L'objectif de cette thèse est de réaliser des expériences biologiques sur des molécules d'ADN à l'aide de micropinces en technologie silicium. Les techniques de mesures à l'échelle d'une molécule unique dépendent essentiellement d'outils très complexes à mettre en œuvre et à utiliser. Afin de se diriger vers des analyses systématiques et temps réel, la conception et la fabrication des micropinces MEMS ont été réalisées au sein du laboratoire. Les molécules d'ADN sont attrapées directement en solution par diélectrophorèse, puis des réactions biologiques sur l'ADN sont caractérisées en temps réel par le suivi de la résonance mécanique du système. La résolution des mesures permet alors de détecter la raideur mécanique de 30 molécules de lambda-ADN (i.e. 20 mN/m). Etant donné qu'il est compliqué de fabriquer un nouveau microsystème avec une raideur très faible (< 1 N/m), une commande par retour d'état a été développée afin d'émuler un système plus élastique et plus sensible¬ ¬aux variations de paramètres. Il a été démontré par simulations que la sensibilité peut être améliorée par un facteur 10 quand la fréquence de résonance du système en boucle fermée est divisée par 10 (i.e. en réduisant la raideur effective du système). Nous avons démontré par expérience une amélioration jusqu'à un facteur 2. Cependant, les problèmes sont alors d'obtenir stabilité et robustesse aux perturbations et aux défauts du modèle. Par conséquent, avant d'atteindre la résolution d'une seule molécule d'ADN, les problématiques concernant la modélisation du système et la présence de nombreuses dynamiques ont été étudiées et corrigées dans de but d'une meilleure implémentation de la commande.

Cette thèse propose de réaliser des micro/nano-pinces magnétiques articulées dont l'actionnement à distance est obtenu par l'application d'un champ magnétique. Cette idée innovante consiste à relier par l'un de leurs côtés deux microparticules magnétiques parallélépipédiques à l'aide d'une nano-charnière en or flexible. Destinées à des applications biotechnologiques et médicales, ces pinces ont pour finalité de capturer des micro/nano-objets ciblés biochimiquement pour y appliquer et mesurer des forces. Le défi de ce projet était de mener, à partir d'une idée simple, un ensemble d'études à la fois théoriques et technologiques, pour aboutir à une première preuve de concept. Dans ce but, un modèle analytique a d'abord été construit pour prédire le comportement magnéto-mécanique des pinces en fonction de divers paramètres physiques. Ensuite, un procédé de fabrication inspiré des techniques de la microélectronique a été développé pour parvenir à la réalisation d'un prototype de pince fonctionnel. Enfin, l'ouverture par l'action d'un champ magnétique de pinces fixées à un substrat, a pu être démontrée à l'aide d'une expérience originale installée dans un microscope électronique à balayage. Les résultats de ces expériences, en bon accord avec nos prédictions théoriques, ont permis de quantifier le comportement mécanique de la nano-charnière en or. Fixées à un substrat, ces pinces forment un réseau de micro-surfaces réfléchissantes qui trouveront des applications en microfluidique (bio-puces) ou en nano-physique. Libérées en solution, les pinces pourraient être employées de manière originale en micro-manipulation d'objets biologiques ou diagnostic et thérapie cellulaire. / The objective of this thesis was to elaborate magnetic micro/nano-tweezers remotely actuable by the application of a magnetic field. This innovative idea consists in binding two parallelepiped magnetic microparticles by one of their sides with a flexible gold nano-hinge. Intended for biotechnological and medical applications, these tweezers aim at capturing biochemically targeted micro/nano-objects, in order to exert forces on them and perform force measurements. In this project starting from a simple idea, the challenge was to carry out theoretical and technological studies leading to a first proof of concept. To this end, an analytical model was first elaborated to predict the magneto-elastic behavior of the tweezers, depending on various physical parameters. Then, a fabrication process inspired from microelectronic techniques was developed to complete a functional prototype of tweezers. Finally, the remote actuation of such tweezers, kept attached to a substrate, by the application of a magnetic field, was demonstrated using an original experiment set up inside a scanning electron microscope. These experiments yielded results in good agreement with our theoretical predictions and allowed the quantification of the gold nano-hinge elastic behavior. Attached to a substrate, these tweezers constitute an array of reflective micro-surfaces, which can find applications in microfluidics (biochips) or in nano-physics. Released in solution, the tweezers could be used in an original way for biological objects micro-manipulation or cell diagnostic and the

L’objectif de ce travail de thèse est de démontrer pour la première fois la capture, la manipulationet la caractérisation de molécules biologiques grâce à une micropince réaliséeen technologie microsystème. La molécule d’ADN étant, dans un premier temps, la moléculecible, des fibres d’ADN sont capturées grâce à l’immersion de la micropince dansun petit volume inférieur à 1 μL de solution contenant les molécules. Elles sont ensuitecaractérisées mécaniquement et électriquement grâce aux fonctionnalités intégrées sur lamême puce en silicium.Le second volet de ce travail consiste à améliorer les performances du système pouratteindre la résolution d’une seule molécule. En effet dans le but d’étudier les phénomènesd’interactions au niveau moléculaire, il s’avère essentiel d’améliorer le système. Dans cebut précis, une commande par retour d’état de la micropince est étudiée. Elle permetalors de spécifiquement sensibiliser le système aux variations de raideur mécanique dusystème {micropince + molécules d’ADN}.[...] / The main objective of this Ph.D. work is to achieve biological experimentson DNA molecules with versatile silicon nanotweezers. Experiments on single moleculerely mostly on Optical Tweezers, Magnetic Tweezers or Atomic Force Spectroscopy, buthave a low throughput since preparations are done one at a time. To move towardssystematic biological or medical analysis, micro- and nano-systems (MNEMS) are theappropriate tools as they can integrate accurate molecular level engineering tools andcan be cheaply produced with highly parallel process.Design and fabrication of the silicon tweezers are made by ourselves in the lab of Pr.Hiroyuki Fujita (U. of Tokyo, Japan). DNA molecules are firstly trapped in solution bydielectrophoresis. Then biological reactions are characterized in real-time by monitoringthe mechanical resonance of the system {tweezers + DNA bundle}. The resolution of themeasurements allowed the sensing of about 30 of λ-DNA molecule stiffness (i.e. about20 mN/m). To achieve the single molecule resolution, we propose to implement a feedbackstrategy to alter the system.State feedback was developed to emulate a new system more sensitive to mechanicalstiffness parameter detection. As it remains problematic to design and fabricate newmicro mechanical device with extremely low stiffness (< 1 N/m), we propose to emulate acompliant system. By simulations it was demonstrated an enhancement of the sensitivityof about 10 when the resonant frequency of the closed-loop system is designed to be 10times lower than the tweezers resonant frequency (i.e. reducing the stiffness parameterof the system). Experimentally we demonstrated an improvement of the the sensitivityof superior to 2. However the issue is here to obtain stability, robustness with respectto disturbances and unmodeled dynamics. Before to attain the sensitivity of the singlemolecule, problematics about the model of the device or about the several dynamics ofthe device needs to be dealt in order to control and fit the improvement with the theory.