en milieu liquide a démontré un fort potentiel pour des applications de capteurs réutilisables. Enfin, le transducteur a été caractérisé électriquement sous différents environnements. L’impact sur la réponse du résonateur des paramètres électriques, mécaniques et thermiques de ces milieux a été évalué afin de simuler le comportement du dispositif en condition réelle. / Abstract : This PhD thesis was realized in the context of a cotutelle program between FEMTO-ST institute in France and the University of Sherbrooke in Canada. The thesis addresses the development of a potentially low cost sensor dedicated for detection of pathogens in food industry processing, environment and biosafety sectors. Such a sensor could serve detection of Escherichia coli bacteria whose pathogenic strains are the source of foodborne illnesses encountered worldwide every year. Hence, biosensor devices are needed for a rapid, sensitive and selective detection of pathogens to avert, as soon as possible, any sources of contamination and prevent outbreak risks. The design of the sensor consists of a resonant membrane fabricated in gallium arsenide (GaAs) crystal that operates at shear modes of bulk acoustic waves generated by lateral field excitation. In addition to the attractive piezoelectric properties, as shown in this work, fabrication of a GaAs-based biosensor benefits from a well-developed technology of microfabrication of GaAs, as well as biofunctionalization and the possibility of regeneration that should result in cost savings of used devices. The transducer element was fabricated by using typical clean room microfabrication techniques. Plasma and wet etching were investigated and compared for achieving thin membranes with high quality surface morphology. At the same time, we designed and fabricated fluidic elements that allowed the construction of a flow cell chamber integrated in the sensor. Extensive research was carried out with a Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) diagnostic tool to determine optimum conditions for biofunctionalization of the GaAs surface. This activity allowed to advance the fundamental knowledge of self-assembly formation and, consequently, fabrication of high density biointerfaces for efficient immobilization of selected bioreceptors. Among different biochip regeneration methods, it has been demonstrated that liquid UV photooxidation (liquid-UVPO) has a great potential to deliver attractive surfaces for re-usable biochips. Finally, operation of the transducer device was evaluated in air environment and in various liquid media, simulating real conditions for detection.

La D-sérine, co-agoniste endogène du récepteur N-Méthyl D-Aspartate, est impliquée à la fois dans des fonctions physiologiques telles que l'apprentissage et le vieillissement et dans des pathologies psychiatriques et neurodégénératives comme la schizophrénie ou la sclérose latérale amyotrophique. Ce travail de thèse est composé de deux parties. Premièrement, je me suis intéressée aux mécanismes de régulation de la D-sérine extracellulaire. A l'aide de biocapteurs enzymatiques développés au laboratoire, nous avons évalué, in vivo, la diffusion de la D-sérine à travers la barrière hématoencéphalique et estimé sa concentration dans différents compartiments. Nous avons aussi montré que la recapture de la D-sérine est assurée par les transporteurs de type ASC et que sa dégradation est effectuée par la D-amino acide oxydase dans le cervelet et par la sérine racémase dans le cortex. Deuxièmement, j'ai étudié l'implication de la D-sérine dans le status épilepticus, un modèle présentant une forte excitotoxicité avérée. Nous avons tout d'abord développé une méthode de comptage automatique pour quantifier précisément la mort neuronale. Puis nous avons enregistré les concentrations de D-sérine et de glutamate extracellulaires lors du status épilepticus et nous avons montré que ces deux transmetteurs ont leur concentration augmentée dans le cortex piriforme/amygdale, zones fortement touchées par l'excitotoxicité. En revanche dans le cortex où il n'y a pas de perte neuronale excitotoxique, leur concentration reste