Ce travail s’inscrit dans le contexte du développement d’outils microfluidiques intégrables pour un laboratoire sur puce. L’objectif est de pourvoir opérer des mesures impédancemétriques locales sur des cellules vivantes isolées. Pour cela, deux opérations sont à mener : 1) Isoler et immobiliser une cellule unique et 2) réaliser une nano-sonde pour la mesure sur la cellule. La première opération peut s’opérer à l’aide d’outils microfluidiques. La seconde à l’aide des outils de réalisation microtechnologiques.Nous présentons tout d’abord dans ce manuscrit une étude théorique et expérimentale de l’hystérésis de l’angle de contact apparent d’une goutte sur une surface microtexturée par photolithographie. Nous introduisons une solution innovante et simple consistant en une résolution géométrique, avec une ligne tangente. Nous étudions ensuite le comportement d’une microgoutte s’évaporant sur différentes surfaces texturées par photolithographie. La compréhension des mécanismes physiques ainsi acquise permet de concevoir des outils passifs de manipulation et de positionnement de particules de la taille d’une cellule biologique (entre 10 et 20 µm de diamètre) en suspension dans la goutte. Enfin, nous présentons la réalisation d’un capteur couplé à l’outil de manipulation constituant un dispositif complet de placement et de caractérisation électrique de particules micrométriques. / This work is in the context of the development of microfluidic tools for integration into lab-on-chip systems. The aim is to perform local impedance measurements on biological single cells. For this, two main operations have to be studied: 1) Isolate and trap a single cell, and 2) realise a nano probe for the cell measurement. The first operation can be performed with microfluidic tools. The second operation can be performed with microtechnology tools. We first present a theoretical and applied study of the apparent contact angle hysteresis of a droplet on a surface microtextured with photolithography. We introduce an innovating and simple geometric approach that involves a tangent line solution. Next, we study the behaviour of a droplet evaporating on various surfaces microtextured with photolithography. An understanding of the physical mechanisms leads to the conception of passive tools that allows manipulation and positioning of microparticles of a cell size (between 10 and 20 µm diameter) in suspension in a droplet. Finally, we present the fabrication of a sensor enclosed with the manipulation tool, which forms a finished device for microparticles placement and electrical characterisation.

Dans cette thèse, des réseaux de nano- et micro-capteurs électrochimiques et opto-électrochimiques sont fabriqués en utilisant la technique de microfabrication « template synthesis ». Dans une première partie, des ensembles de nanoélectrodes (NEEs) sont utilisés comme plate-forme pour obtenir un biocapteur. Les NEEs sont préparés par déposition d’or dans une membrane poreuse en polycarbonate. L’originalité de notre approche a été de modifier la membrane de polycarbonate entourant les NEEs et non les NEEs elles-mêmes. La peroxydase de raifort (HRP) qui est fixée sur un anticorps secondaire a servi comme marqueur. Cette enzyme catalyse la réduction de H2O2 qui est ajouté en solution. En utilisant un système de détection dérivé de l'approche ELISA (Enzyme- Linked Immuno-Sorbants Assay), le récepteur de la protéine HER2 a été pris comme analyte cible. Il s’agit d’une protéine très importante puisqu’elle permet de dépister le cancer du sein. Dans une seconde partie, un réseau ordonné de sondes opto-électrochimiques est développé sur la face distale d’un faisceau de fibres optiques qui a été attaquée sélectivement par voie humide. Une structure macroporeuse est fabriquée en utilisant un cristal colloïdal comme « template ». L’or est ensuite déposé dans les interstices avant de dissoudre les nanoparticules de latex formant le cristal colloïdal. Ce réseau de microcavités macroporeuses a été testé avec succès comme substrat pour des mesures de Raman exalté de surface (SERS). / In this thesis, arrays of nano- and microelectrodes are developed to obtain electrochemical and optoelectrochemical sensors, by using the template synthesis as a microfabrication technique. In the first part, ensembles of nanoelectrodes (NEEs), obtained using a track-etched polycarbonate membrane as template, are functionalised in order to obtain electrochemical immunosensors. A biorecognition chain, antigen-antibody, is immobilized on the wide polycarbonate membrane letting uncovered the gold nanodisk electrodes. A label redox enzyme, linked to the biorecognition chain, is recognized and quantified electrochemically. Two different detection schemes are developed and low protein detection limits are achieved. In the second part, a macroporous micrometer sized opto-electrochemical sensor is developed on the distal face of an imaging fiber (coherent optical fiber bundle). A microwell array is obtained by controlled chemical etching, by exploiting the different chemical composition between cores and clads. Colloidal templates are created inside the microcavities, using polystirene beads of 280 nm. Gold is deposited inside the cavities, filling the void in the colloidal template, exploiting electroless and electrochemical deposition techniques. The gold macroporous structure inside the wells is successfully tested as SERS substrate.

