Le domaine de la chimie bioanalytique est en plein développement. Les tendances vers une caractérisation plus précise, une analyse à haut débit et une automatisation accrue offrent la promesse de systèmes capables de fournir des informations plus détaillées sur les systèmes biologiques vivants. Les biofilms sont répandus dans la plupart des écosystèmes. Ils peuvent être formés par la plupart des microorganismes. Les biofilms microbiens sont des communautés multicellulaires de bactéries, adhérant à une surface, entourées d'une substance polymère extracellulaire (EPM). En raison de leur origine naturelle, les biofilms bactériens sont de plus en plus étudiés et utilisés pour des applications en biocatalyse, en auto-guérison et en tant que systèmes pouvant fonctionner efficacement dans des conditions ambiantes. Les principaux facteurs qui contrôlent le développement du biofilm et ses propriétés matures sont les conditions hydrodynamiques appliquées et les concentrations en éléments nutritifs. Les propriétés mécaniques du système EPM peuvent être personnalisées en fonction de son environnement. De plus, l’existence de différents groupes chimiques fonctionnels dans le biofilm permet de piéger des molécules organiques et des ions dissous. Cette thèse porte sur le développement d'une technique permettant une flexibilité et une précision dans la croissance et la détection des biofilms de Pseudomonas sp. Bactérie CT07. Le système analytique est multimodal afin d’obtenir des informations sur les propriétés chimiques et structurelles du biofilm. À cette fin, la microscopie optique et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) à réflexion totale atténuée (ATR) ont été couplées dans un système analytique coordonné avec des canaux microfluidiques pour contrôler les conditions de croissance des biofilms. Pour atteindre cet objectif, un montage ATR-IR fait maison a été développé pour permettre de sonder différents emplacements au-dessus du cristal d'ATR afin d'ajouter une capacité de mesure au système situé à différents emplacements. Les différentes méthodologies développées dans cette thèse peuvent être appliquées à d'autres systèmes complexes à l'avenir. La combinaison de la microfluidique pour un contrôle de flux précis ainsi que des mesures multiplexées dans un microcanal parallèle est la clé pour obtenir des indices importants et statistiquement pertinents sur la croissance des biofilms et sur les méthodes pour les contrôler. / The field of bioanalytical chemistry is currently undergoing rapid development. Trends toward more precise characterization, high-throughput analysis and greater levels of automation collectively offer the promise of systems that can deliver deeper insights into living biological systems. Biofilms are widespread in most ecosystems. They can be formed by most microorganisms. Microbial biofilms are multicellular communities of bacteria, adhering to a surface, surrounded by an extracellular polymeric matrix (EPM). Because they are natural, bacterial biofilms are increasingly being studied and used for applications in biocatalysis, self-healing and as systems that can function effectively under ambient conditions. The main factors controlling biofilm development and its mature properties are the applied hydrodynamic conditions and nutrient concentrations. The mechanical properties of the EPM can be customized based on its environment. Additionally, the existence of different functional chemical groups within biofilm makes it possible to trap organic molecules and dissolved ions. This PhD thesis focus on developing a system-level technique that enables flexibility and precision in the growth and detection of biofilms from Pseudomonas sp. CT07 bacteria. The analytical system is multi-modal, in order to obtain information on biofilm chemical and structure properties. To this end, optical microscopy and attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy have been coupled into one coordinated analytical system with microfluidic channels to control the growth conditions of biofilms. To achieve this goal, a home-built ATR-FTIR stage was developed for probing different locations on top of ATR crystal. The methodologies developed in this thesis can be applied to other complex analytical systems in the future. The combination of microfluidics for precise flow control as well as multiplexed measurements in parallel microchannel is the key to obtaining important and statistically relevant clues to the growth of biofilms and the methods to control them.

