Esta tese apresenta os achados e avanços obtidos na fabricação, caracterização e aplicação de pontas de prova eletroquímicas multifuncionais para a obtenção de informações eletroquímicas resolvidas no espaço em diversas superfícies/interfaces por meio de técnicas de microscopia de varredura de ponta de prova eletroquímica (SEPM, em inglês). Diferentes designs de pontas de prova multifuncionais foram investigados e, devido a natureza não convencional destas, novos métodos para fabricação e caracterização foram desenvolvidos. Os benefícios da utilização de pontas de prova multifuncionais para a obtenção de informações eletroquímicas resolvidas no espaço ficaram evidente durante a realização de experimentos \"prova de conceito\", onde a maior densidade de informação obtida permitiu o estudo de sistemas mais complexos e a aquisição de informações eletroquímicas livre de interferência topográfica mesmo em superfícies não planas. A hibridização de diferentes técnicas de microscopia de varredura de ponta de prova eletroquímica em uma única ponta de prova também foi investigada o que se provou extremamente útil para a aquisição de imagens eletroquímicas de alta resolução, livres de influências topográficas, quando utilizada a técnica de microscopia de condutividade iônica (SICM, em inglês) como sensor de topografia do substrato investigado. Por ultimo, uma nova técnica, baseada na microscopia de condutividade iônica, que se utiliza de pontas de prova eletroquímicas multifuncionais fabricadas a partir de uma nanopipeta de um único canal, foi desenvolvida. Esta nova técnica se mostrou extremamente ponderosa, capaz de obter informações a respeito da topografia e mapear sítios ativos sobre um substrato utilizando uma nanopipeta de um único canal com alta resolução especial e temporal a uma taxa de aproximadamente 4000 pixels por Segundo. / This thesis presents the findings and advances made on fabrication, characterization and application of multifunctional electrochemical probes to acquire space resolved electrochemical information on diverse surfaces/interfaces employing Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM) techniques. Different multifunctional probes designs were investigated and new and innovative methods for fabrication and characterization of those probes were developed, which was necessary due to the unconventional nature of most of the probes studied. The benefits of using multifunctional probes for space resolved electrochemical measurements was clear during \"proof-of-concept\" experiments, where the increased density of information allowed the study of complex systems and the acquisition of topography-free electrochemical information of rough surfaces. The hybridization of different SEPM techniques in a single probe tip was also investigated, and this was found to be extremely beneficial, especially for acquiring high-resolution, topography-free, electrochemical images employing Scanning Ion Conductance Microscopy as a topography feedback. Finally, a new SICM technique, based on the use of a multifunctional probe tip fabricated from a single barrel nanopipette, was developed. This new technique was found to be extremely powerful, capable of acquiring information on topography and map active sites over substrates using a single barrel pipette with high spatial and temporal resolution at a rate of approx. 4000 pixels per second.

La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume – milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR). / The presence of biological matter (biofilms) in deep geological sites for storage of, for instance, toxic elements or groundwater in aquifers was clearly proved. That biomass triggers physical and chemical processes which greatly modify the durability and the sustainability of the sites. These processes, mainly from oxidative/reductive reactions, are poorly understood. This is mainly due to the fact that former studies were done at the macroscopic level far away from the micrometric scale where relevant processes induced by bacteria take place. Investigations at microscopic level are needed. Thus, we developed an experimental set-up based on the combined use of optical microscopy (transmission), atomic force microscopy (AFM) and electrical and electro-chemical AFM microscopy (EC_AFM) in order to get simultaneous information on topographic and electro-chemical processes.The first highly sensitive step was to use AFM with biological samples in liquid environment: we present here a study about AFM imaging of living, moving or self-immobilized bacteria, in their genuine physiological liquid medium and in true in vivo conditions. No external immobilization protocol, neither chemical nor mechanical was needed. For the first time, the native gliding movements of Gram negative Nostoc cyanobacteria upon the surface were studied by AFM. AFM height and mechanical stiffness data were simultaneously acquired. From these, mechanical parameters, inner turgor pressure and Young modulus, were derived for different bacterial species (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Our study revealed that AFM imaging is thus possible on moving living species. These results open a large window on new studies of both dynamical phenomena of practical and fundamental interests such as the formation of biofilms and dynamic properties of bacteria in real physiological conditions.The second delicate step was to combine AFM and optical measurements with electrical ones. We mounted a new experimental set-up coupling real-time (i) monitoring of optical properties as the optical density (OD) evolution related to bulk bacterial growth in liquid or as the counting of number of bacteria adhering on the surface of the sample as well and (ii) electrical and electrochemical measurements. Furthermore, these results will shortly be applied to the optimized monitoring of the in-situ activity of bacteria consuming oil pollutants, following this way, in real-time, the bioremediation of an oil-contaminated soil (ANR ECOTECH_BIOPHY program).

