Les allergies représentent un enjeu sociétal majeur dans nos sociétés modernes. Les outils de diagnostics actuels permettent la mesure de concentration d’anticorps spécifiques IgE responsables des réactions allergiques contenus dans le sérum de patient. L’intégration de nano-micro particules diminue les distances de diffusion permettant de miniaturiser les dispositifs, de diminuer le temps de réaction et d’améliorer l’efficacité du diagnostic. C’est dans cette perspective que cette thèse se positionne en développant une méthode innovante de détection des anticorps IgE par l’utilisation de microbilles polystyrènes 10µm (PS) et superparamagnétiques 1µm (SPM).L’idée explorée dans cette thèse est d’utiliser les microbilles PS comme support d’immunodosage et les propriétés magnétiques des microbilles SPM en réalisant un tri magnétique des microbilles PS. Nous avons développé cette technologie en trois étapes technologiques distinctes. Premièrement, la bio-fonctionnalisation a permis le greffage des allergènes et des anticorps à la surface des microbilles qui réagissent ensuite avec le sérum de patient. Puis, le tri magnétique a été développé pour isoler les microbilles PS en fonction de la présence ou non d’anticorps IgE à leur surface. L’efficacité de ce procédé est proportionnelle à la quantité d’IgE par microbilles. Finalement une technologie d’auto-assemblage de microbilles appelées « assemblage gravitationnel » a été développé en exploitant avantageusement les phénomènes de sédimentation et de capillarité. Il a été montré que cette technologie complémentaire à la technologie d’assemblage capillaire étend le domaine de l’assemblage à des systèmes de suspensions colloïdales denses. De plus, cette technologie permet d’atteindre une limite de détection de 2 microbilles/ml.Des tests cliniques ont été réalisés avec succès à partir de sérums de patient sensibles à l’arachide, à la noisette et à la crevette. Le temps de procédé, la limite de détection et la dynamique de détection ont été optimisés. La preuve de concept de détection des anticorps IgE a été présentée et ouvre la voie vers le diagnostic d’allergies multiplexe. / Allergies represent a major social issue for modern societies. Current diagnostic tools enables to measure the concentration of specific IgE antibodies responsible for allergic response into the patient’s serum. The use of nano-micro particles decreases diffusion distances in order to shrink the size of device, reduce the length of time reaction and improve diagnostic efficiency. In this perspective, the PhD work develop an innovative method to detect IgE antibodies by using both 10µm polystyrene (PS) and 1µm superparamagnetic (SPM) microbeads.The PhD explores the idea of using both PS microbeads as support of immunoassay and magnetic properties of SPM microbeads in order to perform a magnetic sorting of PS microbeads. We have developped this technology in 3 different technological steps. First, biofunctionnalization is used to link allergens and antibodies onto the surface of microbeads intended to react with serum patient. Then, the magnetic sorting has been developped to isolate PS microbeads depending on the presence / absence of IgE antibodies onto their surface. The efficiency of such a process is proportional to IgE quantity per microbeads. Finally, a self-assembly process of microbeads called « gravitational assembly » has been developped by studying sedimentation and capillary phenomenon. It has been shown that this complementary technology to the capillary assembly technology extend the scope of assembly to dense system of colloidal suspension. I addition, this technology reaches a detection limit of 2 microbeads per ml.Clinical trials have been succesfully performed from serum patient allergic to peanut, hazelnut or shrimp. The process time, detection limit and dynamic range of the detection system have been studied and optimized. The proof of concept of IgE antibodies detection have been presented and points the way towards the multiplex diagnosis of allergies.

Les solutions colloïdales constituées de nanoparticules en solution sont une famille d'objets aux propriétés optiques uniques. Leur utilisation comme élement de base à la fabrication de composants optiques sublongueur d'onde pourrait permettre la naissance de nouvelles applications en particulier dans le domaine de l'optique intégrée et de la détection biologique. La manipulation de ces particules reste toutefois un défi en raison de leur taille et de leur dispersion aléatoire dans un milieu liquide. Dans ce contexte, nous avons réalisé des nouveaux composants optiques grâce au développement de techniques de fabrication basées sur la méthode d'assemblage capillaire assisté par convection. Deux types de structures ont été réalisés puis évalués en terme de comportement optique : les dimères métalliques d'Au et les microsphères diélectriques de polystyrène assemblées en chaînes ou en réseaux. Pour les dimères, une étude fondamentale a été effectuée sur les phénomènes plasmoniques régissant les propriétés optiques de ces objets. Leur potentiel en tant que détecteur ultrasensible SERS et nanoantenne à boîtes quantiques a ensuite été approfondi. Pour les microsphères, une étude sur la propagation et la diffusion des modes de galerie présents dans ces objets a tout d'abord été réalisée dans le but d'en faire des candidats pour la détection ultrasensible. Les propriétés de guidage de la lumière dans des assemblages en chaîne ont ensuite été traitées. Afin de compléter ce travail un dernier composant optique a été développé en complément des guides et capteurs colloïdaux déjà réalisés. Il s'agit d'une nouvelle génération d'émetteurs localisés conçus pour un usage large et versatile et qu'il est possible de définir comme microsource de lumière blanche. / Colloids -- e.g. nanoparticles in solution -- are objects that exhibit original optical properties. Their use as building block for fabrication of subwavelength optical components may allow novel applications in the field of integrated optics and biological detection. Anyway colloidal particles handling remains a challenge because of their small size and their random dispersion into a liquid medium. In this context, we created new colloidal optical components thanks to nanofabrication techniques based on the convective assisted capillary force assembly method. Two different kinds of structure were made and their optical behavior was studied: gold colloidal dimers and polystyrene dielectric microspheres assembled as chains or arrays. For the dimers, a fundamental study was performed on plasmonic phenomena that rule the optical properties of these objects. Next, their potential was evaluated in terms of ultrasensitive SERS sensor and also as optical nanoantenna of quantum dot emitters. For the microspheres, the propagation and scattering behaviors of whispering gallery modes that travel into the microspheres were first investigated. Their potential use as ultrasensitive sensors was also discussed. In addition, a second study was made on the guiding properties of linear microspheres chains. In order to complete this work, one last optical component was developped in addition to the fabricated colloidal waveguides and colloidal sensors. This component is a white light microsource that was designed for applications as a versatile localized emitter for integrated optics.

De par leur petite taille et suivant leur nature, les micro et nanoparticules colloïdales présentent de nouvelles propriétés physiques, tout particulièrement dans le domaine de l'optique (guidage et focalisation sub-longueur d'onde, propagation de plasmons, émission monochromatique...). Toutefois la synthèse chimique de ces micro/nano-objets étant principalement réalisée en phase aqueuse, il devient nécessaire de développer des technologies pour surpasser leur mouvement aléatoire dans le liquide et permettre leur positionnement et leur organisation sur une surface de façon déterministe. Les méthodes d'assemblage par forces de capillarité, consistant à contrôler l'évaporation d'une goutte de suspension colloïdale sur un substrat lithographié, font partie des outils les plus prometteurs. Depuis plusieurs années notre équipe a développée un banc expérimental basé sur l'assemblage thermodynamique par forces de capillarité en milieu confiné. Cette technique a permis la réalisation de structures planaires à base de nano et microparticules diélectriques ou métalliques pour mener des études optiques (couplage plasmonique, nanojet photonique...). Néanmoins, un des défis reste la maitrise de cette technologie pour l'élaboration de structures tri-dimensionnelles diélectriques ou métalliques.C'est dans cette perspective que nous avons développé une technologie permettant la réalisation et le transfert d'architecture 3D de taille et de forme variées, à base de nanoparticules. Deux types d'architectures ont été réalisés : des architectures métalliques constituées de nanoparticules d'or (de diamètre 100 nm), et des structures diélectriques à l'aide d'un mélange de particules de polystyrène fluorescentes (diametre 100 nm).Les propriétés plasmoniques des architectures métalliques ont été étudiées en champ lointain par spectroscopie de diffusion et par luminescence à deux photons. L'influence des caractéristiques structurales des objets sur leur réponse optique ont ainsi pu être évaluées. L'effet du à la structuration en trois dimensions a également été observé sur la réponse en champ proche optique.Les architectures diélectriques présentent quant à elles un potentiel en tant qu'émetteurs polychromatiques dans la gamme spectrale du visible. Une étude spectroscopique de mélanges de particules de trois couleurs différentes (bleu, vert et rouge) a été réalisée afin de déterminer les propriétés spectrales et chromatiques de tels objets, et ainsi donner naissance à une émission polychromatique blanche localisée sur un substrat de silicium.Finalement une approche tout à fait originale a été abordée afin d'utiliser la technique d'assemblage par forces de capillarité en tant que méthode de détection ultra-sensible. Une preuve de concept a alors été obtenue à l'aide de suspensions colloïdales de nanoparticules d'or. / By their small size and according to their nature, colloidal micro and nano-particles exhibit novel physical properties, especially in the field of optics (subwavelength guiding and focusing, plasmon propagation, monochromatic emission...). However, the chemical synthesis of these micro/nano-objects being mainly carried out in aqueous phase, makes it necessary to develop technologies to overcome their random motion in the liquid phase and allow their deterministic positioning and organization on a surface. The capillary assembly methods, consisting in controlling the evaporation of a colloidal droplet on a lithographied substrate, are among the most promising tools. For several years our team has developed a test bench based on the thermodynamic capillary force assembly in a confined environment. This technique has allowed the realization of planar structures based on dielectric or metallic nano and microparticles to conduct optical studies (plasmonic coupling, photonic nanojet...). Nevertheless, one of the remaining challenges is the development of three-dimensional dielectric or metallic structures with the capillary force assembly technique.In this context we have developed a technology for the realization and the transfer of 3D nanoparticles architectures of various sizes and shapes. Two types of architectures have been created : metallic architectures made of gold nanoparticles (100 nm in diameter), and dielectric structures of fluorescent polystyrene particles (100 nm in diameter).The plasmonic properties of the metallic architectures have been studied in far field by scattering spectroscopy and two-photon luminescence. The influence of the structural characteristics of these objects on their optical response could thus be assessed. The effect of the three-dimensional structure has also been observed on the near field optical response.The dielectric architectures present a potential as polychromatic emitters in the visible spectral range. A spectroscopic study of particle mixtures of three different colors (blue, green and red) was performed to determine the spectral and chromatic properties of such objects, and thus give rise to a white polychromatic emission localized on a silicon substrate.Finally, a completely original approach to use the technique of capillary force assembly as an ultra- sensitive detection method was discussed. A proof of concept was then obtained using colloidal suspensions of gold nanoparticles.