Avec l'essor de la microfabrication, il est désormais possible d'imaginer des appareils miniatures qui sont en mesure d'effectuer, à l'échelle microscopique, ce que réalisent les appareils actuels. Or, l'analyse chimique dans ces systèmes peut facilement s'avérer ardue car le volume d'analyte y est très restreint. Ces structures miniatures permettent en contrepartie de manipuler de petites particules, voire des molécules, presqu'individuellement. Il est par conséquent envisageable de pouvoir compter, localiser et identifier des nanoparticules fluorescentes qui seraient, par exemple, le véhicule de détection d'analytes d'intérêt comme de l'ADN dans un système d'analyse chimique microfluidique. Les présents travaux se penchent sur l'analyse de particules fluorescentes confinées au centre d'un canal microfluidique par focus hydrodynamique. L'analyte s'écoule au centre du canal car il est bordé de chaque côté par un flot colinéaire. En ajustant les débits de cette gaine et du flot analyte, il est possible d'aligner les particules au centre du canal. Un système de détection de fluorescence par microscopie confocale modifiée permet de recueillir l'émission de photons et de compter le nombre de particules ayant traversé le volume de détection. De cette façon, on maximise la probabilité de détection car tout l'échantillon est passé au peigne fin. Afin de faire de l'analyse quantitative de particules fluorescentes dans un échantillon, plusieurs paramètres ont été étudiés. Le choix de la configuration microfluidique, la construction du montage optique et la caractérisation de l'appareil ont permis d'analyser des nanoparticules fluorescentes de type ± coeur-coquille ¿ bien particulières. En effet, ces nanoparticules sont recouvertes d'une couche d'or pour tirer profit de l'exaltation de la fluorescence par l'effet plasmon. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent l'utilité du focus hydrodynamique pour l'analyse chimique et sont prometteurs pour étudier différents véhicules de détection.

Nous étudions expérimentalement le transport des bouchons liquides dans les réseaux branchés de microcanaux. Les bouchons liquides sont poussés sous différentes conditions dans un réseau arborescent de microcanaux de largeur croissante ou décroissante avec le numéro de génération. Le motif global d'écoulement peut être symétrique ou asymétrique, avec des bouchons se divisant de manière synchrone ou asynchrone, selon la nature et l'intensité de la force de poussée et la géométrie du réseau. Ce comportement s'explique par des interactions entre bouchons à l'oeuvre au sein d'un élément fondamental du réseau composé de trois bifurcations adjacentes. Quand un unique bouchon est poussé à pression constante, ses descendants atteignent les sorties du réseau uniquement si la pression est supérieure aux seuils du réseau. Les descendants d'un bouchon poussé à débit constant, atteignent toujours les sorties d'un réseau de largeur décroissante, même lorsque le débit est faible. Inversement, dans un réseau à largeur croissante, seuls certains descendants peuvent atteindre les sorties alors que les autres restent bloqués aux bifurcations intermédiaires du réseau. De plus, nous montrons qu'une relation linéaire existe entre la pression et le débit total dans le réseau, dont la validité est vérifiée en présence de bouchons successifs. Dans ce cas, le débit total varie avec la distance initiale entre les bouchons, à pression et longueurs de bouchons fixées. Finalement, des résultats préliminaires sont présentés, concernant la réouverture sous haute pression de réseaux par ruptures des bouchons.

L'objectif principal de cette thèse est consacré à l'étude de la dynamique et la rhéologie d'une suspension de particules denses qui se comportent comme des fluides complexes. La premier partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la déformation, le comportement dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicule (un modèle simple pour les globules rouges) sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille confiné) dans la limite de faible nombre de Reynolds. L'étude basée sur des simulations numériques en utilisant la méthode des intégrales de frontière. Cette étude est inspirée par le comportement des globules rouges dans le système microvasculaire. Notre étude est ensuite consacrée aux effets du confinement et du nombre capillaire sur la forme, le comportement dynamique et la viscosité effective d'une suspension de vésicules. Nous avons montré que pour des membranes rigides (nombre capillaire petit), on peut observer en plus de la forme parachute et pantoufle, les formes suivantes : (i) forme d'oscillation centrée, (ii) forme d'oscillation décentrée et (iii) la forme cacahuète. Egalement, nous avons examiné l'influence du contraste de viscosité sur la dynamique et la rhéologie d'une vésicule. Nous avons montré qu'il existe une phase de "coexistence" entre la forme pantoufle et la forme parachute. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons proposé un modèle analytique et une étude numérique pour étudier les propriétés dynamiques et rhéologiques d'une suspension de particules rigides sous écoulement de Poiseuille confiné. Le débit, la dissipation et la viscosité apparente sont étudiés en fonction de la structure des plaques dans le canal. Egalement, l'étude numérique d'une suspension de particules sphériques (formes des chaînes de particules) est en accord qualitatif avec le modèle analytique qui considère les longues plaques. Cette étude numérique est basée sur une méthode de la dynamique des particules du fluide, où les particules sont représentées par un champ scalaire ayant une viscosité élevée à l'intérieur.