Des réseaux aléatoires de nanoélectrodes ont été utilisés comme plateformes analytiques pour développer de nouveaux biocapteurs enzymatiques ou d’affinité. Dans ce travail de thèse, il s’est agi de préparer un biocapteur à glucose miniaturisé et des immunocapteurs électrochimiques et électrochimiluminescents (ECL) pour le diagnostic de la maladie de coeliaque. Dans un premier temps, un biocapteur enzymatique de seconde génération a été développé en exploitant les propriétés de réseaux aléatoires de nanoélectrodes. Ces réseaux ont été préparés par dépôt d’or au niveau de membranes "track-etched" de polycarbonate. Le capteur à glucose a été obtenu en immobilisant la glucose oxydase sur la surface de polycarbonate non-conductrice alors que les nanoélectrodes d’or sont exploitées comme transducteur. Le cation (ferrocènylmethyl)triméthylammonium a servi comme médiateur redox dans cette configuration expérimentale qui a conduit à une limite de détection de 36 μM pour le glucose.Dans un second temps, ce travail a porté sur l’élaboration d’outils de diagnostic pour la maladie de coeliaque. C’est une maladie auto-immune qui induit une concentration anormalement élevée de l’anticorps anti-transglutaminase (anti-tTg) dans le sang. Cette molécule anti-tTG est un biomarqueur adapté pour le diagnostic de cette pathologie. Les techniques de diagnostic actuelles souffrent d’une spécificité et d’une sensibilité insuffisantes. Pour améliorer ces aspects analytiques, deux types d’immunocapteurs ont été développés. Ils différent par la nature du signal, soit électrochimique soit ECL. La première étape commune est l’immobilisation, à la surface du polycarbonate entourant les nanoélectrodes, de la protéine tTG qui permet de capturer l’anticorps anti-tTg. Pour la détection électrochimique, un anticorps secondaire marqué par la peroxydase du raifort peut réagir avec un méditeur redox tel que l’hydroquinone et ainsi induire un signal électrochimique au niveau des nanoélectrodes. Pour le capteur ECL, la capture de l’anticorps cible anti-tTG permet de fixer ensuite un anticorps secondaire biotinylé qui se lie avec le luminophore, Ru(bpy)3+2, modifié par une streptavidine. L’imposition d’un potentiel suffisamment anodique au niveau des nanoélectrodes oxyde le co-réactif, la tri-n-propylamine, et génère ainsi des flux importants de radicaux qui diffusent et induisent l’émission ECL en réagissant avec le luminophore immobilisé. Cela conduit à une limite de détection de 0,5 ng.mL-1 qui est inférieure à celle obtenue par la voie électrochimique. Les 2 immunocapteurs ont été appliqués à l’analyse d’échantillons de sérum sanguins de patients et cela a permis de discriminer les échantillons des patients sains de ceux atteints de cette pathologie. / Nanoelectrode ensembles (NEES) are prepared, functionalized and tested to prepare enzymatic and affinity sensors suitable for advanced molecular diagnostics purposes, namely the development of a miniaturized glucose biosensor and the preparation of novel electrochemical and electrochemiluminescence immunosensors for celiac disease diagnostics.For the first goal, a second generation enzymatic microbiosensor was developed exploiting the properties of NEEs prepared by electroless gold deposition in track-etched polycarbonate (PC) membrane. The micro-NEE glucose biosensor (overall radius of 400 μm) was obtained by immobilizing glucose oxidase (GOx) on the nonconductive PC component of the NEE, while the Au nanoelectrodes were used exclusively as transducers. The (Ferrocenylmethyl)trimethylammonium cation (FA+) was used as the redox mediator. The proposed biosensor showed outstanding analytical performances with a detection limit of 36 μM for glucose.The second goal concerns celiac disease (CD) diagnostics. CD is an auto-immune disorder which reflects in abnormally high blood levels of the anti-tissue transglutaminase (anti-tTG) antibody, suitable as biomarker for CD diagnosis. Existing diagnostic techniques lack the desired level of sensitivity and specificity so that a confirmatory biopsy test is required. To overcome this limit, in this work electrochemical (EC) and electrogenerated chemiluminescence (ECL) immunosensors are proposed and studied. The two kinds of sensor employ the same biorecognition platform, based on tTG as biorecognition layer and NEEs as electrochemical transducers. EC and ECL sensors differ by the label used to develop the detection signal. By exploiting the high affinity of PC for proteins, the capture agent tTG is at first immobilized on the PC of the NEEs