Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d’identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu’au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l’interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d’un capteur multimodal pour l’identification de processus biologiques à l’interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimétrie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d’effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d’une interaction intermoléculaire à l’interface d’une réaction d’hybridation d’ADN furent définies afin d’en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétriques et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s’assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s’assurer qu’il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s’assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d’hybridation d’ADN à l’interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l’interface. Des mesures d’oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées.

En dessous du point de gel de l’eau dans les pores du ciment, la cryosuccion est considérée comme responsable de sa détérioration. La thermodynamique et la dynamique de la couche électrolytique physisorbée à la surface des pores sont étudiées par simulation moléculaire pour comprendre sa structure, sa stabilité en température et son rôle dans la détérioration par cryo-succion. Trois modèles de nanopores hydrophiles sont considérés: silices hydroxylée ou à charge de surface compensée par des ions Ca2+ ainsi qu'un modèle de ciment réaliste. L'eau vicinale adsorbée est fortement perturbée indépendamment de la température (de 175 à 300 K) sur 2-3 couches moléculaires. Les ions sont proches des surfaces et ne s’organisent pas en une couche diffuse comme dans les théories colloïdales classiques (DLVO, …). La dynamique de l'eau et des ions est très ralentie. La chimie de surface influe sur cette dynamique lente incompatible avec le processus supposé de cryosuccion / When the cement pores are saturated with water in freezing conditions, cement encounters mechanical damages due to cryosuction effects. The adsorbed electrolytic layer at the pore surface plays a critical role in the degradation process. Its thermodynamics and dynamics properties are studied using molecular simulations. Several nanopore models are considered to study the role of chemistry and surface roughness: silica (hydroxylated and with Ca charge-compensating ions) and cement. In all these hydrophilic systems, confined water is strongly perturbed close to the pore surface (over 2-3 molecular layers) independently of the temperature (175-300 K). Ions located close to the surfaces do not form the diffuse layer of the classical colloids theory (DLVO...). The dynamics of water and ionic species is found very slow. Surface chemistry and roughness have an impact of this slow dynamics that is incompatible with cryosuction

L'objectif de cette thèse est d'étudier la miniaturisation des dispositifs à mémoire non-volatile, de type FLASH, en remplaçant la grille flottante avec des monocouches de molécules redox, les polyoxométallates. Dans ce but, j'ai été engagé dans un programme visant à construire des dispositifs qui utilisent les propriétés des polyoxométallates (POMs) pour stocker des informations. Dans une approche générale, une molécule redox-active fixée à une surface d'électrode de silicium sert de support de stockage actif, et l'information est stockée dans les états d'oxydo-réduction discrets de la molécule (POM). Ce travail est organisé en quatre parties et commence par une brève introduction sur les mémoires moléculaires et les polyoxométallates. Il continue avec les résultats expérimentaux en Partie 2, la synthèse et la caractérisation des polyoxométallates fonctionnalisés; en Partie 3, les électrodes modifiés par des polyoxométallates et en Partie 4, l'étude électrique des condensateurs modifiés par des polyoxométallates.

A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. . / In this thesis, a therapeutic effect of nanodiamonds (NDs) has been evidenced by investigating the role of NDs surface chemistry on their electronic properties. More precisely, the generation of reactive oxygen species from detonation NDs under ionizing radiation, which could improve current radiotherapy treatments, has been demonstrated. To this end, surface treatments facilitating electron transfer from NDs to their environment, namely hydrogenation and surface graphitization, were developed. Experimental conditions ensuring an efficient hydrogenation by hydrogen plasma were determined under ultrahigh vacuum, before being used to prepare large quantities of NDs in powder phase. A similar procedure was applied to the surface graphitization of NDs, performed by annealing under vacuum at high temperature. The impact of such surface treatments on the electronic interaction properties of NDs has been investigated under ambient air and after dispersion in water. These surface treatments induce a positive Zeta potential to NDs in water, which origin has been discussed. Finally, their interactions with human tumor cells were observed. Radiosensitization of tumor cells using NDs under gamma irradiation was demonstrated, opening new perspectives for NDs in nanomedicine.

Le greffage covalent de monocouches organiques à la surface du silicium permet de contrôler ses propriétés électroniques. Un des challenges des nanotechnologies est de construire des assemblages ordonnés de nano-objets pour positionner et orienter précisément les éléments actifs des futurs dispositifs. Parmi les techniques de lithographie à l'échelle nanométrique, l'utilisation de microscopes à sonde locale est une méthode très versatile pour l'élaboration de nanostructures superficielles. Ces travaux présentent l'utilisation du microscope à force atomique comme un outil de structuration de surface et plus précisément, l'oxydation anodique locale avec une pointe AFM conductrice de surfaces de silicium précédemment passivé par une monocouche organique dense et organisée. L'oxyde de silicium généré est ensuite dissout par trempage dans de l'acide fluorhydrique dilué. Les surfaces obtenues possèdent alors des sites de silicium hydrogéné potentiellement réactifs entourés d'une matrice organique isolante. Ensuite, nous présentons les résultats de dépôt sélectif de particules d'or dans ces structures réactives. De part la différence de potentiel d'oxydoréduction, le sel d'or se réduit spontanément à la surface du silicium. Il serait aussi possible d'utiliser la chimie du silicium pour fonctionnaliser directement les structures de silicium hydrogéné. La dernière partie de cette thèse rapporte l'étude d'immobilisation d'unités électroactives (ferrocènes) et de nano-objets (clusters métalliques et nanotubes de carbone) sur des surfaces de silicium homogènes et structurées.

L'exaltation de fluorescence par un métal est de plus en plus utilisée pour augmenter la sensibilité de détection dans les systèmes utilisant la fluorescence. Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié ce phénomène dans des nanoparticules hybrides Métal@SiO2 possédant des émetteurs de fluorescence immobilisés sur la silice. Dans un premier temps, nous avons élaboré les nanoparticules cœur-coquille Métal@SiO2 (Métal = Au ou Ag) en utilisant différentes méthodes et en les comparant pour choisir la plus adaptée selon le diamètre du cœur métallique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de fluorescence exaltée des nanoparticules hybrides. Deux types d'émetteurs de fluorescence ont été sélectionnés : des nanoparticules semi-conductrices (SiC) et des fluorophores organiques (cyanine 3 et fluorescéine). Après fonctionnalisation de la silice, les émetteurs de fluorescence ont été greffés à la surface des nanoparticules Métal@SiO2. L'exaltation de leur fluorescence a été analysée en fonction de leur densité surfacique, de leur distance par rapport au cœur métallique (fixée par l'épaisseur de silice), du diamètre du cœur métallique et de la longueur d'onde d'excitation. Le facteur d'exaltation le plus important (de l'ordre de 103) a été obtenu avec une faible épaisseur de silice (10 nm) pour les nanoparticules de SiC dont le rendement quantique intrinsèque est très faible (inférieur à 1%). Enfin, la surface de nanoparticules hybrides a été fonctionnalisée avec des nanoparticules d'oxyde de fer de manière à obtenir une combinaison de propriétés optiques (fluorescentes et plasmoniques) et magnétiques à l'intérieur d'une même nanoparticule hybride.

La glycomique est la science qui s’intéresse à l’étude structurelle et fonctionnelle des saccharides,également appelés hydrates de carbone (ou carbohydrates). Les saccharides (aussi appelés glycanes dans ce cas) sont impliqués dans un très grand nombre d’évènements biologiques « normaux » et/ou pathologiques. Les relations entre la structure du saccharide et ses fonctions biologiques sont étudiées à l’aide de techniques conventionnelles telles que la cristallographie, la RMN, l’ITC, la plasmonique de surface. Ces études sont longues et couteuses et restent souvent limitées du fait de la très grande diversité des structures saccharidiques et de la difficulté à obtenir des saccharides pures en quantité importante.Pour pallier ces difficultés, nous proposons d’adapter la technologie biopuce qui permet d’effectuer un nombre très élevé d’études en parallèle (High Throughput Screening) avec des quantités réduites de matériels biologiques ou biochimiques.Cette thèse vise donc le développement de puces à sucres (ou glycoarray, carbohydrate array) avec deux principales innovations : 1) l’utilisation comme sondes de glycomimétiques qui miment les hydrates de carbone naturels mais dont la synthèse est plus aisée ; 2) l’immobilisation des sondes glycomimétiquessur la puce via l’hybridation d’ADN.La synthèse à façon des glycomimétiques permet d’obtenir des sondes de structures et de naturechimique diverses et offre la possibilité d’ajouter pour chaque type de sondes une étiquette ADN pour d’une part immobiliser les glycomimétiques de manière orientée sur la puce par DDI (DNA DirectedImmobilisation) et d’autre part localiser et identifier les glycomimétiques sur la puce. Ces glycomimétiques ont été synthétisés par l’Institut des Biomolécules Max Mousseron de Montpellier en collaboration avec l’Institut de Chimie et Biochimie Moléculaire et Supramoléculaire de Lyon.Une première partie de ce travail a été de valider l’élaboration des puces à sucre puis d’augmenter les capacités d’analyses des glycoarrays basés sur la DDI. Pour cela l’efficacité de l’immobilisation par DDIa été comparée à une immobilisation covalente. Nos résultats ont montré une reconnaissance supérieure par la lectine RCA 120 de glycomimétiques immobilisés par DDI aux faibles concentrations englycomimétiques. La miniaturisation de la puce a consisté à graver 40 microréacteurs sur un format lame de microscope. Chaque microréacteur formant une puce de 64 plots différents, on peut ainsi réaliser 40expériences indépendantes. Grâce à ce type de glycoarrays, des tests d’IC50 ont permis d’obtenir des données quantitatives de l’affinité des glycomimétiques/lectines en utilisant d’infimes quantités de matériels biologiques. D’autre part, nous avons démontré la possibilité d’accélérer les études d’interactions sucres/lectines en poolant simultanément 8 glycomimétiques et 2 lectines.La deuxième partie de la thèse a été d’utiliser les glycoarrays pour étudier les paramètres structuraux(distribution spatiale, nature chimique de la molécule, charge…) permettant d’exacerber l’affinitélectines/glycomimétiques. Trois lectines ont été étudiées : RCA120 (lectine modèle d’origine végétale) et deux lectines PA-IL et PA-IIL facteurs de virulence de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Trois typesd’architectures de glycomimétiques (en peigne, en antenne et en couronne) ainsi que l’effet de la charge portée (+, -, neutre) ont été étudiés. L’architecture en peigne a clairement montré une affinité supérieure vis-à-vis des 2 lectines (PA-IL et PA-IIL) et PA-IL marque une préférence pour les structures chargées positivement. Soulignons que les interactions monovalentes sucres/lectines sont souvent faibles (mM). [...] / No abstract

Ce manuscrit décrit les travaux menés pour le développement et l'utilisation du microscope électrochimique (SECM) pour l'étude des surfaces fonctionnelles. Cette microscopie à sonde locale, utilisant les propriétés des ultramicroélectrodes (UMEs), permet l'analyse de la réactivité chimique à la surface d'un échantillon. Le but de ces travaux est alors l'analyse de surfaces fonctionnalisées par une couche organique. Dans un premier temps, nous avons développé la méthodologie du SECM par l'utilisation de sonde redox spécifique. D'abord, cela nous a permis de déterminer la distance entre l'électrode-sonde et la surface grâce à un médiateur redox irréversible comme les polyaromatiques. Ensuite, nous avons pu observer des propriétés physico-chimiques d'une surface, notamment afin de différencier les différents modes de transport électronique au travers une couche organique, grâce à l'utilisation des catéchols ou des dendrimères redox. Nous avons également commencé le développement d'un nouveau mode d'utilisation du SECM : le SECM transitoire. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé le SECM afin d'analyser trois surfaces fonctionnalisées. La première surface est un substrat d'or fonctionnalisé par des calixarènes. La deuxième est une surface de verre sur laquelle il a été déposée des nanoparticules photosensibles, appelées « quantum rods ». Et la dernière est un substrat de silicium modifié par un récepteur anthracène. Finalement, la dernière étude qui a été menée concerne l'écriture et la lecture d'une monocouche organique grâce à la sonde du SECM. Ces modifications localisées de la couche organique sont alors de la taille de l'UME, soit de l'ordre du micromètre. Dans notre cas nous avons choisi la modification de monocouche organique auto-assemblée (SAM) sur un substrat d'or grâce à la réaction de couplage de Huisgen. En plus, de l'amélioration de nos conditions de fonctionnalisation, nous avons pu mettre en évidence un phénomène de propagation catalytique en surface grâce à un complexe spécial de cuivre (II) contenant une fonction éthynyle. / This manuscript describes the work done for the development and use of electrochemical microscope (SECM) for the investigations of functional surfaces. This local probe microscopy, using the properties of ultramicroelectrodes (UMEs), permits the analysis of chemical reactivity on the sample’s surface. The aim of this work is then analyzing surfaces functionalized with an organic layer. Initially, we have developed the SECM methodology by using specific redox probes. First, it allowed us to determine the absolute distance between the electrode and the surface, thanks to an irreversible redox mediator such as polyaromatic. Then, we could observe the physicochemical surface properties, in particular to differentiate the electronic transfer modes through an organic layer, by using catechols or redox dendrimers. We have also started the development of a new mode of SECM: transient SECM. Secondly, we used the SECM to analyze three functionalized surfaces. The first surface is a gold substrate functionalized by calixarenes. The second is a glass side on which it was deposed photosensitive nanoparticles, called "quantum rods" and the last sample is a substrate of silicon modified by anthracene receptors. Finally, the last study concerns the writing and reading on an organic monolayer with the SECM probe. These localized changes of the organic layer are about the size of the UME, of the order of a micrometer. In our case, we chose the modification of self-assembled organic monolayer (SAM) on a gold substrate by the Huisgen coupling reaction. In addition to the improvement of our conditions of functionalization, we were able to demonstrate a phenomenon of surface catalytic propagation due to a special complex of copper (II) containing ethynyl functions.