inchangée. Mieux comprendre la régulation de la D-sérine et son rôle pathologique est essentiel pour développer et adapter des traitements / D-serine, an endogenous agonist of the N-methyl-D aspartate receptor, is implicated both in physiological functions like learning, aging and in psychiatric and neurodegenerative diseases like schizophrenia and amyotrophic lateral sclerosis. This thesis work is composed of two parts. First, I studied the mechanisms regulating D-serine extracellular concentration in the brain. With biosensors developed in the laboratory, we evaluated D-serine diffusion across the blood brain barrier and estimated its concentration in different compartments in vivo. We have shown that D-serine reuptake is mediated by ASC transporters and that its degradation relies on D-amino Acid oxidase in the cerebellum and on serine racemase in the cortex. Second, I have study the implication of D-serine in neuronal lesions produced by status epilepticus, a pathological model in which excitotoxicity is demonstrated. We have developed an automatic software to determine the density of neurons in a brain slice and identify the brain regions with most neuronal lesions following status epilepticus. We have then recorded the extracellular D-serine and glutamate concentration during status epilepticus and demonstrated that the concentration of both transmitters is increased in piriform cortex/amygdala, area corresponding to extended excitotoxic neuronal death. However, in the cortex, an area without excitotoxic neuronal death, D-serine and glutamate concentration are constant. Understanding D-serine regulation and its pathological implication is essential to develop new treatment for protecting the neuronal tissue against excitotoxic insult

Le développement de nouveaux matériaux pour augmenter les performances des capteurs biologiques est très important lorsqu'on sait que les signaux électriques constituent la base des évènements biologiques fondamentaux comme l’activité cérébrale, le battement du coeur ou la sécrétion hormonale. Ces signaux cellulaires sont souvent enregistrés avec des sondes qui nécessitent des modifications génétiques ou chimiques. Cependant, des signaux intrinsèques pourraient être exploités directement. Des matrices de microélectrodes extracellulaires (MEAs) et des transistors électrochimiques à base de polymères (OECTs) sont par exemple sensibles aux flux ioniques. Ils sont, de plus, non-invasifs et donnent des informations importantes sur l’activité cellulaire. Cependant, ils ne peuvent différencier les espèces ioniques impliquées dans les signaux pour l’obtention d’une image précise de l’activité électrique. Ce travail de thèse a ainsi consisté dans : le développement de polymères bivalents ion-sensibles et conducteurs électroniques, la démonstration de leur biocompatibilité avec des cellules bêta-pancréatiques, la fabrication de transistors OECTs intégrant ces matériaux et la preuve de concept de son applicabilité comme plateforme non-invasive pour la détection de flux ioniques. / The generation of novel materials to harness the power of biological sensors is extremely attractive because precisely configured electrical activities form the base of key biological events such as brain activity, heart beat or vital hormone secretion. Cellular signals are often recorded using probes that require genetic or chemical manipulation. Intrinsic signals offer the huge advantage to harness these properties without further transformations. Extracellular microelectrode arrays (MEAs) and polymer-based organic electrochemical transistor arrays (OECTs) rely on the movement of ions, are non-invasive and provide some information on cell activity. However, they cannot resolve fluxes of specific species as targeted ions to obtain a precise picture of cell/organ activity. In this context, this work has consisted on the development of multimodal ion-sensing polymers, demonstration of their biocompatibility to beta-cells, the engineer of original OECTs incorporating these materials and demonstration of their viability as non-invasive platform of electrical cell activity and specific ion fluxes.