obtaining a tTG-NEEs which captures anti-tTG. For EC detection, the label is a secondary Ab labeled with horseradish peroxidase, using hydroquinone as redox mediator to generate the detection signal. For ECL, the sensor, after capturing anti-tTG, is reacted with a biotinylated secondary antibody to bind streptavidinatede Ru(bpy)3+2 luminophore. Application of an oxidizing potential in tripropylamine (TPrA) solution generates an intense ECL suitable for the sensitive ECL detection of anti-TG. Note that TPrA acts as redox mediator and ECL co-reactant. Both EC and ECL sensors are applied to human serum samples, showing to be suitable to discriminate between healthy and celiac patients. A comparison between the two approaches indicates that the lowest detection limit, namely 0.5 ng mL-1 of anti-TG, is achieved with the ECL immunosensor.

La chimiluminescence électrogénérée (ECL) est une technique analytique puissante exploitée pour la détection autant au niveau industriel que dans le domaine de la recherche scientifique ou du diagnostic clinique. La sensibilité élevée et la bonne sélectivité de cette technique font de l'ECL une méthode analytique de choix pour un large éventail d'applications, dont la plus importante est son utilisation commerciale dans un grand nombre de tests immunologiques à base de billes fonctionnalisées. Dans cette thèse, nous avons cherché à étudier le phénomène ECL et son application pour le développement de nouvelles techniques analytiques.Dans la première partie de ce travail, nous utilisons les techniques d'imagerie pour étudier les mécanismes ECL se produisant sur les billes utilisées pour les tests immunologiques. La cartographie de la réactivité au niveau d'une seule microparticule fonctionnalisée avec un complexe de ruthénium fournit une nouvelle stratégie visant à tester l'efficacité du co-réactif et montre des effets optiques associés de focalisation.Dans la deuxième partie, la conception d'un test immunologique pour la détection de l'anti-transglutaminase pour le diagnostic de la maladie coeliaque est présentée en utilisant des ensembles de nanoélectrodes comme plates-formes bioélectroanalytiques. Nous avons également étudié les caractéristiques de l'ECL générée par des réseaux de nanoélectrodes dopées au bore-diamant en tant que matériaux prometteurs pour des applications biologiques ainsi que l'efficacité ECL de deux co-réactifs sur ces réseaux.L'électrochimie bipolaire est un processus sans contact que nous avons exploité pour contrôler le mouvement d'objets conducteurs exposés à un champ électrique en l'absence de contact ohmique direct. Dans la troisième partie de ma thèse, nous présentons l'ECL couplée à l'électrochimie bipolaire pour le suivi d’objets autonomes luminescents. Nous avons élargi ce concept à la détection enzymatique dynamique de glucose en utilisant l'émission de lumière ECL comme signal analytique. / Electrogenerated chemiluminescence (ECL) is a powerful analytical technique exploited for clinical, industrial and research applications. The high sensitivity and good selectivity, makes ECL a tool-of-choice analytical method for a broad range of assays, most importantly for a large number of commercialized bead-based immunoassays. In the present thesis, we aimed to study the ECL phenomenon and its application in development of new analytical methods.In the first part of this work, we used an imaging technique to investigate the ECL mechanisms operating in bead-based assays. Spatial reactivity mapping at the level of a single functionalised bead provides a new strategy to test the co-reactant efficiency and shows associated optical focusing effects.In the second part, the design of a novel anti-transglutaminase ECL immunoassay for celiac disease diagnostic is shown using nanoelectrode ensembles as bioelectroanalytical platforms. We also studied the characteristics of ECL generated by arrays of boron-doped-diamond nanoelectrodes (BDD NEAs) as a promising materials for bioapplications. The ECL efficiency of two co-reactants at BDD NEAs was investigated.Finally, bipolar electrochemistry is a ‘‘wireless’’ process that was exploited for the controlled motion of conductive objects exposed to an electric field in the absence of direct ohmic contact. In the third part of the thesis, we report ECL coupled to bipolar electrochemistry for tracking the autonomous trajectories of swimmers by light emission. We further expanded this concept for dynamic enzymatic sensing of glucose concentration gradient using ECL light emission as an analytical readout.

