Ce mémoire est consacré au développement d'un immunocapteur impédancemétrique et de deux biopiles enzymatiques. Premièrement, le poly(pyrrole-NHS) est utilisé pour l'immobilisation successive d'un modèle de la ciprofloxacine (CF) et de l'anticorps dirigé spécifiquement contre CF. La détection est réalisée par la spectroscopie d'impédance électrochimique. Elle détecte le déplacement en solution de l'anticorps. Le seuil de détection est de 1.10-12 g.mL-1. Deuxièmement, la production énergétique est abordée suivant deux approches. La première se base sur l'apparition d'un gradient de pH produit par deux enzymes (la GOx et l'uréase) et converti en f.e.m. en utilisant un couple rédox sensible au pH. La seconde, repose sur les propriétés biocatalytiques de la GOx d'oxyder le glucose et de la polyphénol oxydase de réduire le dioxygène. Cette pile est capable de fonctionner aussi bien in vitro que in vivo. Une fois optimisée, la pile affiche une f.e.m. de 315 mV et une puissance de 27 μW. / This work is focused on the development of an impedimetric immunosensor and two enzymatic biofuel cells. Firstly, poly(pyrrole-NHS) is used to graft a model of the ciprofloxacin antibiotic (CF) and its specific antibody (Ab) in two steps. The displacement of the antibody in solution directed by a strong affinity between Ab and CF is monitored by electrochemical impedance spectroscopy. The detection limit is 10-12 g mL-1. Secondly, production of electricity is studied by two different methods. The first one is based on the creation of a pH difference driven enzymatically by glucose oxidase (GOx) and urease. This pH gradient is converted to e.m.f. by adding a pH-dependant redox couple. The second method uses glucose/O2 fu

Le diamant dopé bore (BDD) est un matériau extrêmement prometteur pour applications biomédicales par son unique combinaison de propriétés. Cette thèse a visé le développement de nouvelles structures de micro-électrodes en BDD et l'étude de leur intérêt et leurs performances pour des applications électroanalytiques et électrophysiologiques. En dépit de leurs propriétés électroanalytiques très supérieures à d'autres matériaux d'électrodes plus conventionnels, les électrodes BDD sont sujettes au «fouling», i.e. l'apparition d'un film à la surface du diamant qui réduit la réactivité électrochimique. Ceci est très compromettant dans des milieux complexes comme l'urine, les eaux stagnantes, des boissons, le plasma sanguin etc. Ici, un nouveau traitement d'activation a été développé pour nettoyer la surface des électrodes et recouvrir leur réactivité initiale, donc il permet leur usage pour de longues périodes d'enregistrement sans dégradation du signal. Ceci permet l'usage de ce type d'électrodes, pour des domaines d'applications, pour le suivi continu d'analytes, sans entretien spécifique, en solutions complexes. La grande originalité de ces techniques d'activation est qu'elle peut être menée directement dans l'analyte lui-même. En comparaison avec leurs équivalents en macro-électrodes, les microélectrodes permettent d'obtenir de plus grandes sensibilités, des courants résiduels moindre, des pertes ohmiques moindres, et donc des rapports signal à bruit meilleurs. Un procédé robuste et fiable a été optimisé pour la fabrication de réseaux de microélectrodes (MEA MicroElectrode Arrays) et d'ultra micro-électrodes, permettant par lithographie sur 4 pouces d'offrir une large flexibilité de fabrication. Par exemple, parmi d'autres prototypes, des microélectrodes BDD ont été utilisées pour applications de biocapteurs pour quantifier l'acide urique en temps quasi-réel. Bien que le diamant possède une très bonne biocompatibilité et des propriétés électrochimiques excellentes, la faible relative capacité de double couche limite leur application pour des applications électrophysiologiques. Des procédés de nanostructuration ont ainsi été mis au point pour accroitre les limites d'injection de charge. Parmi les approches, des procédés hybrides à base de polypyrrole se sont révélés prometteurs, de même que des procédés de gravure pour former de la «nano-herbe» diamant, très intéressantes pour la fabrication de MEAs en BDD. Ces matériaux à fort rapport d'aspect apparaissent comme d'excellents candidats pour applications d'interfaces neuronales et notamment pour la fabrication d'implants rétiniens.STAR / Boron doped diamond (BDD) electrodes are extremely promising in the field of biomedical applications as they