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-07-07T18:52:22Z No. of bitstreams: 1 CleidivanMacena.pdf: 2189360 bytes, checksum: 599a50d965fad9ff9559783fe4574feb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-07T18:52:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CleidivanMacena.pdf: 2189360 bytes, checksum: 599a50d965fad9ff9559783fe4574feb (MD5) Previous issue date: 2017-02-03 / Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA) / The present work demonstrated the potential of Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) in the understanding of enzymatic systems using the enzymes glucose oxidase (GOx) and the peroxidase of strong root (HRP) as recognition model. In addition, it evaluated different platforms, such as: Graphene (Gr) and Carbon Nanotubes (CNTs) in the response of enzymatic systems through approximation curves and images. In this sense, the reactivity of the GOx and HRP enzymes was evaluated in the generator / collector mode on an insulating platform. In addition, the HRP was studied comparatively on graphene platform Gr, CNTs and on conductive surface. The use of the SECM technique in the investigation of these systems showed its applicability in the investigation of reactions catalyzed by enzymes and also showed that CNTs were the best platform for immobilization of HRP. In addition, it showed the application of SECM in enzymatic systems for the selective determination of compounds isomers: catechol and hydroquinone. / O presente trabalho demostrou a potencialidade da Microscopia Eletroquímica de Varredura (Scanning Electrochemical Microscopy - SECM) no entendimento de sistemas enzimáticos usando as enzimas glicose oxidase (GOx) e a peroxidase de raiz forte (HRP) como modelo de reconhecimento. Ademais, avaliou diferentes plataformas, como: Grafeno (Gr) e Nanotubos de Carbono (CNTs) na resposta de sistemas enzimáticos através de curvas de aproximação e imagens. Neste sentido, a reatividade das enzimas GOx e HRP foi avaliada no modo gerador/coletor sobre plataforma isolante. Adicionalmente, a HRP foi estudada comparativamente sobre plataforma de grafeno Gr, CNTs e sobre superfície condutora. O uso da técnica SECM na investigação desses sistemas mostrou sua aplicabilidade na investigação de reações catalisadas por enzimas e mostrou ainda que os CNTs fora a melhor plataforma para imobilização da HRP. Além disso, mostrou a aplicação da SECM em sistemas enzimáticos para a determinação seletiva de compostos isômeros: catecol e hidroquinona.

Dans ce travail, deux aptacapteurs électrochimiques ont été développés pour une détection sélective de la tétracycline (TET) et ses dérivés dans les environnements aquatiques. Les deux outils analytiques sont basés sur l’immobilisation d’oligonucléotides d’ADN sur des électrodes de carbone sérigraphiées : le premier est un capteur impédimétrique utilisant un aptamère de 8 nucléotides, tandis que le deuxième est un capteur voltammétrique basé sur l’inhibition de l’électroactivité intrinsèque d’un aptamère de 76 nucléotides. Une telle électroactivité n’ayant jamais été observée précédemment, une étude a été menée afin d’identifier la partie de la séquence responsable de cette activité et de déterminer en parallèle les sites de reconnaissance de la TET. Un autre volet du travail exploite cette électroactivité afin de cartographier par microscopie électrochimique à balayage la répartition des aptamères immobilisés sur l’électrode. / In this work, two electrochemical aptasensors were developed for selective detection of tetracycline (TET) and its derivatives in aquatic environments. The two analytical tools are based on the immobilization of DNA oligonucleotides on screen-printed carbon electrodes: the first is an impedimetric sensor involving an aptamer of 8 nucleotides, while the second is based on a voltammetric sensor based on the inhibition of the intrinsic electroactivity of an aptamer of 76 nucleotides. Since such electroactivity has never been observed previously, a study was conducted to identify the part of the sequence responsible for this activity and to determine in parallel the TET recognition sites. Another part of the work exploits this electroactivity to map the distribution of aptamers immobilized on the electrode by scanning electrochemical microscopy.