Au cours de ces dernières années, la microfluidique est devenue une technologie attrayante pour la synthèse en écoulement continu de dispersions colloïdales de nanocristaux. Ce procédé permet un contrôle optimal des paramètres de synthèse, offre une très bonne reproductibilité, et la possibilité de transposition à grande échelle. Dans une première partie, nous avons développé des synthèses microfluidiques et écologiques de cristaux ZIF 8, adaptables à une grande échelle de production, avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). La technologie microfluidique permet la synthèse rapide (10 min) de cristaux ZIF-8 avec une large variation de taille de particules (de 300 à 900 nm) simplement en faisant varier les paramètres expérimentaux (débit, température, ...). Les cristaux de ZIF-8 obtenus sont de forme géométrique dodécaèdrique rhombique, de structure cristalline sodalite et leur surface spécifique est d’environ 1700 m2/g. Puis, les propriétés catalytiques des particules ZIF-8 ont été évaluées. Des 3-cyanocoumarines et des cyanoesters α,β-insaturés ont été synthétisés avec des rendements variant de 89 à 95% via la réaction de Knoevenagel utilisant les particules ZIF-8 comme catalyseur hétérogène. Les particules de ZIF-8 peuvent être recyclées au minimum cinq fois. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous avons synthétisé des QDs CdS dopé Mn2+ et Cu+ recouverts d’une coquille ZnS en microréacteur tubulaire avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). Différents paramètres expérimentaux (temps de séjour, température, pH, rapport molaire des précurseurs, concentration et nature des précurseurs, …) ont été évalués afin d’optimiser les propriétés optiques. Les QDs CdS dopé Mn2+ présentent uniquement l’émission de fluorescence liée à la transition 4T1→6A1 et leur rendement quantique de fluorescence est voisin de 10%. L’introduction d’une coquille ZnS en écoulement monophasique permet d’améliorer les propriétés optiques et de réduire les défauts des surfaces des QDs 6%Mn:CdS/ZnS (émission à 590 nm et rendement quantique de 20 %). L’introduction d’une coquille ZnS à la périphérie des QDs Cu:CdS ne permet pas d’améliorer de manière significative le rendement quantique de fluorescence. Dans la dernière partie, la synthèse en microréacteur avec écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane) de QDs ZnS dopé Mn2+ a été développée. Les QDs obtenus possèdent un rendement quantique de 13% s’ils sont préparés en écoulement monophasique / In recent years, microfluidics has become an attractive technology for the continuous flow synthesis of colloidal nanocrystals. This technology allows a good control of the synthesis parameters, a good reproducibility and the possibility of the application on a large scale. In a first part, we have developed continuous and ecological syntheses of the ZIF-8 crystals for the large scale, either with a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). The microfluidic technology allows the fast synthesis (10 min) of ZIF-8 crystals over a wide size range (from ca. 300 to 900 nm) simply by varying the experimental parameters (flow rates, temperature,…). ZIF-8 crystals with the stable rhombic dodecahedron shape, of sodalite structure and with a high specific surface area (ca. 1700 m2.g-1) were obtained. Next, the catalytic properties of ZIF-8 crystals were evaluated. These particles were demonstrated to be an efficient heterogeneous catalyst for the Knoevenagel synthesis of α,β-unsaturated cyanoesters and of 3-cyanocoumarins using 2-hydroxy aromatic aldehydes and ethyl cyanoacetate as starting materials (yields ranging from 89 to 95%). The ZIF-8 particles can be recycled at least five times with negligible changes in catalytic performances. In the second part, we synthesized the Mn2+ or Cu+-doped CdS QDs coated with a ZnS shell in a tubular microreactor using a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). Various experimental parameters (time, temperature, pH, molar ratio, concentration and nature of the starting materials) were evaluated to optimize the optical properties of the dots. The obtained Mn2+ doped CdS QDs exhibited a photoluminescence emission related to the 4T1 → 6A1 transition with quantum yields higher than 10%. The introduction of a ZnS shell with the monophasic flow allows to improve the optical properties and to reduce the surface defects of the 6% Mn:CdS/ZnS QDs (strong emission at 590 nm and quantum yields of ca. 20%). The introduction of a ZnS shell on the surface of Cu doped CdS QDs does not significantly improve the quantum yields. Finally, the synthesis of Mn2+-doped ZnS QDs with monophasic or biphasic flow (water/alkane) was developed. The dots have a photoluminescence quantum yield of 13% if they are prepared in a monophasic water flow