Générer des carburants solaires, comme l’hydrogène via la photoélectrolyse de l’eau, est une stratégie à explorer pour notre futur énergétique. Pour éviter l’emploi du platine en tant que catalyseur de production d’hydrogène, des métaux abondants peuvent être utilisés. Au laboratoire, le complexe diimine-dioxime de cobalt, catalyseur moléculaire de réduction des protons, a pu être immobilisé pour créer une cathode produisant de manière stable de l’hydrogène en milieu aqueux. Dans ces travaux, nous avons étudié l’introduction du catalyseur dans des dispositifs photoélectrocatalytiques. Différentes conditions opératoires dans l’eau, solvant de choix, ont été examinées. Le complexe se dégrade s’il est en solution mais son activité est maintenue, même en présence d’oxygène, s’il est supporté sur électrode. Cette électrode a ainsi pu être intégrée en cellule tandem. De nouveaux dérivés du complexe ont aussi été développés pour l’attachement sur oxydes transparents conducteurs. Un dérivé a été co-immobilisé avec des photosensibilisateurs sur une surface de NiO, oxyde de type p. Les photocathodes co-greffées obtenues ont été caractérisées par un ensemble de techniques analytiques et ont démontré la production d’hydrogène en conditions photoélectrocatalytiques. Des entités colorant-catalyseur pouvant s’ancrer sur surface ont également été synthétisées et ouvrent de nouvelles voies pour élaborer des photocathodes moléculaires. / Solar fuels generated from the light-induced splitting of water into H2 and O2 is an appealing strategy for securing future energy. The use of platinum for catalyzing hydrogen evolution may be bypassed with earth-abundant catalysts. In a previous study, our lab realized the immobilization of a proton reduction catalyst, the cobalt diimine-dioxime molecular complex, within a cathode material steadily evolving H2 from fully aqueous media. In this work, we report on the implementation of this catalyst into light-driven devices. Operating conditions in the solvent of interest, water, were screened. The molecular catalyst degrades when free in solution, but retains activity when supported on an electrode, even in the presence of O2, and could thus be integrated into a tandem cell. Further on, new derivatives of the catalyst were developed for the attachment onto transparent conducting oxides. Co-grafted photocathodes were constructed by anchoring a functionalized catalyst along with photosensitizers onto p-type NiO. These architectures were checked by a whole set of analytical techniques and light-driven catalytic hydrogen evolution was achieved by photocathodes assessed under device-related photoelectrochemical conditions. Immobilizable dye-catalyst dyads were also successfully synthetized as alternative derivatives and open up new possibilities to develop molecular photocathodes.

Une pléthore de processus biologiquement pertinents dépend directement de la sécrétion de biomolécules dans le milieu extracellulaire, aux fonctions régulatrices ou composants structurels. L’analyse de processus biologiques complexes nécessite ainsi la mise au point de nouveaux outils de biodétection. Par conséquent, le but de cette thèse est de fournir des stratégies polyvalentes pour la génération de biocapteurs et de biopuces innovants basés sur la Résonance des Plasmons de Surface (SPR). À l’issue de ces travaux, une méthode de photofonctionnalisation indirecte a été mise au point. Ce procédé a permis de générer des micro-réseaux de protéines dans des conditions entièrement aqueuses, et ainsi de préserver la fonctionnalité des protéines greffées. De plus, nous avons créé et évalué une nouvelle biopuce SPR microstructurée pour le suivi en temps réel des sécrétions cellulaires. Cette biopuce microstructurée présente deux phénomènes optiques différents qui peuvent être utilisés pour la détection cellulaire et le suivi de leurs sécrétions. Enfin, de multiples stratégies de fonctionnalisation ont été évaluées pour la conception d’une biopuce SPR nanostructurée à faisceau de fibres optiques. Parmi ces approches, la génération de monocouches photoréactives auto-assemblées a été la plus adaptée à ce système et est en cours d’optimisation. Une fois réalisée, cette biopuce nanostructurée pourrait ouvrir la voie à la poursuite du développement de systèmes prometteurs de biodétection in vivo. / A plethora of biologically relevant processes depends directly on the effective secretion of biomolecules, from regulatory molecules to structural components. Thus, the analysis of complex biological processes requires the development of novel biosensing tools. Therefore, the aim of this thesis is to provide versatile strategies for the generation of innovative biosensors and biochips based on Surface Plasmon Resonance (SPR). As a result from this research, an indirect photofunctionalization method was developed. This procedure allowed the generation of protein microarrays in fully aqueous conditions while preserving the functionality of the grafted proteins. Furthermore, we created and evaluated a novel microstructured SPR biochip for real-time monitoring of cellular secretions. This microstructured biochip presents two different optical phenomena which could be used for cell detection and the monitoring of their secretions. Finally, multiple functionalization strategies were evaluated for the conception of a nanostructured fiber-bundle SPR biochip. Among the approaches, the generation of photoreactive self-assembled monolayers was the most adapted to this system and currently is being optimized. Once achieved, this nanostructured biochip could pave the way for further development of promising in vivo biosensing systems.