exhibit a unique combination of properties. The thesis aims at developing new types of BDD microelectrodes and exploring their interests for electro-analytical and electrophysiological applications. Despite their superior electro-analytical properties, BDD electrodes are prone to fouling, which leads to a loss of electrode reactivity when used in biological fluids such as urine, waste waters, drinks, blood plasma, etc. A novel electrochemical treatment was developed to clean the electrode surface and to retrieve the initial reactivity, thereby enabling the use of BDD electrodes to long periods of measurements without degradation of the signal, thus significantly extending the field of monitoring and surveying applications up to domains where continuous analysis is required. The real novelty of the technique is that it does not require the use of a specific media and thus can be directly performed in the probed (bio-)fluid. Microelectrodes in comparison with macro-electrodes offer higher sensitivity, lower background current, lower ohmic losses and higher signal-to-noise ratio. A robust, high-yield, reliable, and reproducible process for fabricating a thin-film BDD micro and ultra-microelectrode arrays (MEA) was developed using a novel lithographic technique, based on clean room processing on 4 inch substrates, thus offering wide flexibility. For example, among other prototypes, BDD microelectrodes were developed as biosensors to quantify uric acid in human urine in quasi-real time. Although diamond film possesses good biocompatibility and excellent electrochemical properties, the low double-layer capacitance limits its application in electrophysiological applications. Increasing the charge injection limit was investigated by surface modification and nano-structuring. These include the synthesis of hybrid diamond-polypyrrole electrodes and nanograss BDD MEAs. Such high aspect ratio materials appear as excellent candidates for neurointerfacing applications such as for retinal implants.

Les matrices de microélectrodes sont des puissants outils de recherche pour les neurosciences. Elles sont utilisées aussi bien pour les études fondamentales de la compréhension des échanges d'informations au sein de réseaux neuronaux que pour la réalisation de neuroprothèses. L'optimisation de ces systèmes demande la mise au point de microélectrodes biocompatibles et de faible impédance électrochimique. Les nanotubes de carbone et le diamant sont deux matériaux utilisés pour atteindre ces objectifs. Dans ces travaux de thèses ces derniers sont couplés pour bénéficier de leurs excellentes propriétés. Ce travail se divise en trois grands axes. Le premier consiste à développer une nouvelle méthode d'ancrage des nanotubes de carbone en enterrant leur base dans du diamant nanocristallin. Ce fort ancrage a pour but d'éviter toute dispersion des nanotubes pouvant conduire à des problèmes de toxicité . Dans un deuxième temps, des matrices de microélectrodes entièrement constituées de diamant ont été réalisées. Leurs propriétés électrochimiques ont été comparées à celle de microélectrodes recouvertes de nanotubes. Enfin des études préliminaires de la biocompatibilité du diamant nanocristallin et des nanotube de carbone ont été menées in-vivo et in-vitro. / Microelectrodes array are powerfull tools for the research on neuroscience. They can be used both in basic research works to understand the flux of information within neural networks and for the creation of neural prosthese. Biocompatible microelectrode with low impedance are need for the optimization of the devices. Carbon nanotubes (CNTs) and diamond are currently thought to be good candidates to reach these goals. Both are coupled in this work to take advantages of their respective outstanding properties. The study is divided into three main parts. In the first we describe a new anchoring methode to strongly bind carbon nanotubes by burring their base into the nanocrystalline diamond. This new coupling is thought to avoid any dispersion of CNTs that could trigger some toxicity issues, and also to enhance the electronic interface between the two materials. The second part is devoted to the development of an all-diamond microelectrode array. Their electrochemical properties are compared to the carbon nanotube coated electrodes. Finally, some preliminary in-vivo and in-vitro studies were performed to evaluate nanocrystalline diamond and carbon nanotube bicompatibility.

Avec l'augmentation du nombre de dispositifs utilisant des nanostructures, tels les nanofils pour les systèmes photovoltaïques, les détecteurs, etc., il devient nécessaire de développer des techniques de fabrication de réseau d'objets de dimensions nanométrique à faible coût. Dans cette étude, nous utilisons les propriétés d'auto-assemblage combinées avec des méthodes « descendantes » pour créer des réseaux de nanostructures très denses et très organisés. En effet, nous proposons de produire des réseaux hexagonaux parfaits d'alumine poreuse (AAO) et de les utiliser pour la croissance confinée de fils de silicium (Si) par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).L'AAO est naturellement obtenue par oxydation de l'aluminium dans un acide, mais ce processus seul n'apporte qu'une organisation des pores très faible. Nous présentons un procédé innovant utilisant la lithographie par nano-impression thermique pour pré-texturer l'aluminium avant son anodisation. Ainsi, nous obtenons des réseaux poreux hexagonaux parfait sur des surfaces allant jusqu'à 4 cm ². Toutes les caractéristiques géométriques de la membrane poreuse peuvent être ajustées en faisant varier les paramètres expérimentaux de l'anodisation. En outre, pour augmenter la densité du réseau et réduire le coût de fabrication du moule d'impression, nous avons développé des structures originales avec une croissance mixte de pores guidées et générer naturellement.Afin d'étudier les caractéristiques de ces réseaux et suivre leur évolution au cours de leur formation, nous présentons les résultats d'une étude de diffusion des rayons X aux petits angles réalisée in situ pendant la formation de l'AAO.L'AAO est finalement utilisée comme matrice guide pour la croissance auto-organisée de fils de Si par CVD. Nous présentons donc des réseaux hexagonaux parfaits de nanofils crus perpendiculairement à la direction <100 > des substrats de silicium. Les différentes étapes du procédé, du dépôt de catalyseur à la croissance des fils sont présentées. Grâce à cette technique, nous obtenons des densités de fils allant jusqu'à 9.109 cm-2 et la dispersion des diamètres est meilleure que lors d'une croissance colloïdale (CVD). La composition chimique et l'orientation cristalline des nanofils confirme qu'ils sont en silicium et que nous avons à la fois des orientations <100> et <111>. Nous avons étudié également la conductivité entre le sommet des fils et le substrat grâce à la technique du microscope à force atomique conducteur. / With the increased number of devices using functional nanostructures, e.g nanowires for photovoltaic systems, detector etc, it becomes of great importance to develop low-cost and versatile fabrication of systems with nano-objects. In this study, self-assembly properties combined with top-down methods were used to create highly dense and organized nanostructures. Indeed, flawless hexagonal porous anodic alumina arrays (PAA) were successfully used as a template for the epitaxial Silicon (Si) nanowires (NW) growth in a chemical vapor deposition reactor (CVD).PAA is naturally obtained by oxidation of aluminum in acid; however this simple process brings a poor pores organization. We present an innovative route using Thermal NanoImprint Lithography previous to aluminum anodization to prepare perfect hexagonal nanopore array on large surface (4 cm²). All the geometrical characteristics of the porous membrane can be adjusted by varying experimental parameters. Furthermore, to increase the density of the array and reduce the fabrication cost of the imprint mould, original structures with a mixed growth of NIL-guided pores and generation of naturally-guided pores (induced pores) have been developed. Shapes of the pores can be modified varying the electrolyte.To know the characteristic of these arrays and their evolution during formation, we will present the results of the hitherto unseen In Situ study under Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering of PAA formation.The PAA is finally used as templates for the self-organized Si NW growth in a CVD reactor. Hexagonal nanowire arrays grown perpendicularly to <100> silicon substrates were successfully produced. The different process steps from the catalyst deposition to the planarization of the array are presented. The quality of the final silicon array is discussed. Densities up to 9*109 NW.cm-2 and diameter dispersion better than colloidal growth are achieved. The chemical composition and the crystalline orientation of the nanowires confirms the nanowires are in silicon and a mix between <100> and <111> orientation. We also measured the conductivity between the top of the vertical nanowire and the substrate with conductive atomic force microscopy.