Le développement de méthodes alternatives à la culture in vivo pour l'évaluation de la toxicité des molécules chimiques s'est accéléré ces dernières années, l'objectif étant de limiter l'utilisation d'animaux. Préconisés par l'OCDE (Organisation de coopération et de développement économiques), ces modèles alternatifs visent à mimer les conditions physiologiques en employant des systèmes in vitro ou in silico. Parmi les différents systèmes développés, les biopuces microfluidiques ont prouvé leur contribution à l'amélioration des fonctions cellulaires, ce qui permet des études toxicologiques pertinentes. Les travaux de ce doctorat sont basés sur l'emploi de ces biopuces pour cultiver des hépatocytes (cellules du foie) et portent sur la mise au point d'une méthode d'analyse d'images issues de ces cultures sous microscope au cours du temps. L'acquisition d'images tout au long de l'expérience permet de suivre, après traitement, l'évolution et le comportement des cellules au contact de molécules chimiques et d'évaluer les réponses toxicologiques. Les premiers résultats de ces travaux ont permis l'amélioration du procédé de culture microfluidique adaptée au matériel d'acquisition d'images, la sélection de sondes fluorescentes, et le choix d'un algorithme de traitement des images sur CellProfiler. Cela nous a permis de quantifier et caractériser certaines fonctions biologiques au sein de la biopuce comme l'activité mitochondriale. Le potentiel de cet outil pour évaluer la toxicité de molécule a été testé grâce à l'emploi d'un toxique connu : la staurosporine. Les résultats obtenus ont révélé l'impact de la mise en culture en dynamique sur le comportement des hépatocytes, et la toxicité de la staurosporine visible en biopuce.

Grâce à leurs propriétés physiques/chimiques uniques, les nanoparticules colloïdales sont au cœur de nombreuses applications innovantes. Afin de faciliter leur caractérisation ou de les intégrer dans des dispositifs fonctionnels, il est nécessaire de les assembler de manière dirigée sur des surfaces solides. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre et d’optimiser la technique de nanoxérographie, méthode d’assemblage dirigé où des nanoparticules sont piégées sur des motifs de charges électrostatiques. Après un premier travail consistant à améliorer le procédé de nanoxérographie, trois problématiques spécifiques ont été adressées : (i) l’assemblage de particules micrométriques. Le couplage de simulations numériques et de manipulations expérimentales a permis d’identifier les paramètres clés de l’assemblage de telles particules colloïdales et d’élargir (facteur 100) la gamme de tailles de particules assemblables par nanoxérographie. (ii) l’analyse de l’assemblage multicouche. Par le biais de nanoparticules modèles luminescentes et par la mise en place d’un nouveau protocole d’assemblage, les critères clés génériques pour l’assemblage 3D de colloïdes par nanoxérographie ont été dégagés. (ii) l’assemblage dirigé de nanogels sensibles à un stimulus environnemental extérieur. L’utilisation d’un protocole d’assemblage optimisé a permis d’élaborer des assemblages de nanogels interactifs avec leur environnement et du faire du tri sélectif de ces nanoparticules sur une même surface. / Owing to their unique physico-chemical properties, colloidal nanoparticles are building blocks for the creation of plentiful innovative devices. In order to make easier their characterization and to incorporate them into functional nano-devices, it is necessary to perfectly control their directed assemblies onto solid surfaces. In this context, this thesis’ purpose is to simultaneously better understand and optimize the nanoxerography method, which allows electrostatic and selective directing assemblies of nanoparticles onto charged patterns. After an optimization of the nanoxerography process, three specific problematics have been addressed: (1) micron-sized particles assembly. The combined use of numerical simulations and experiments enabled to unveil the key parameters involved in micron-sized particles assembly and to expend the particle size range foreseeable for an assembly by nanoxerography (factor 100). (2) the 3D assembly analysis. The influence of diverse parameters on the 3D assembly of luminescent model nanoparticles was quantified by using a new assembly protocol. The results gave the generic key criterions for the 3D assembly of colloids by nanoxerography. (3) directed assembly of nanogels sensitive to an external environmental stimulus. The use of an optimized protocol allowed elaborating nanogels assemblies interactive with their environment and to sort these nanoparticles onto the same surface.