La maladie d’Alzheimer est une pathologie neurodégénérative qui amène à une perte progressive de la mémoire et cause des changements comportementaux. Selon plusieurs théories, le développement de cette maladie est associé à l’accumulation du peptide amyloïde beta et de la protéine tau dans des zones précises du cerveau humain. A l’heure actuelle, les approches thérapeutiques testées sont fondées sur l’hypothèse de la cascade amyloïde, mais les résultats n’ont pas été jugés suffisamment efficaces. Pour augmenter les chances de succès des traitements thérapeutiques existants, de meilleures techniques pour un dépistage précoce de l’Alzheimer semblent nécessaires. De ce fait, dans cette thèse, des stratégies innovantes pour l’analyse d’un des biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer sont proposées. En particulier le projet porte sur l’analyse de la protéine tau avec des biocapteurs basés sur la Résonance de Plasmons de Surface (SPR). L’augmentation du niveau de ce biomarqueur dans le Liquide Céphalo-Rachidien (LCR) est déjà indicateur d’un processus de neurodégénérescence. De plus, si la mesure de la protéine tau est combinée à celle d’autres biomarqueurs de la pathologie (i.e. : amyloïde beta), les possibilités de dépistage sont fortement augmentées. Les travaux ont portés sur deux aspects : initialement l’interaction antigène-anticorps a été exploitée pour développer un immunocapteur pour la protéine tau. En utilisant cette technologie, nous avons pu caractériser les paramètres analytiques de l’essai direct (avec un seul anticorps) et ceux de l’essai sandwich (avec deux anticorps complémentaires). Dès ces premières approches, nous avons remarqué le besoin d’augmenter la sensibilité de la méthode SPR développée. En effet la limite de détection pour l’essai sandwich était de l’ordre du nM, alors que les niveaux de tau dans le LCR sont de l’ordre du pM. L’utilisation de nanotechnologies, en particulier des nanotubes de carbone, a permis d’atteindre des niveaux proches du pM, avec de bonnes performances en terme de répétabilité de l’essai.Une approche alternative a été conçue dans la deuxième partie du projet. Elle était consacrée à la sélection d’un aptamère pour la protéine tau, afin d’exploiter les avantages de cette classe de récepteurs par rapport aux anticorps. Pour accomplir cet objectif, deux stratégies de sélection ont été mises en place. Premièrement la sélection traditionnelle (SELEX, Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) a été appliquée en utilisant l’Electrophorèse Capillaire (EC) comme moyen de séparation. Bien que de nombreuses conditions aient été modifiées, avec le SELEX traditionnel nous n’avons pas observé une évolution significative de l’affinité entre les séquences d’ADN et la protéine tau. Dans la deuxième approche nous avons utilisé la même méthode de séparation pour mener la sélection à travers l’EC-Non-SELEX. En utilisant cette méthode, où les étapes de PCR étaient réduites, une évolution positive a été observée après seulement trois rounds. En effet cinq séquences parmi celles issues du dernier round ont montré une affinité supérieure pour la cible par rapport à la banque. Néanmoins le nombre de séquences analysées à la fois par SPR et par anisotropie de fluorescence reste extrêmement limité par rapport au pool initial. Même si ceci semble être une limite, ce travail est le premier où les aptamères sont appliqués à l’analyse de la protéine tau. Le potentiel de cette classe de récepteurs reste en grande partie inexploré, ce qui laisse entrevoir des améliorations possibles de l’affinité grâce à de meilleurs processus de sélection et au développement de nouveaux outils bioinformatiques.En conclusion la SPR grâce à ses caractéristiques jouera un rôle fondamental dans les prochaines années pour l’analyse des biomarqueurs et pour le screening de nouvelles molécules, qui seront l’objet de futurs essais cliniques pour limiter l’agrégation de la protéine tau. / Alzheimer’s disease (AD) is a widespread pathogenic condition causing memory and behavior impairment mostly in elderlies because of the accumulation of amyloid beta peptide and tau protein in human brain. Current therapeutic approaches, based on the amyloid hypothesis, are unable to arrest the progression of the disease, hence early diagnosis is crucial for an effective intervention. Based on the updated criteria for AD probable diagnosis, and considering the limits associated with the actual analytical techniques, my work in this thesis was dedicated to develop novel strategies for AD diagnosis. The whole project focused on the analysis of tau protein by Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensing. Such protein is well known for being relevant as neurodegenerative marker. In particular if the measurement of tau is associated with that of the amyloid beta peptide and that of the phosphorylated tau, the clinical specificity of this protein become significant to detect Alzheimer. Two aspects were studied; first of all an immunosensor was developed taking advantage of the well-established antigen-antibody interaction. After characterization of the analytical parameters of the direct assay (with primary antibody), a sandwich assay (using two monoclonal antibodies mapping on different analyte i.e. protein tau epitopes) was developed, allowing very low sensitivity to be obtained in artificial Cerebrospinal Fluid (aCSF). In particular to enhance the analytical signal Carbon Nano Tubes (CNTs) were used. Secondly, the research was focused on the selection of aptamers for tau. To this aim two SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) methods were compared, both based on Capillary Electrophoresis (CE) for partitioning step of the process. Whether with CE-SELEX (first method), no significant affinity improvement was measured, using the CE-Non-SELEX (second method) affinity of the DNA library for tau protein was consistently improved. After isolation of a limited population of aptamer candidates, five sequences were chosen to be analyzed for their affinity for the target. Fluorescence Anisotropy (FA) measurements and SPR highlight similar behavior for the selected sequences, despite the detection principles of these techniques are significantly different. In conclusion the work highlight versatility of SPR technology used both for quantitative analysis and for new selected aptamers characterization in terms of affinity for the analyte tau. The above mentioned versatility is of great interest in a field such AD, which is rapidly expanding. Lowering the total tau levels has been recently identified as a new goal for therapy. Therefore many drug candidates are likely going to be tested in the near future. SPR technology is already widely used in pharmaceutical industry to investigate novel molecules, since it gives access to a large panel of information. In this panorama aptamer technology may improve the overall quality of the analytical data, allowing better comparison among drug candidates. With respect of these receptors, the thesis opened the door to new studies for DNA aptamers to recognize tau, with considerable advantages in term of the receptor stability. Moreover the whole potential of DNA aptamers selected in this work still remain to be explored. New selection methodologies, combined with fast progression of bioinformatics tools might give rise to affinity improvement, which will lead to sensitivity improvement for tau detection in the next few years.

Ce travail de thèse porte sur la conception d’un « laboratoire-sur-fibre » original dédié à l’analyse moléculaire à distance, sans marquage et in vivo compatible dans l’avenir avec les examens endoscopiques et dédié à l’assistance aux diagnostiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de faisceaux de fibres microstructurés. Lorsqu’ils sont correctement conçus et recouverts d’une couche d’or, ces assemblages de fibres présentent des propriétés plasmoniques intéressantes. Dans un premier temps, le modèle numérique utilisé pour atteindre une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l’optimisation de la sensibilité des capteurs est expliqué. Les simulations, basées sur l’optique géométrique, ont été utilisées pour optimiser la géométrie des pointes et l’épaisseur de la couche d’or dans le but d’améliorer les performances analytiques et permettre ainsi des détections d’interactions biochimiques. Le processus de fabrication des capteurs est ensuite expliqué depuis leur structuration par gravure chimique effectuée à l’ISM (Bordeaux) jusqu’à leur métallisation réalisée au CEA Grenoble. Une comparaison entre les comportements théoriques et expérimentaux et alors menée pour comprendre l’influence de l’hétérogénéité du dépôt d’or et des surfaces gravées sur la sensibilité optique. Ces propriétés optiques sont ensuite exploitées jusqu’à la preuve de concept d’analyses biochimiques déportées. Cette étape a été réalisée en deux temps : d’abord la sensibilité à l’indice local a été démontrée en détectant l’adsorption d’une couche organique auto-assemblée et ensuite un suivi de l’interaction spécifique entre deux brins d’ADN complémentaires a été effectué. Le manuscrit s’achève par une analyse des aspects plus complexes liés à la nature peu multimodale des fibres présentes dans le faisceau. La théorie des guides d’ondes est alors utilisée pour expliquer l’influence du caractère modal de la propagation de la lumière sur les réponses des fibres optiques. / This Ph.D. thesis focuses on the design of an original “lab-on-fiber” tool for remote, label-free in vivo molecular analysis that could be dedicated in the future to endoscopic diagnosis. Our approach is based on functionalized microstructured optical fiber bundles. When appropriately designed and covered by a gold layer, those fibers exhibit interesting plasmonic properties. First, the numerical model used to reach a better understanding of the physical phenomena involved in the optimization of the sensor’s sensitivity is explained. The simulations based on ray optics were then used to optimize the fiber tip geometry and gold coating thickness to enhance the analytical performances and ultimately allow biochemical detections. The fabrication process of the sensor is then explained going from the chemical etching done by the ISM team (Bordeaux) to the metallization of the tips performed at the CEA Grenoble. A comparison between theoretical and experimental behaviors is then conducted to assess the influence of the heterogeneity of both the gold deposit and the etched surfaces on the optical sensitivity. Afterwards, we take advantage of those optical properties to perform remote biochemical analysis. This was achieved in two steps: we first proved that our sensor was sensitive to local optical index variations by detecting the adsorption of a thin self-assembled organic layer and ultimately a specific interaction between two complementary DNA strands was monitored. The last part of this work tackles the more difficult aspects of the few-modes fibers composing the bundle. Waveguide theory is then used to explain the influence of the modal characteristics of light propagation on the optical fibers responses.