La question du stockage de l’énergie est actuellement au cœur de nombreuses problématiques internationales. Le développement de systèmes de stockage tels que les batteries lithium ion (LIB) et sodium ion (SIB) fait donc l’objet aujourd’hui de nombreuses recherches. Dans ce contexte, les matériaux lamellaires présentant un espace inter-feuillet permettant une insertion d’espèces cationiques semblent idéals dans le cadre d’une utilisation comme matériau d’électrode positive pour ces systèmes LIB et SIB. Parmi ces structures le pentoxyde de vanadium, sous sa forme alpha est un composé modèle présentant de nombreux intérêts pour les batteries au lithium. Ce matériau présente en outre de nombreux polymorphes stables autorisant un large champ d’étude de ce composé.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au polymorphe gamma’-V2O5 présentant une structure lamellaire à très large inter-feuillet laissant présager une insertion d’espèces cationiques facilitée et donc des performances électrochimiques accrues. Le but de cette thèse a consisté à étudier les propriétés électrochimiques et la réponse structurale de ce composé vis-à-vis de l’insertion des ions lithium et sodium.La première partie de cette thèse propose une analyse bibliographique de l’état de l’art sur les accumulateurs lithium-ion et sodium.Dans une seconde partie les données concernant l’insertion du lithium et du sodium dans le composé alpha-V2O5 sont présentées. Les propriétés électrochimiques et structurales de ce matériau d’insertion permettront de mettre en avant l’intérêt de l’utilisation du polymorphe gamma’-V2O5 comme matériau d’électrode positive pour les systèmes LIB et SIB.Une troisième partie de ce mémoire présente la synthèse et la caractérisation du polymorphe gamma’-V2O5. L’étude complète de ce système est présentée dans le cas de l’insertion du lithium avec une étude des performances électrochimiques, une étude cinétique de la réaction d’insertion réalisée par spectroscopie d’impédance complexe et la description des changements structuraux étudiés pas diffraction des rayons X et par spectroscopie Raman.Dans une quatrième partie, l’insertion électrochimique du sodium dans le polymorphe gamma’-V2O5 est étudiée en suivant la même démarche. Le mécanisme structural impliqué dans le fonctionnement électrochimique est résolu. La formation d’un bronze de vanadium au sodium jamais encore décrit, gamma-Na0,97V2O5, est révélée et la détermination de sa structure est réalisée. Les caractéristiques électrochimiques remarquables de gamma’-V2O5, et notamment sa tension élevée de 3,3V et son excellente stabilité en cyclages, permettent de situer ce composé parmi les cathodes les plus performantes pour batterie au sodium / The question of energy storage is currently at the heart of many international issues. The development of storage systems such as lithium ion (LIB) and sodium ion (SIB) batteries is therefore today the subject of many researches.In this context, layered materials having an interlayer space allowing insertion of cationic species seem ideal in the context of use as a positive electrode material for these LIB and SIB systems. Among these structures, vanadium pentoxide, in its alpha form, is a model compound with many advantages as an attractive cathode material for lithium batteries. This material also has numerous stable polymorphs allowing a wide field of study of this compound.In this thesis we were interested in the gamma'-V2O5 polymorph, which exhibits a layered structure with very large interlayer space allowing an easier insertion. Therefore, increased electrochemical performances are expected for this compound. The aim of this thesis was to study the electrochemical properties and the structural response of this compound toward the insertion of lithium and sodium ions.The first part of this thesis proposes a review of the current literature studies devoted to lithium-ion and sodium batteries.In a second part, a thorough study of the electrochemical lithium and sodium insertion in the alpha-V2O5 phase are depicted. The electrochemical and structural properties of alpha-V2O5 will make it possible to highlight the advantage of using the polymorph gamma'-V2O5 as a positive electrode material for LIB and SIB.The third part of this thesis presents the synthesis and characterization of the gamma'-V2O5 polymorph. The complete study of this system is presented in the case of the insertion of lithium with a study of electrochemical performances, a kinetic study of the insertion reaction carried out by complex impedance spectroscopy and a description of the structural changes studied by X-ray diffraction and by Raman spectroscopy.In the fourth chapter, the insertion of sodium into the polymorph gamma'-V2O5 is studied, using the same approach than that adopted in the case of lithium. The structural mechanism involved during the electrochemical process is solved. The formation of a new sodium vanadium bronze, gamma-Na0.97V2O5 , is revealed and its structural determination is carried out. Due to its remarkable electrochemical characteristics, especially its high voltage of 3,3V and excellent cycling stability, the gamma'-V2O5 oxide ranks among the most performant cathode materials for sodium batteries

Ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface formée par une électrode d’or plongée dans le liquide ionique 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide ou [BMIm][DCA]. Ce liquide ionique a été sélectionné car outre sa conductivité intrinsèque, il permet de solubiliser aisément des sels de métaux de transition à température ambiante. Les liquides ioniques sont, par définition, des sels liquides en dessous de 100 °C et la plupart d’entre eux sont liquides à température ambiante. Etant donné que les liquides ioniques sont constitués majoritairement d’ions, la description de la double couche électrique telle que décrite dans les électrolytes traditionnels doit être reconsidérée.