Le but de cette étude est de concevoir, fabriquer et caractériser une puce microfluidique afin de mettre en oeuve la capture de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées en vue de la reconnaissance d’anticorps spécifiques (couplage d’une très grande spécificité et sensibilité). Après avoir modélisé et simulé les performances de la microbobine intégrée dans le canal de la puce microfluidique en prenant soin de limiter la température du fluide à 37°C, la capture devant être effective, le microsystème est fabriqué en salle blanche en utilisant des procédés de fabrication collective. La fabrication du microdispositif en PDMS a aussi donné lieu à l’optimisation de procédés de modification de surface afin d’assurer la ré-utilisation du microdispositif (packaging réversible) et la limitation de l’adsorption non spécifique. L’immobilisation des anticorps su les billes (300 nm) a été menée à l’intérieur du canal en utilisant un protocole de type ELISA éprouvé. Le procédé a montré qu’il était également efficient pour cet environnement puisque nous avons pu mettre ne évidence la capture de nanoparticules / In this study, a concept of microfluidic chip with embedded planar coils is designed and fabricated for the aim of trapping effectively functionalized magnetic nanobeads and immobilizing antibody (IgG type). The planar coils as a heart of microfluidic chip is designed with criterion parameters which are optimized from simulation parameters of the maximum magnetic field, low power consumption and high power efficiency by FE method. The characterization of microcoils such as effectively nanobeads (300 nm) at low temperature (<37oC) is performed and confirmed. The channel network in PDMS material is designed for matching with entire process (including mixing and trapping beads) in microfluidic chip. A process of PDMS’s surface modification is also carried out in the assemble step of chip in order to limit the non-specific adsorption of many bio substances on PDMS surface. The microfluidic chip assemble is performed by using some developed techniques of reversible packaging PDMS microfluidic chip (such as stamping technique, using non-adhesive layer, oxygen plasma combining with solvent treatment). These packaging methods are important to reused microchip (specially the bottom substrate) in many times. The immobilization of antibody IgG-type is performed inside microfluidic chip following the standard protocol of bead-based ELISA in micro test tube. The result showed that IgG antibodies are well grafted on the surface of carboxyl-beads (comparing to result of standard protocol); these grafted antibodies are confirmed by coupling them with labeled second antibody (Fab-FITC conjugation).

Cette thèse porte sur deux aspects complémentaires, le développement et l’implémentation de nouvelles approches de cristallisation et de cristallographie sérielle ainsi que leur mise en œuvre dans l’étude structurale de complexes enzymes : ARNt. La cristallographie est la méthode la plus employée en biologie structurale, mais elle présente encore des points délicats. Plusieurs méthodes avancées ont été déployées dans ce travail pour y pallier qui ont conduit à la résolution de la structure de l’ARNt nucléotidyltransférase du psychrophile Planococcus halocryophilus et à l’étude de son adaptation structurale au froid ; des puces microfluidiques de cristallisation qui ont servi à la résolution de plusieurs structures à température ambiante par cristallographie sérielle ; enfin le Xtal Controller utilisé pour l’étude d’évènements de nucléation et de croissance cristalline dans un but de préparation d’échantillons pour analyse sous rayonnement XFEL. Entre autres systèmes biologiques, cette thèse présente la caractérisation de deux familles d’inhibiteurs visant les aspartyl-ARNt synthétases, notamment du pathogène Pseudomonas aeruginosa. / This thesis focuses on two complementary aspects, the development and implementation of new approaches of crystallization and of serial crystallography as well as their use in the structural study of enzymes/tRNA complexes. Crystallography is the most used method in structural biology, but it presents delicate points. Different methods were implemented in this work to overcome these points, which led to the resolution of the structure of the CCA-adding enzyme of the psychrophilic organism Planococcus halocryophilus and to the study of its structural adaptation to the cold; novel microfluidic crystallization chips that have been used for the resolution of several structures by serial crystallography at room-temperature; finally the Xtal Controller used for the study of nucleation and crystal growth events with the purpose of preparing samples for analysis under XFEL radiation. Among other biological systems, this thesis presents the study and characterization of two families of inhibitors targeting aspartyl-tRNA synthetases, including the one of the pathogenic organism Pseudomonas aeruginosa.