La détection d'espèces (bio)chimiques à de très faibles concentrations représente un enjeu croissant dans les domaines de la santé, de l’environnement et de la défense. Un microrésonateur optique en polymère, sans marqueurs fluorescents, associé à un canal microfluidique, forme un capteur optofluidique, ce qui permet la détection d'analytes par interaction entre un champ évanescent à la surface du microrésonateur et la solution contenant l’espèce à étudier. Cette thèse présente la conception et la réalisation de capteurs optofluidiques à base de microrésonateurs optiques et de circuits microfluidiques en polymères, pour une très faible limite de détection et un temps de réponse rapide. De très bons résultats ont été obtenus en termes de limite de détection de polluants de type ions lourds dans l'eau, en abordant le problème sous différents angles : conception et réalisation de circuits optiques et microfluidiques, optimisation de l’interrogation optique du capteur par l’élaboration d’une méthodologie de mesure rapide et précise et un traitement du signal adéquat, étude des propriétés physico-chimiques des surfaces polymères, mise au point d’une instrumentation adaptée. Le capteur a permis la détection d'ions cadmium, ions hautement toxiques, jusqu'à une décision limite de détection de 50 pmol/L dans l'eau déionisée et 500 pmol/L dans l'eau du robinet grâce à un greffage sur la surface du microrésonateur de 2,2’- ((4-Amino-1,2-Phénylène) Bis (Carboxylatoazanédyil)) Diacétate. Une étude de régénération de la surface fonctionnalisée des microrésonateurs pour la détection d’ions cadmium a été réalisée et ce capteur a pu être régénéré pour plus de soixante mesures consécutives. D’autre part, l'analyse simultanée de deux polarisations orthogonales entre elles TE et TM de la réponse optique du capteur permet d’optimiser la sensibilité de mesure. Une étude de mesure différentielle consistant à comparer simultanément les mesures sur deux microrésonateurs identiques placés dans les même conditions physiques, l’un jouant le rôle de référence et l’autre étant un capteur spécifique, a permis de s’affranchir des différentes perturbations externes (pression, température, attachements non spécifiques). Ces instruments « multi-capteurs » sont également essentiels pour une compréhension détaillée des mécanismes de réactions de surface, une évaluation de l'efficacité d'accrochage de différents protocoles de fonctionnalisation et des mesures en multiplexage. / High sensitivity biochemical sensing is a concern for health, environment and defense. Thanks to the interaction between an analyte and an evanescent field at their surface, label-free polymer microring resonators, in association with a microfluidic channel, form an optofluidic sensor that can be used for biosensing. This thesis shows the realization of versatile optofluidic sensors based on polymer microring resonators combining a high detection limit with a short response time. High limit of detection of heavy ions in tap water was obtained after a careful optimization of the optical and microfluidic designs, signal processing, methodology of detection, surface chemistry and instrumentation. By functionalizing the resonator surface with 2,2’-((4Amino-1,2- Phenylene)Bis(Carboxylatoazanedyil))Diacetate, we obtained a limit of detection of 50 pmol/L in deionized water and 500 pmol/L in tap water. It should be stressed that the functionalized surface of the resonator was regenerated more than 60 times, enabling several sensing experiments with the same resonator. Besides, we were able to optimize the measurement sensitivity by an analysis of the orthogonal polarizations TE and TM from the sensor optical response. The simultaneous use of at least two microresonators in parallel (providing a reference signal and allowing multiplexing) enabled us to improve measurement accuracy and to compensate the signal from various external perturbations such as pressure, temperature and non-specific bindings. These “multi-sensors” are essential for (i) an in-depth understanding of surface reaction mechanism, (ii) an evaluation of the binding efficiency of different functionalization protocols and (iii) a high throughput characterization tool for multiple detections of pollutants.

La détection sensible et sélective des métaux lourds, en particulier les métaux detransition, est d’une grande importance pour la santé publique ainsi que pour la surveillancede l’environnement. Les méthodes actuelles de référence, de par leur non portabilité, limitentla possibilité de disposer de mesures à haute résolution spatiale et temporelle. Lesmicrocapteurs optiques offrent un moyen attrayant et pratique pour surmonter ces limitationsde coût global et de temps d’analyse, en permettant la mesure en temps réel sur site.Pour démontrer ce potentiel, ces travaux de thèse sont orientés sur la détermination duchrome hexavalent Cr(VI) en solution à l’aide d’une réaction colorimétrique avec le 1,5-diphénylcarbazide (DPC), permettant de créer un complexe présentant un maximumd’absorption dans le domaine du visible. Ces travaux s’inscrivent dans la volonté dedévelopper un véritable laboratoire sur puce, intégrant la fonction fluidique parélectromouillage sur diélectrique pour créer la réaction colorimétrique, ainsi que la fonctionde mesure par intégration d’un capteur optique dédié à la mesure d’absorption dans desmicrovolumes (< μL). Pour la mesure d'absorption sur de si faibles volumes, l'utilisation demicrorésonateurs vise à augmenter de façon importante le chemin optique effectif et ainsi lasensibilité du capteur.Nous décrivons nos travaux sur la conception, la fabrication de la plateformemicrofluidique digitale ainsi que du résonateur optique en anneaux à des dimensionssubmicroniques par photolithographie par projection. Les matériaux polymères sontprivilégiés pour une intégration totale bas coût à terme, ainsi qu’un substrat verre, dont lespropriétés sont particulièrement adaptées aux applications optiques dans le domaine duvisible. / The selective and sensitive detection of heavy metals, such as transition metals, is ofparamount importance for health and safety an environmental monitoring. Current referencemethods, due to their lack of portability, are limiting factors to obtain high-resolution spatialand temporal data. Optical sensors offer an attractive and convenient way to overcome theselimitations of cost and time per analysis by offering real time, on-site measurementcapabilities.In order to demonstrate this potential, this thesis is focused on the detection and quantificationof hexavalent chromium Cr(VI) in water samples by a colorimetric reaction based on areaction with the 1,5-diphenylcarbazide (DPC), that produces a complex possessing anabsorption maximum in the visible range. This works endorse the goal of creating a true labon-chip, integrating both the fluidic function based on ElectroWetting on Dielectric (EWOD)to create the colorimetric reaction, and the sensing function based on the integration of anoptical sensor able to measure absorption variations in micro-volumes (< μL). In order toobtain sufficient sensitivity on such small volumes, optical microring resonators are used inthis work, due to their ability to enhance the effective optical path length by constructiveinterferences.This thesis describes the conception and fabrication of the EWOD microfluidic platform, aswell as the conception, simulation and fabrication of submicronic microring resonators usingstepper lithography. Polymer materials and glass substrates are selected, due to their greatoptical properties in the visible range, their compatibility with the EWOD platform, and theirintegrability at a reasonable cost.