<p>Deux grandes thématiques fondamentales sont abordées dans ce travail :le comportement de la double couche électrique à l’interface liquide ionique / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Les dispersions de nanoparticules magnétiques (NPs) dans les solvants polaires sont utilisées dans de nombreuses applications dans des domaines variés, du biomédical à l'environnement ou à l'énergie. Aussi appelés ferrofluides (FFs), ces systèmes sont des dispersions de ferrites spinelle magnétiques pouvant être stabilisées par des répulsions électrostatiques. Cela nécessite une bonne compréhension de l'interface NPs/solvant porteur, qui contrôle les interactions entre NPs, la nanostructure et de nombreuses autres propriétés. Nous étudions ici en milieu aqueux la réactivité électrochimique de particules c¿ur/couronne de type MFe2O4@ Fe2O3 (M = Fe,Co,Mn,Cu,Zn), espèces électroactives non conventionnelles. La voltammétrie à signaux carrés et la coulométrie à potentiel contrôlé permettent d'étudier la coquille de maghémite ( Fe2O3), dont le rôle est la protection de l'oxyde mixte du c¿ur en milieu acide. D'autre part, un nouveau procédé d'élaboration de dispersions dans les solvants polaires, testé dans l'eau, est appliqué au diméthylsulfoxide (DMSO). A partir du point de charge nulle des NPs, un ajout connu d'acide ou de base permet de contrôler la charge des NPs, la nature des contreions et la quantité d'électrolyte libre. Des dispersions stabilisées par des répulsions électrostatiques sont obtenues dans le DMSO. La diffusion de rayons X aux petits angles et la diffusion dynamique de la lumière sont utilisées pour comprendre la nanostructure et quantifier les interactions entre particules. De forts effets spécifiques liés aux ions sont mis en évidence ainsi que le rôle de l'interface solide liquide, en particulier sur les propriétés de thermodiffusion. / Dispersions of magnetic nanoparticles (NPs) in polar solvents have been inspiring many applications, to cite a few, biomedical, industrial and thermoelectrical ones. Also called ferrofluids (FFs), they are usually colloidal dispersions of magnetic spinel ferrite NPs, which can be stabilized thanks to electrostatic repulsion. A good understanding of the interface between NPs and the carrier solvent is thus a key point, which governs the interparticle interactions, the nanostructure and many other applicative properties. We study here the electrochemical reactivity of core-shell ferrite MFe2O4@ Fe2O3 (M=Fe,Co,Mn,Cu,Zn) NPs in aqueous medium. Square-wave voltammetry and potential controlled coulometry techniques are used on these non-conventional electroactive systems in order to evidence the shell of maghemite ( Fe2O3), the main function of which is to ensure the thermodynamical stability of NPs in acidic medium. We also present a new process for the elaboration of maghemite based FF in polar solvents, tested in water and applied to dimethyl sulfoxide (DMSO). Departing from the point of zero charge, the NPs are charged in a controlled way by adding acid or base, which enables us to better control the charge and the counter-ions nature, as well as the amount of free electrolyte in the dispersion. Stable dispersions are obtained thanks to electrostatic repulsion, also in DMSO. Small Angle X-ray scattering and Dynamic Light Scattering are used to understand the nanostructure and quantify the interparticle interactions. Specific ionic effects are evidenced as well as the strong influence of the solid/liquid interface on the migration of the NPs in a thermal gradient.

Ce travail de thèse concerne l’étude des propriétés électrochimiques des fibres de nanotubes de carbone (NTC). D’une part, nous nous sommes intéressés à leurs caractéristiques en tant que nouveau capteur analytique. Pour cela, une procédure de fabrication de microélectrodes au comportement stable et reproductible a été mise en place. Puis leur comportement analytique intrinsèque fut caractérisé avant de procéder à des modifications de surface pour les rendre plus sélectives. D’autres part, nous nous sommes intéressés aux propriétés électromécaniques des fibres de NTC, soit leur comportement en tant qu’actionneur électrochimique capable de générer une déformation mécanique en réponse à une injection de charge électrique. Nous avons caractérisé leurs performances en terme de contrainte et déformation mécanique générée. Des voies d’optimisation ont été investies. Enfin, nous montrons l’influence que peut avoir l’alignement des NTC au sein de la fibre sur leur propriétés. Ces premières investigations électrochimiques concernant les fibres de NTC, ouvrent de nombreuses voies d’applications prometteuses vers des systèmes analytiques (capteurs, biocapteurs) mais aussi mécaniques (robots, outils chirurgicaux, muscle artificiel) performants et fiables. / This thesis deals with the study of the electrochemical properties of carbon nanotube (CNT) fibers. On the one hand, we have characterized this material as new analytical sensors. With respect to this, a fabrication procedure to obtain stable and reproducible microelectrodes has been elaborated. Their analytical performance has been characterized with and without surface modification in order to emphasize their selectivity. On the other hand, we have studied the electromechanical properties of CNT fibers in the context of electrochemical actuators that can convert electrical into mechanical . The performances has been characterized in term of generated strain and stress. Possible ways of optimization have been investigated. Finally, we demonstrate the influence of the CNT orientation on the fiber properties. This first study on electrochemical properties of CNT fibers opens various promising applications regarding reliable and efficient analytical tools (sensors, biosensors) and mechanical devices (robots, microchirurgical tools, artificial muscle).