La structuration et la fonctionnalisation de réseaux de fibres optiques ont été utilisées afin de réaliser différents capteurs électrochimiques et luminescents. Ce type de support permet de concevoir des capteurs capables de détecter à distance dans un milieu confiné, difficilement accessible ou dangereux. Deux capteurs pour la détection du mercure cationique (Hg2+) sont décrits dans cette thèse. Le premier utilise un dérivé de la rhodamine, qui est lié de façon covalente à la surface en verre du réseau, par silanisation. Le signal fluorescent de cette sonde est augmenté en présence de mercure ce qui permet de le quantifier. Le second capteur combine l’électrochimie sur ces réseaux de fibres optiques, grâce à une fine couche conductrice déposée à sa surface. Le réseau est ensuite modifié avec un complexe de Ruthénium(II), qui peut être électropolymérisé par l’intermédiaire de la fonction cyclopentadithiophène (CPDT). La détection du mercure est alors réalisée par électrochimiluminescence (ECL), qui est collectée à distance, grâce aux propriétés électro-modulables du film polymère. Les réseaux de fibres optiques nanostructurés ont également été utilisés pour la réalisation d’une sonde SECM, présentant un réseau dense de nanoélectrodes collectives. La réalisation d’un tel outil utilise le positionnement basé sur les forces de cisaillement et peut être utilisé pour la structuration de surfaces conductrices ou isolantes par SECM. / The structuration and the functionalisation of optical fiber bundles have been used to design different optical and electrochemical sensors. The use of these tools allows the realisation of sensors for remote detection in a confined environment, which may be dangerous or not easily accessible. Two sensors for the detection of inorganic mercury (Hg2+) are described in this thesis. The first sensor uses a rhodamine derivative, which is covalently functionalized on the surface of the glass optical fibers by silanisation. The fluorescent signal of this probe increases in presence of mercury, which allows its quantification. The second sensor uses the combination of electrochemistry on the optical fiber bundle, thanks to a thin conductive layer deposited on its surface. The bundle is then modified by electropolymerisation of a Ruthenium (II) complex through the cyclopentadithiophene (CPDT) moiety. The detection of mercury is then realised by elecrogenerated chemiluminescence (ECL), which is collected through the optical fiber bundle, thanks to the optical properties of the polymer film. The nanostructured array of optical fibers has also been used to create a new SECM probe composed of a dense nanoelectrode array. Such a tool is obtained through Shearforce positioning and can be used for the structuration of conductive or insulating surfaces by SECM.

La structuration et la fonctionnalisation de réseaux de fibres optiques ont été utilisées afin de réaliser différents capteurs électrochimiques et luminescents. Ce type de support permet de concevoir des capteurs capables de détecter à distance dans un milieu confiné, difficilement accessible ou dangereux. Deux capteurs pour la détection du mercure cationique (Hg2+) sont décrits dans cette thèse. Le premier utilise un dérivé de la rhodamine, qui est lié de façon covalente à la surface en verre du réseau, par silanisation. Le signal fluorescent de cette sonde est augmenté en présence de mercure ce qui permet de le quantifier. Le second capteur combine l'électrochimie sur ces réseaux de fibres optiques, grâce à une fine couche conductrice déposée à sa surface. Le réseau est ensuite modifié avec un complexe de Ruthénium(II), qui peut être électropolymérisé par l'intermédiaire de la fonction cyclopentadithiophène (CPDT). La détection du mercure est alors réalisée par électrochimiluminescence (ECL), qui est collectée à distance, grâce aux propriétés électro-modulables du film polymère. Les réseaux de fibres optiques nanostructurés ont également été utilisés pour la réalisation d'une sonde SECM, présentant un réseau dense de nanoélectrodes collectives. La réalisation d'un tel outil utilise le positionnement basé sur les forces de cisaillement et peut être utilisé pour la structuration de surfaces conductrices ou isolantes par SECM.