L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

Le marché du diagnostic connait un essor considérable depuis l’avènement de labiologie moléculaire. Plus précis et souvent plus rapide, le diagnostic moléculaire in vitro(DIV) est de plus en plus utilisé dans les laboratoires d’analyses médicales. L’ensemble destests dédiés au marché du DIV répond à des contraintes socio-économiques très précisescomme : la fiabilité du résultat, le délai de réponse court, le faible coût et la facilitéd’utilisation. Les indicateurs socio-économiques montrent que la technologie des biopuces estun potentiel bon candidat pour répondre aux attentes du marché. En effet, cet outil permetl’analyse simultanée de plusieurs dizaines voire centaines de séquences nucléiques et doncl’identification d’autant d’organismes en une seule analyse. Cette technologie s’inscrit encomplément de la PCR en apportant l’avantage de l’analyse multiplexée à moyen débit. Deplus, elle permet de donner une réponse globale de la multiplicité des espèces présentes dansl’échantillon sans avoir besoin de passer par une étape de culture. Néanmoins, cettetechnologie n’est pas optimisée pour le marché du DIV. En effet, son usage est complexe, peurobuste et trop cher pour concurrencer les méthodes actuelles (microbiologie pasteurienne,PCR, Elisa, etc..). Dans le but de réduire le coût de fabrication des biopuces à ADN, il estdonc nécessaire de développer des méthodes alternatives. Dans un premier temps, l’objectif de cette thèse Cifre a été de mettre au point unprototype nouveau de dépôt de biomolécules basé sur la lithographie douce, permettant dedéposer les oligonucléotides sondes de façon multiplexée et selon des motifs micrométriques.Cette nouvelle technologie a été évaluée par rapport aux technologies de références. Puis,nous avons développé un procédé innovant de double fonctionnalisation de surface. Ceprocédé simple et rapide a pour avantages de fonctionnaliser la biopuce avec la chimie desurface et les sondes en une seule étape et d’augmenter les signaux d’hybridation. La secondepartie de la thèse a été de coupler cette nouvelle technologie à la détection des événementsd’hybridation sans marquage en utilisant la diffraction de la lumière. La principale différenceavec la méthode de détection par fluorescence repose sur l’adressage des sondes. En effet, ledépôt doit être réalisé sous forme de réseaux de lignes nanométriques diffractants de façon àce que l'interaction entre les molécules déposées et les cibles qui interagissent soit trèssensible. Cette seconde phase du projet a été très ambitieuse et innovante. La faisabilité decette méthode de détection, démontrée par des simulations théoriques, a fait l’objet d’untravail d’optimisation très important et les résultats obtenus montrent que cette technologiesans marquage est possible. / The diagnosis market increased since the advent of molecular biology. More precise and often faster, the in vitro molecular diagnosis (DIV) is more and more used in medical analyses laboratories. DNA chips technology seems to be a good candidate to answer the market expectations. Indeed, this tool allows making several hundreds of analyses simultaneously. Furthermore, it allows giving a global answer of all the present species in the sample without the need of a culture step. Nevertheless, this technology is not optimized for the market of the DIV. Indeed, its use is complex and too expensive in comparison with the current methods (Pasteur microbiology, PCR, Elisa, etc.). So it is necessary to develop an alternative method to reduce the manufacturing cost and simplify the use of DNA chips. First, the goal of this industrial PhD Cifre supported by the Dendris Company was to complete a new prototype of biomolecules deposition based on soft lithography, allowing multiplexing the deposition of oligonucleotides probes along micro and nanometric patterns.This new technology was compared with the reference technologies. Then, we developed an innovative process of surface co-functionalization. This simple and fast process permits to functionalize the DNA chips with both surface chemistry and probes in a single step and to increase the hybridization signals. The second part of this PhD thesis was to couple this new technology with label-free detection using light diffraction. The main difference with fluorescence-based detection was about probes patterning. Indeed, we needed to generate molecular gratings of nanometric lines to diffract efficiently light from a laser beam. We showed that the absolute diffraction intensity increase with the gratings thickness, which is directly correlated with, probes and targets interactions. The second phase of the project was very ambitious and innovative because we demonstrated the feasibility of this label-free detection. And now we can think that this technology will appear as an alternative method for the diagnosis

La détection d'interactions biologiques est un des enjeux majeurs de différents domaines tels que le diagnostic médical ou le criblage de médicaments. L'objectif de ce travail est le développement d'une technique de biodétection sans marquage basée sur la diffraction d'un réseau de lignes submicroniques composées de biomolécules. Pour cela, nous développons un modèle optique permettant de simuler la réponse de biocapteurs diffractifs qui détermine les paramètres clefs adaptés à une détection optimale. Nous démontrons l'application de cette technologie à la détection de deux interactions biochimiques différentes, l'une représentant le domaine du diagnostic, l'autre celui du criblage pharmacologique. En se basant sur ces résultats, une corrélation avec le modèle développé est effectuée. Nous proposons aussi un procédé parallèle de dépôt par tamponnage moléculaire de différentes biomolécules en une seule étape, intégré dans le système de détection. Une réflexion sur le rôle et l'impact au niveau du citoyen de cette technologie, et plus généralement des nanotechnologies, est présentée.

