Dans ce travail, nous nous intéressons à l’interaction champ électrique-particule diélectrique dans les phénomènes diélectrophorétiques, aussi bien d’un point de vue théorique que numérique. L’application à long terme concerne l’électro- manipulation des cellules biologiques. La compréhension de ces phénomènes nécessite une modélisation complète des mécanismes de polarisation qui régissent l’interaction champ-particule, et met en oeuvre des modèles électromécanique et électroci- nétique. Après avoir introduit les différents phénomènes et notions nécessaires, nous abordons la modélisation de la polarisation à l’aide de la théorie du potentiel et proposons une approche pour déterminer numériquement les coefficients de polarisation identifiés. Nous montrons que, si le développement multipolaire peut se réduire au premier ordre pour le cas d’une particule sphérique plongée dans un champ uniforme, les ordres supérieurs sont nécessaires pour les particules non sphériques. Nous montrons également comment un processus d’homogénéisation permet d’étudier les configurations de particules multicouches avec cette approche. Dans le cadre de l’étude électromécanique des phénomènes diélectrophorétiques, nous mettons ensuite en œuvre cette approche multipolaire. Deux applications traitées numériquement sont présentées. Nous y montrons la pertinence de cette approche pour calculer la force et le couple exercés sur une particule dans des situations où le champ appliqué présente de fortes non-uniformités, l’approche dipolaire classique se révélant beaucoup moins performante dans ce cas. La particule et son milieu de suspension étant en réalité deux milieux en contact mais non-indépendants, des phénomènes électrocinétiques se produisent à l’interface. Ces effets interfaciaux sont abordés en vue de les prendre en compte dans le phénomène d’électrorotation d’une cellule biologique. Nous modélisons le problème complet d’une particule sphérique chargée plongée dans un milieu de suspension et soumise à un champ tournant en prenant en compte les effets électroosmotiques. La résolution par éléments finis de ce problème couplé montre la pertinence de l’approche développée, notamment pour les basses fréquences. / In this work, we investigate about the interaction between electrical fields and dielectric particles in the dielectrophoretic phenomena, in theorical and numerical ways. The long-term application are related to electromanipulation and caracterisation of biological cells. Understanding these phenomena requires a complete modeling of polarization mechanisms governing the field-particle interaction and implements electromechanical and electrokinetic models. After introducing the necessary concepts and phenomena, we address polarization modeling using potential theory and suggest an approach for a numerical determination of polarization coefficients. We show that if the multipolar expansion can be reduced to the first order for the case of a spherical particle immersed in a uniform field, the higher orders are needed for nonspherical particles. We show also how a homogenization process allows the study of multilayered particles configurations using this approach. As part of the electromechanical study of dielectrophoretic phenomena, we implement the multipolar approach for two applications numerically treated. We show the relevance of this approach to calculate the force and torque exerted on a particle in situations where the applied field has strong non-uniformities, where the classical dipole approach turn out to be much less efficient. The particle and the suspending medium are in reality two media in contact but not independent as some electrokinetic phenomena occur at the interface. These interfacial effects are addressed in order to be taken into account in the electrorotation phenomenon of a biological cell. The model dealing with the whole problem of a charged spherical particle immersed in a suspension medium and subjected to a rotating field and taking into account the electroosmotic effects is treated. The resolution of the corresponding coupled problem using the finite element method shows the relevance of this approach.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse concernent le développement d’une méthode de caractérisation électrique de cellules biologiques, sans marquage, basée sur la diélectrophorèse Ultra Haute Fréquence (DEP-UHF). Sous l’action d’un champ électrique alternatif non uniforme, les cellules biologiques sont soumises à des forces de déplacement essentiellement liées à leurs propriétés diélectriques. En particulier, aux hautes fréquences, le champ électrique pénètre à l’intérieur de la cellule et interagit donc avec son contenu intracellulaire. Il est donc possible d’accéder à une «signature diélectrophorétique» de la cellule représentative de ses propriétés biologiques internes mais aussi de mécanismes physiologiques tels que l’apoptose ou encore la différenciation. Ce manuscrit présente le développement d’un microsystème innovant, implémenté à partir des couches passives d’une puce BiCMOS et couplé à un réseau microfluidique, pour la caractérisation, à l’échelle cellulaire, par DEP-UHF. Le microsystème développé permet une analyse fine et précise du comportement DEP haute fréquence d’une cellule. Un banc expérimental dédié aux caractérisations cellulaires, capable de générer des signaux hautes fréquences dans la gamme 10 MHz – 1 GHz pour des amplitudes allant jusqu’à 18 Vpp, a été développé. Ces travaux exploratoires ont pour but de démontrer le potentiel de discrimination de cette méthode entre différentes lignées cellulaires cancéreuses humaines à des stades tumoraux différents, dans l’objectif de développer de nouveaux outils d’aide au diagnostic. L’existence de différences significatives entre les signatures de certains types cellulaires ouvre des perspectives très intéressantes notamment pour le développement d’outils de tri cellulaire originaux basés uniquement sur les propriétés diélectriques intracellulaires. / The work presented in this dissertation concerns the development of an original label-free electrical characterization method dedicated to biological cells based on Ultra High Frequency dielectrophoresis (DEP-UHF). Under the action of a non-uniform alternative electric field, the biological cells are subjected to displacement forces related to their own dielectric properties. In particular, at high frequencies, the electric field penetrates inside the cell and thus interacts with its intracellular content. Therefore, it is possible to access to a «dielectrophoretic signature» of the cell that it is representative of its internal biological properties but also of physiological mechanisms such as apoptosis or differentiation. This dissertation presents the development of an innovative microsystem, implemented in the passive layer stack of a BiCMOS chip and associated with microfluidic, dedicated to biological characterization, at the cellular level. The developed microsystem allows an accurate analysis of a single cell DEP-UHF behaviour. An experimental bench, dedicated to cell characterization, and able to generate high frequency signals from 10 MHz to 1 GHz up to 18 Vpp magnitude, has been also developed accordingly. Actually, the led exploratory work achieved was focused on evaluating the discrimination potential of this method between different human cancer cells at different tumor stages with the objective to envision new kind of diagnostic tools. Finally, the existence of significant differences between the signatures of different cell types leads to very interesting perspectives, particularly for the development of new cell sorting tools based especially on the intracellular dielectric properties.