Le développement durable nécessite des investissements massifs pour l'exploration et l'utilisation des sources d'énergie renouvelables dans le bilan énergétique. Parmi diverses formes de l’énergie, l'électricité est sans doute la forme la plus souhaitable pour les usages quotidiens. Cependant, en raison de l'intermittence des sources d’énergie renouvelables, l'électricité doit être stockée sous d'autres formes afin de corréler la production éphémère et la consommation en continue. Malgré la présence des systèmes commerciaux de stockage d'énergie, la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles approches pour résoudre ce problème est toujours en cours et attire également une grande attention. Les récents progrès ont poussé la communauté scientifique vers l'utilisation de matériaux à l'échelle nanométrique pour des systèmes de stockage et de conversion de l'énergie. Bien que ces derniers offrent des avantages pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, leurs performances sont encore inférieures aux valeurs théoriques. Dans ce contexte, l’ingénierie à l'échelle moléculaire devient cruciale non seulement pour créer un nouveau type d'entités moléculaires mais aussi pour augmenter les performances des matériaux existants. Dans ce contexte, nous proposons d’utiliser une nouvelle famille de matériaux à base de liquides ioniques pour diverses d’applications, comprenant celles dans le domaine énergétique et pour le long terme, dans la fabrication de la peau artificielle, ces objectifs font l’objet de ces travaux de thèse. Cette dissertation est composée de cinq chapitres. Le chapitre 1 présente différents aspects des liquides ioniques (LIs) et des polymères à base de LI décrites dans la littérature. Via ce chapitre, nous envisageons d’atteindre les points suivants : (1) Décrire les utilisations possibles des liquides ioniques en électrochimie ; (2) Discuter des comportements physico-chimiques de ces composés en solution, (3) Montrer l'immobilisation de liquides ioniques (Redox-actifs) sur différents substrats : de couches minces aux polymères et (4) Mettre en évidence les travaux marquant portant sur l’utilisation des polymères ioniques liquides dans diverses applications. Le chapitre 2 présente différentes approches électrochimiques pour l'immobilisation de liquides ioniques rédox à la surface de l'électrode. De plus, les différentes caractéristiques des nouvelles interfaces seront reportées. Le chapitre 3 se concentre sur l'utilisation des polymères LIs comme catalyseurs émergents et comme matrices pour la génération de matériaux hybrides vers l'activation de petites molécules (ORR, OER, HER). Le chapitre 4 étudie la réactivité à l'échelle micro / nanométrique de divers matériaux, y compris les polymères liquides ioniques électro-actifs, en utilisant la microscopie électrochimique à balayage (SECM). Le chapitre 5 présente les résultats préliminaires de la fabrication de substrats flexibles avec des fonctionnalités intéressantes : possibilité de convertir le frottement en électricité et stockage d'énergie en utilisant des liquides ioniques redox polymériques. Ces études ouvrent de nouvelles opportunités pour élaborer des dispositifs flexibles, portables et implantables. / Increasing demand of energy requires massive investment for exploration and utilization of renewable energy sources in the energy balance. However, due to the intermittence of the current renewable sources, the generated electricity must be stored under other forms to correlate the fleeting production and the continuous consumption. Despite available commercialized systems, seeking for new materials and new approaches for resolving this problem is still matter of interest for scientific researches. Highlighted advancements have recently oriented the community towards the utilization of nanoscale materials for efficient energy storage and conversion. Although the advantages given by existing nanomaterials for diverse applications, especially in the energy field, their performance is still lower than theoretical purposes. Consequently, tailoring the physical-chemical properties at the molecular scale becomes crucial not only for boosting the activities of the existed materials but also for creating a new type of molecular entities for storing and releasing the energy. Accordingly, this PhD work aim to develop new family of materials based on ionic liquid that exhibits a multifunctionality towards energy applications. Our work is based on the knowhow in surface functionalization and material preparation by simple methods to build up electrochemical systems that can be utilized in various applications. Thus, this thesis will report different results obtained by following this direction and is composed of six chapters: Chapter 