L'objectif est de développer des méthodes permettant de suivre et de quantifier la réactivité chimique de surface à l'échelle micrométrique. Nous proposons une approche optique qui utilise une détection sans marquage basée sur un changement d'indice de réfraction. Le principe repose sur le couplage entre techniques d'imagerie, de microscopie optique et de micro-électrochimie pour étudier et cartographier en temps réel et in situ des processus (électro)chimiques interfaciaux. Les potentialités de ces techniques sont mises en évidence sur un système modèle : l'électrogreffage de films minces organiques sur des surfaces par réduction de sels de diazonium. La réactivité (bio)chimique est étudiée ex situ et in situ sur différentes surfaces d'or : des microélectrodes ou des macroélectrodes décorées par impression par microcontact ou par lithographie. La méthode est intéressante pour examiner la réactivité chimique de diverses molécules immobilisées vis-à-vis de radicaux électrogénérés. Ces microscopies opto-électrochimiques montrent que la microlithographie modifie la réactivité de surface et qu'elle doit donc être réalisée soigneusement quand on cherche à déterminer la réactivité de la surface. Finalement, ces travaux sont appliqués au développement d'une méthode analytique par microscopie électrochimique (SECM) pour détecter des mouvements mécaniques de microleviers suite à un changement de tension de surface.

Un (bio)capteur classique est principalement composé de deux éléments essentiels : une couche réceptrice sensible à l’analyte à laquelle on s’intéresse et un transducteur qui permet de convertir une stimulation chimique / biologique en un signal physique mesurable. Dans le cas idéal, un capteur ne doit pas nécessiter de marquage de la cible, doit posséder de très grandes sensibilité et sélectivité envers elle, ne requiert qu’une faible quantité de cette dernière et doit présenter un temps de réponse très court. Au vu de ces critères, les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont des candidats très prometteurs dans le développement de capteurs. Les polymères fonctionnels, tels que les polymères à empreinte moléculaire (MIPs), sont une approche très intéressante dans l’utilisation des MEMS car ils peuvent être intégrés dans des technologies existantes de MEMS à base de silicium ou complètement remplacer ces technologies. Le but de cette thèse porte sur le développement d’un capteur MEMS composé de polymères (fonctionnels). Un chapitre initial (chapitre 2) introduit des nouveaux systèmes de fabrication de polymères fonctionnels. Des biopuces composées de MIPs imprimés par jet d’encre sont présentées ainsi qu’une technique basée sur la polymérisation radicale contrôlée qui permet le dépôt d’un fin enrobage de MIPs sur des microstructures. La deuxième partie de ce chapitre présente la fabrication de polymères à empreinte moléculaire par stéréolithographie deux-photons, qui peut être vue comme une extension de l’impression 3D. Afin d’illustrer cette technologie de prototypage rapide, deux capteurs composés de MIPs sont présentés : un capteur à grille de diffraction et un capteur en microlevier. Les deux principaux chapitres de ce manuscrit (chapitre 3 et 4) se focalisent sur le développement d’un nouveau concept de fabrication pour les capteurs MEMS. Ce concept est basé sur la polymérisation d’une poutre à fort ratio de forme à l’extrémité d’une fibre optique de télécommunication. Cette poutre a été mise en vibration à sa résonnance et a ainsi pu être utilisée comme un capteur à base de levier. Le capteur en polymère a permis l’intégration de MIPs comme élément récepteur et la reconnaissance sélective de l’antibiotique enrofloxacine. De plus, un nouveau système de mesure intégré est présenté dans le chapitre 4. Ce système de mesure intègre la fibre optique en guidant un rayon laser à travers elle ainsi qu’à travers le levier qui y est attaché.Le rayon lumineux sortant est ensuite focalisé sur une photodiode sensible à la position du rayon lumineux, permettant ainsi la mesure du spectre de résonance de la poutre en polymère. Ce système de mesure est caractérisé et ses performances sont présentées au travers de la détection de masse du levier en polymère et de mesures faites en milieu liquide. / A classical (bio)sensor consists of two key components: A receptor layer that detects the analyte of interest and the transducer which converts the chemical / biological stimuli into a physical measurable signal. Ideally a sensor is label-free, highly sensitive and selective towards the target, requires low sample amount and shows a fast response time. Regarding these criteria microelectromechanical systems (MEMS) offer great potential for the sensor development. One interesting approach for this development are functional polymer materials, such as molecularly imprinted polymers (MIPs), that can be either integrated to existing MEMS based on silicon or completely replace the silicon technology. The emphasis of this thesis is focused on the development of a MEMS sensor based on (functional) polymers. In an initial chapter (chapter 2) new fabrication schemes for functional polymers are introduced. Inkjet-printed biochips based on MIPs are presented and a technique based on controlled radical polymerization is shown that allows the deposition of thin MIP shells on a microfabricated pattern. In the second part of this chapter the fabrication of molecularly imprinted polymers by two-photon stereolithography is shown which can be seen as an extension of 3dimensional printing. As possible application of this rapid prototyping technology two sensors based on MIPs are introduced a diffraction grating sensor and a microcantilever sensor. The two main chapters of this manuscript (chapter 3 and chapter 4) report the development of a new fabrication concept for MEMS sensors. It is based on the polymerization of a high aspect ratio beam on the extremity of an optical telecommunication fiber which was actuated at resonance and thus could be used as a cantilever sensor. The polymer sensor allowed the integration of MIPs as sensing element and the selective recognition of the antibiotic enrofloxacin. Furthermore, is a new, integrated read-out scheme presented in chapter 4. This read-out scheme integrates the optical fiber, by guiding a probe laser beam through it and attached cantilever beam. The output light beam is then focused on a position sensitive photodiode and thus enabled to monitor the resonance spectra of the polymer beam. The read-out scheme is characterized and its performance is shown by demonstrating the mass sensitivity of the polymeric cantilever beam and by measurements in liquid environments.