Des réseaux aléatoires de nanoélectrodes ont été utilisés comme plateformes analytiques pour développer de nouveaux biocapteurs enzymatiques ou d’affinité. Dans ce travail de thèse, il s’est agi de préparer un biocapteur à glucose miniaturisé et des immunocapteurs électrochimiques et électrochimiluminescents (ECL) pour le diagnostic de la maladie de coeliaque. Dans un premier temps, un biocapteur enzymatique de seconde génération a été développé en exploitant les propriétés de réseaux aléatoires de nanoélectrodes. Ces réseaux ont été préparés par dépôt d’or au niveau de membranes "track-etched" de polycarbonate. Le capteur à glucose a été obtenu en immobilisant la glucose oxydase sur la surface de polycarbonate non-conductrice alors que les nanoélectrodes d’or sont exploitées comme transducteur. Le cation (ferrocènylmethyl)triméthylammonium a servi comme médiateur redox dans cette configuration expérimentale qui a conduit à une limite de détection de 36 μM pour le glucose.Dans un second temps, ce travail a porté sur l’élaboration d’outils de diagnostic pour la maladie de coeliaque. C’est une maladie auto-immune qui induit une concentration anormalement élevée de l’anticorps anti-transglutaminase (anti-tTg) dans le sang. Cette molécule anti-tTG est un biomarqueur adapté pour le diagnostic de cette pathologie. Les techniques de diagnostic actuelles souffrent d’une spécificité et d’une sensibilité insuffisantes. Pour améliorer ces aspects analytiques, deux types d’immunocapteurs ont été développés. Ils différent par la nature du signal, soit électrochimique soit ECL. La première étape commune est l’immobilisation, à la surface du polycarbonate entourant les nanoélectrodes, de la protéine tTG qui permet de capturer l’anticorps anti-tTg. Pour la détection électrochimique, un anticorps secondaire marqué par la peroxydase du raifort peut réagir avec un méditeur redox tel que l’hydroquinone et ainsi induire un signal électrochimique au niveau des nanoélectrodes. Pour le capteur ECL, la capture de l’anticorps cible anti-tTG permet de fixer ensuite un anticorps secondaire biotinylé qui se lie avec le luminophore, Ru(bpy)3+2, modifié par une streptavidine. L’imposition d’un potentiel suffisamment anodique au niveau des nanoélectrodes oxyde le co-réactif, la tri-n-propylamine, et génère ainsi des flux importants de radicaux qui diffusent et induisent l’émission ECL en réagissant avec le luminophore immobilisé. Cela conduit à une limite de détection de 0,5 ng.mL-1 qui est inférieure à celle obtenue par la voie électrochimique. Les 2 immunocapteurs ont été appliqués à l’analyse d’échantillons de sérum sanguins de patients et cela a permis de discriminer les échantillons des patients sains de ceux atteints de cette pathologie. / Nanoelectrode ensembles (NEES) are prepared, functionalized and tested to prepare enzymatic and affinity sensors suitable for advanced molecular diagnostics purposes, namely the development of a miniaturized glucose biosensor and the preparation of novel electrochemical and electrochemiluminescence immunosensors for celiac disease diagnostics.For the first goal, a second generation enzymatic microbiosensor was developed exploiting the properties of NEEs prepared by electroless gold deposition in track-etched polycarbonate (PC) membrane. The micro-NEE glucose biosensor (overall radius of 400 μm) was obtained by immobilizing glucose oxidase (GOx) on the nonconductive PC component of the NEE, while the Au nanoelectrodes were used exclusively as transducers. The (Ferrocenylmethyl)trimethylammonium cation (FA+) was used as the redox mediator. The proposed biosensor showed outstanding analytical performances with a detection limit of 36 μM for glucose.The second goal concerns celiac disease (CD) diagnostics. CD is an auto-immune disorder which reflects in abnormally high blood levels of the anti-tissue transglutaminase (anti-tTG) antibody, suitable as biomarker for CD diagnosis. Existing diagnostic techniques lack the desired level of sensitivity and specificity so that a confirmatory biopsy test is required. To overcome this limit, in this work electrochemical (EC) and electrogenerated chemiluminescence (ECL) immunosensors are proposed and studied. The two kinds of sensor employ the same biorecognition platform, based on tTG as biorecognition layer and NEEs as electrochemical transducers. EC and ECL sensors differ by the label used to develop the detection signal. By exploiting the high affinity of PC for proteins, the capture agent tTG is at first immobilized on the PC of the NEEs obtaining a tTG-NEEs which captures anti-tTG. For EC detection, the label is a secondary Ab labeled with horseradish peroxidase, using hydroquinone as redox mediator to generate the detection signal. For ECL, the sensor, after capturing anti-tTG, is reacted with a biotinylated secondary antibody to bind streptavidinatede Ru(bpy)3+2 luminophore. Application of an oxidizing potential in tripropylamine (TPrA) solution generates an intense ECL suitable for the sensitive ECL detection of anti-TG. Note that TPrA acts as redox mediator and ECL co-reactant. Both EC and ECL sensors are applied to human serum samples, showing to be suitable to discriminate between healthy and celiac patients. A comparison between the two approaches indicates that the lowest detection limit, namely 0.5 ng mL-1 of anti-TG, is achieved with the ECL immunosensor.

Le travail de cette thèse a consisté à développer des microbiocapteurs de type ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) et conductimétrique en utilisant l'enzyme tyrosinase pour la détection de pesticides dans l'eau. Ces deux types de capteurs ont été mis au point à l'Institut International de Formation de Science en Matériaux (ITIMS), Viet Nam. En particulier, les étapes de diffusion de dopants ont été réalisées par la technique Spin On Glass (SOG). La biofonctionnalisation de ces capteurs a été réalisée par immobilisation de l'enzyme tyrosinase avec de la bovine sérum albumine (BSA) en présence de vapeur de glutaraldéhyde. Le temps de contact avec le glutaraldéhyde, la charge en enzyme, le pH, la nature du substrat, le temps pour chaque mesure... ont été optimisé afin d'obtenir les meilleurs caractéristiques analytiques possibles. Ces capteurs nous ont permis de détecter en phase aqueuse des dérivés phénoliques ainsi que des pesticides de type diuron et atrazine. La limite de détection est de 2,15 ppb pour l'atrazine et 2,33 ppb pour le diuron, le temps de réponse est de 1 à 5 minutes, l'activité enzymatique reste de 90% après 23 jours dans un tampon à 4°C et la dérive est de 5%.

Ces travaux de thèse présentent le développement de capteurs à ondes acoustiques, plus particulièrement de capteurs à ondes de Love, à l'aide de matériaux mésoporeux. La première partie de ces travaux a porté sur la mise au point d'une méthode de caractérisation du module de rigidité d'un film mésoporeux déposé sur un capteur et soumis à un flux d'humidité. Le banc de mesure développé permet d'effectuer simultanément des mesures acoustiques et ellipsométriques. Les variations du module de rigidité d'un film mésoporeux d'oxyde de titane en fonction du taux d'humidité ont ensuite été calculées à l'aide d'une procédure d'ajustement de courbe entre les résultats expérimentaux et un modèle numérique dédié modélisant la propagation des ondes de Love dans la structure multicouche. Nous avons ainsi montré que l'influence de la sorption sur le comportement mécanique d'un film mésoporeux est un facteur important à prendre en compte, notamment lors de la conception de micro-capteurs. Par la suite, des dispositifs recouverts de SiO2 et de TiO2 mésoporeux ont été développés pour différentes applications : la détection de composés organiques volatils, la détection d'espèces biologiques et le suivi d'une réaction de photocatalyse. Enfin, nous avons réalisé des capteurs recouverts d'une unique couche mésoporeuse de TiO2 assurant simultanément les fonctions de guide d'onde et de couche sensible, permettant d'augmenter de manière significative la sensibilité du capteur.

Ce mémoire est consacré au développement d'assemblages hybrides à base de biomolécules et de polymères avec ou sans nanotubes de carbone en vue de leur application dans des domaines tels que les biocapteurs ou les biopiles. Dans un premier temps, le poly(pyrrole-NTA)/Cu2+ a été utilisé pour l'élaboration de capteurs à ADN ou de biocapteurs enzymatiques. Ainsi, il a pu être utilisé avec son partenaire d'affinité, l'histidine, pour l'immobilisation réversible d'oligonucléotides sondes marqués avec des histidines. Grâce à une détection sans marquage de la cible, la spectroscopie d'impédance électrochimique, le plus faible seuil de détection de la littérature (10-15 mol.L-1) pour les biocapteurs à détection impédancemétrique a été décrit. Par la suite, un concept totalement novateur et original a été étudié pour l'utilisation ce polymère afin de réaliser l'immobilisation de biomolécules biotinylées. Cette nouvelle interaction NTA/Cu2+/biotine a été illustrée par l'ancrage d'enzymes et d'oligonucléotides marqués avec des biotines. Dans un second temps, des architectures tridimensionnelles à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés de façon non-covalente ont été considérées. Tout d'abord, la fonctionnalisation multiple de nanotubes de carbone par interactions - avec des pyrènes modifiés en utilisant les trois systèmes affins les plus courants (adamantane/-cyclodextrine, avidine/biotine et NTA/Cu2+/histidine) a été entreprise. Cette étude a permis d'ouvrir de nombreuses perspectives dans le domaine des biocapteurs ou des biomatériaux. Ensuite, la connexion d'une hydrogénase sur des matériaux hybrides polymère rédox/nanotubes de carbone a été réalisée. Bien que ce ne soit qu'une étude préliminaire, les résultats obtenus ont montré l'efficacité de ce type d'architecture pour la production d'énergie propre à partir du dihydrogène.

Ce travail de thèse a porté sur la réalisation d'un capteur d'espèces biologiques en solution à partir de réseaux organisés de nanofils de silicium opérant sur le mode d'un transistor à effet de champ à "grille biologique". Cette nouvelle génération de biocapteurs vise à être intégrée dans des systèmes de détection ultrasensibles et compacts destinés à des applications médicales et militaires. Nous proposons la réalisation des transistors à nanofils de silicium suivant une approche dite "top-down". Cette méthode, qui consiste à graver les nanofils dans une couche mince de silicium, permet un contrôle précis de leur positionnement, contrairement à l'approche "bottom-up", qui utilise des nanofils obtenus par croissance CVD. Ceci permet l'obtention de transistors aux caractéristiques électriques reproductibles et facilite leur intégration. La première partie de nos travaux a ainsi concerné le design et la fabrication de transistors à nanofils de silicium suivant une approche top-down. Ce travail de développement technologique a permis la réalisation de composants que nous avons caractérisés à sec puis adaptés à un fonctionnement en milieu liquide. La seconde partie de nos travaux a porté sur la réalisation de mesures en solution. La validation du fonctionnement de notre transistor en mode capteur a été démontrée par le suivi de variations de pH. Notre étude a ensuite eu pour objet la mise en valeur de l'ensemble des paramètres influençant les performances du capteur (choix de la tension de grille, de la force ionique, influence de la microfluidique, ...), la compréhension de ces facteurs étant indispensable à la réalisation de mesures biologiques fiables.