1 reports an overview of ionic liquid and polymeric ionic liquid. We propose to review the available literature on the redox-IL from solution to immobilized substrates. Through this chapter, we will achieve the following points: (1) Report the possible uses of ionic liquids in electrochemistry; (2) Discuss about the physical-chemical behaviors of these compounds in solution, (3) Show the immobilization of (Redox-active)–ionic liquids onto different substrates: from thin layer to polymer and (4) Highlight recent advances using polymeric ionic liquids for diverse applications. Chapter 2 will be devoted to different electrochemical assisted approaches for the immobilization of (redox)-ionic liquids to the electrode surface. We will focus on generating a thin layer and polymeric film based ionic liquid. Furthermore, the different characteristics of the new interfaces will be reported. Chapter 3 concentrates on the use of the polymer ionic liquid modified electrodes as emerging catalyst and as template for the generation of hybrid materials towards activation of small molecules. Chapter 4 studies the reactivity at micro/nanometer scale of diverse materials, including single layer graphene, polymeric redox – ionic liquid, using the scanning electrochemical microscopy (SECM). Chapter 5 reports the potential applications of redox ionic liquid and focus on providing the preliminary results towards the fabrication of flexible substrates with interesting functionalities: possibility to convert the friction to electricity and energy storage by using polymeric redox ionic liquids. These studies open a new opportunity to elaborate flexible, wearable and implantable devices. Finally, some concluding remarks are given to summarize different results obtained in the previous chapters. Besides, different perspectives will be given by using ionic liquid as main material for developing different energy storage and conversion systems.

<p align="justify">Plusieurs métaux de notre vie courante sont obtenus industriellement au moyen de procédés électrolytiques. Un des procédés les plus communs est l’électro-obtention de cuivre, dans lequel le métal est déposé à la cathode tandis que l'oxygène se dégage à l'anode. Généralement, en usine, plusieurs anodes et cathodes, ayant une surface de 1 m2 et séparées par plus ou moins 10 cm sont alternées dans une cellule contenant une solution d'acide sulfurique riche en sulfate de cuivre. En fonction des conditions d'utilisation, les cathodes sont remplacées, après un certain temps, par des nouvelles de façon à récupérer le cuivre déposé. De ce fait, les anodes doivent être capables de résister sans se corroder, se déformer ou perdre leurs propriétés électrocatalytiques pendant de longues périodes. Au début, des alliages en Pb (pb-Ag, Pb-Ca-Sn,) ont été utilisés comme anodes. Malheureusement, malgré leur faible prix, ces anodes présentent des surtensions élevées et une faible résistance à la corrosion et au fluage. Par conséquent, une alternative aux anodes traditionnelles en 1 développée. Ce nouveau type d'anode, connu sous le nom d’anode dimensionnellement stable (DSA) est fabriquée à partir d'une tôle en Ti recouverte par un mélange d'oxydes de métaux nobles catalysant la réaction de dégagement d'oxygène. Différentes techniques peuvent être utilisées pour préparer la couche d'oxyde. La technique la plus souvent employée consiste à décomposer thermiquement une solution de chlorures contenant un ou plusieurs nobles. Malheureusement, ce type d'anode est cher et a tendance à perdre son activité électrocatalytique avec le temps.</p><p><p align="justify">Dans le but de produire une DSA à faible prix, pouvant résister de longues périodes sans se passiver, un nouveau type de DSA a été développé dans le présent travail. Cette anode est produite par électrodépôt d'un métal noble dans les pores d'un substrat microporeux en Ti/TiO2.</p><p><p align="justify">Ce travail a permis de démontrer qu'une DSA avec une concentration en métal noble peut être obtenue par la voie proposée. Il a été montré que les propriétés électriques et électrochimiques de ces DSAs sont directement liées aux caractéristiques morphologiques et structurales du en Ti/TiO2. Lorsque la couche barrière existant au fond des pores est suffisamment fine et que le film présente des défauts, la résistance me l'interface Ti/métal noble est faible. Ceci abouti à des DSAs possédant d'excellentes propriétés électrocatalytiques. Les DSAs optimales sont capables de résister à des conditions similaires à celles employées en industrie avec des surtensions de ~ 0.4 V, ce qui représente un gain de 50% par rapport aux surtensions normalement atteintes par les anodes traditionnelles en Pb.</p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished