Détection et quantification de bactéries à faible taux par SPRi Résumé: Le protocole standard pour le diagnostic des bactéries dans le domaine médical et agro-alimentaire reste la culture microbienne, qui prend plusieurs jours pour identifier l'agent pathogène. Cependant, ces temps de latence ne sont pas compatibles avec l'urgence d'analyser rapidement la présence de bactéries pathogènes. Il ya un besoin croissant de vouloir développer de nouveaux outils pour identifier les bactéries pathogènes en un temps plus court. Afin atteindre cet objectif, la technologie de l'imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRi) a été utilisée avec succès pour la détection spécifique durant leur croissance des populations bactériennes en utilisant des protéines et/ou des anticorps comme molécule de bio reconnaissance des surfaces bactériennes. Ainsi, la détection spécifique de un à plusieurs milliers de pathogènes/ml peut être réalisé en quelques heures seulement. Dans le présent travail, plusieurs souches bactériennes ont été utilisées comme modèle : Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12 ; ainsi que des agents pathogènes réels (Salmonella enteritidis) apportant la preuve que cette méthode peut être élargie à d'autres souches. Les résultats peuvent être quantitatifs par l'établissement d'une courbe d'étalonnage, permettant ainsi de remonter à la concentration initiale d'un échantillon contaminé. La stratégie développée au cours de ce travail se base sur le couplage simultané de la culture bactérienne et de la détection/identification spécifique, en utilisant l'imagerie SPR. Mots clés en français : Imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, croissance bactérienne, interactions, détection, capture, diagnostic, agro-alimentaire, pathogènes. / Low Level Bacteria Detection and Quantification using SPRi Abstract: The standard protocol for bacterial diagnosis in the medical and agronomic fields remains microbial culture, which takes several days to identify the pathogen. However, these time lags are not compatible with the urgency to rapidly analyse the presence of pathogenic bacteria. There is a strong need to develop new tools for identifying pathogenic bacteria in a shorter time. To achieve this goal, Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) technology has been successfully used for the specific detection of bacterial populations during their growth, using proteins and/or antibodies as bio-recognition molecules targeting bacterial surfaces. Thus, the specific detection of one to thousand pathogens/ml could be achieved within few hours. Several bacterial strains were used as models in this work: Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12, as well as a real pathogen (Salmonella enteritidis) providing the proof that this method can be enlarged to other strains. The results can be quantitative by establishing a calibration curve, allowing extrapolation of the initial concentration of a contaminated sample. The strategy developed in this work, is based on the simultaneous coupling of the bacterial enrichment with the specific detection and identification, using the SPR imaging technique. Mots clés en anglais : Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, bacterial growth, interactions, detection, capture, diagnosis, agri-food, pathogens.

Synthèse et utilisation de mimes de quadruplexes contraints pour l'évaluation de ligands II est maintenant bien connu que l'ADN simple brin peut s'associer sous différentes conformations telles que la double hélice, les triplexes, les i-motifs ou bien encore les G-quadruplexes. Ces dernières années les structures de type quadruplexes (G-quadruplexes et i-motif) ont suscité un certain intérêt notamment pour leur implications au niveau cellulaire (maintenance des télomères, activation de gènes…). C'est pourquoi de nombreuses équipes travaillent sur le développement de ligands affins pour ces structures qui pourraient agir en tant qu'anticancéreux. Cependant, le fait que les quadruplexes présentent un polymorphisme important(variabilité du nombre de brins dans la structure, des différents types de boucles et de l'orientation des brins) rend la compréhension des interactions entre un ligand et le quadruplexe plus difficile. Dans ce contexte, l'équipe développe un nouveau concept, « Template Assisted Synthesis of Quadruplexes » (TASQ) dont le but est d'obtenir un quadruplexe ne présentant qu'une topologie de façon contrôlée afin de permettre des études plus précises sur la façon dont un ligand pourrait interagir avec les quadruplexes. La première partie de ce manuscrit reporte l'évaluation par résonnance plasmonique de surface de complexes métalliques en tant que ligands de G-quadruplexe. Ces études reposent sur l'utilisation d'un premier mime de G-quadruplexe parallèle sur lequel deux séries de complexes sont testées : des métalloporphyrines et des ligands de type salphen. La seconde partie du manuscrit décrit la synthèse de mimes de G-quadruplexes antiparallèle. Elle repose sur l'utilisation du gabarit peptidique qui relié aux séquences spécifiques d'oligonucléotides de façon adéquat contraint la structure. Pour se faire, deux réactions chimiosélectives ont été utilisées : la cycloaddition 1,3 dipolaire de Huisgen et la ligation oxime. Les travaux reportés concernent trois types de structure mimant un i-motifs, des G-quadruplexes tétramoléculaires ou bimoléculaires. / Synthesis and use of constrained quadruplexe mimic for the ligand evaluation It has now been shown that single stranded DNA can fold into hairpin, triplex, i-motif and G-quadruplexe structures containing non canonical base pairing. In particular quadruplex structures (G-quadruplexes and i-motif) have generated interest because the formation is considered to have important consequences at the cellular level (telomere maintenance, oncogene activation…). Therefore, the design of small molecules (ligands) targeting quadruplexes is under development, in particular to obtain anticancerous molecules. Nevertheless G-quadruplexes exhibit a wide structural polymorphism (different kind of loop, strand orientation, number of strands) making investigation of ligand tricky. In this context, we have developed a new concept called 'Template Assisted Synthesis of Quadruplex' (TASQ) with aim to constrain the G-quadruplex in a single conformation which enables the study of the interactions of ligand more specifically for a single topology. In the first part of this manuscript, we describe studies by using surface plasmon resonance (SPR) of metal complexes as G-quadruplex ligands. The investigation was performed using a first parallel G-quadruplex as model to interact with two kinds of metal complexes: metalloporphyrins and salphen. The second part of the manuscript reports the work concerning the synthesis of antiparallel quadruplexes. The strategy is based on the use of a peptide scaffold in which the suitable oligonucleotide sequences are anchored with specific orientation. For this purpose two compatible chemistries are used (1,3 dipolar Huisgen cycloaddition and oxime ligation). Three kinds of antiparallel quadruplexe mimics have been investigated: i-motif, tetramolecular G-quadruplexes and loop-constrained G-quadruplexes.

Cette thèse présente la conception et la mise en œuvre d'un imageur CMOS pour être utilisé dans biocapteurs intégrés basés sur Résonance Plasmonique de Surface (SPR). Tout d'abord, les conditions optimales pour la résonance plasmon dans une interface compatible CMOS / post-CMOS sont obtenus par modélisation avec COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS de Colonne Actif (CMOS-ACS) du 32x32 pixels est mis en œuvre sur une technologie CMOS 0,35 um. Dans une interface d'or-eau avec une excitation de prisme, on constate que pour les prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage optimal avec le plasmon est obtenu pour des films d'or d'une épaisseur de 50 et 45 nm, respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l'énergie de la lumière incidente est transférée à le surface plasmon pour les deux prismes respectivement, à condition que la lumière incidente, avec une longueur d'onde de 633 nm, arrive avec un angle d'incidence de 68,45° et 79,05° respectivement. Il est également obtenu qu'un changement de RIU 10-4 de l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01 ° dans l'angle de résonance de plasmons qui, dans un schéma de modulation d'intensité de lumière produit une variation de 0,08% dans la lumière réfléchie au photodétecteur. En ce qui concerne le imageur CMOS, une photodiode n-well/p-substrate est choisi comme l'élément de photodétection, en raison de sa faible capacité de jonction, ce qui conduit à un rendement élevé et le gain de conversion élevé comparativement à une photodiode n-diff/p-substrate. Des simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco produit une capacité de jonction de 31 FF et 135 fF respectivement. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et présente un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de capteur de colonne actif (ACS) pour réduire le bruit à motif fixe (Fixed Pattern Noise ou FPN en anglais) liée au le Capteur à Pixels Actif (APS) traditionnelle. En outre, Non-Corrélés Echantillonnage Double (Non-Correlated Double Sampling ou NCDS en anglais) et Delta double échantillonnage (DDS) sont utilisés comme techniques de réduction du bruit. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, et nous avons obtenu un gain en conversion de 7,3 uV/e-, une capacité de jonction de la photodiode de 22 fF, un bruit de lecture de 324,5 uV, ce qui équivaut à 45 électrons, et une gamme dynamique de 50,5 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observées dans le niveau faible de FPN du pixel et de la colonne, avec une valeur de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers l'objectif de développer une plateforme entièrement intégrée SPR pour biocapteurs, incorporant source de lumière, l'interface SPR, canal microfluidique, les éléments d'optique et imageur CMOS. / This dissertation presents the design and implementation of a CMOS imager for use in integrated biosensors based on Surface Plasmon Resonance. First, the optimal conditions for plasmon resonance in a CMOS/Post-CMOS compatible interface are obtained by COMSOL modelling. Second, a 32x32-pixel CMOS-Active Column Sensor (CMOS-ACS) is implemented on 0.35 um CMOS technology. In a gold-water interface with prism excitation, it is found that for prisms showing refractive indexes of 1.55 and 1.46, optimal plasmon coupling is obtained for gold films with thicknesses of 50 and 45 nm respectively. Under these conditions, approximately 99.19% and 99.99% of the incident light's energy is transferred to the surface plasmon for both prism respectively, provided that the incident light, with a wavelength of 633 nm, arrives with incidence angles of 68.45° and 79.05° respectively. It is also obtained that a change of 10-4 RIU in the refractive index of the dielectric medium, produces a change of 0.01° in the plasmon resonance angle, which under a light intensity modulation scheme produces a change of 0.08% in the reflected light's energy reaching the photodetector. Concerning the CMOS imager, a n-well/p-substrate photodiode is selected as the photosensing element, due to its low junction capacitance, which results in high efficiency and high conversion gain compared to the n-diff/p-substrate photodiode. Computer simulations with Cadence and Silvaco produced a junction capacitance of 31 fF and 135 fF respectively. The imager's pixel is based on a three-transistor (3T) configuration and shows a fill factor of 61%. The readout circuitry employs an Active Column Sensor (ACS) technique to reduce the Fixed Pattern Noise (FPN) associated with traditional Active Pixel Sensors (APS). Additionally, Non-Correlated Double Sampling (NCDS) and Delta Double Sampling (DDS) are used as noise reduction techniques. An experimental optical setup is used to characterize the performance of the imager, obtaining a conversion gain of 7.3 uV/e-, a photodiode junction capacitance of 21.9 fF, a read noise of 324.5 uV, equivalent to ~45 e- and a dynamic range of 50.5 dB. The benefits of ACS and NCDS-DDS are observed in the low pixel and column FPN of 0.09% and 0.06% respectively. The work presented in this thesis is a first step towards the goal of developing a fully integrated SPR-biosensing platform incorporating light source, SPR interface, microfluidic channel, optical elements and CMOS imager.

L'objectif de cette thèse est d'explorer les applications potentielles d'un système de langue électronique basée sur des récepteurs combinatoires à réactivités croisées et l'imagerie par résonance de plasmons de surface, pour l'analyse et la discrimination de différents milieux complexes et de bactéries. L'étude de milieux complexes a été réalisée sur des échantillons de différentes natures comme le vin, la bière et le lait d'origines végétale et animale. Les expériences ont démontré que notre système de langue électronique est capable de répondre avec une bonne sélectivité à ces milieux complexes et qu'il génère ainsi des profils continus 2D et des images 3D, propres à chaque échantillon. La différentiation et la classification de ces divers types de boissons ont été réalisées grâce à ces signatures 2D et 3D. Le dispositif a également prouvé son efficacité pour le suivi du vieillissement du lait. Une seconde étude a été dédiée à l'application du système pour la détection de bactéries. Dans un premier temps, des paramètres fluidiques ont été optimisés comme la forme et la profondeur de la cuve ou le débit fluidique, en raison de la morphologie variable des bactéries, considérées ici comme des objets biologiques complexes et volumineux. Dans un second temps, le système s'est révélé performant pour l'analyse de bactéries et a montré la possibilité de quantifier ces analyses. En effet, la langue électronique a permis la discrimination de différentes bactéries selon leur genre, leur espèce et en fonction des souches grâce aux profils continus 2D et aux images 3D. / The objective of this PhD thesis is to explore the potential applications of the electronic tongue, based on combinatorial cross-reactive receptors and surface plasmon resonance imaging, for analysis and discrimination of different complex mixtures and bacteria. In this work, various complex mixtures of different nature such as wine, beer, and milk (either animal-based or plant-based) are used. It has been demonstrated that the electronic tongue is capable of responding differently to theses samples with good selectivity. For each of them, it can generate characteristic continuous 2D profile and 3D image, based on which the differentiation and classification of the complex mixtures have been carried out. Furthermore, it has been illustrated that the electronic tongue is efficient for monitoring the deterioration of milk. In the second part of this thesis, the electronic tongue has been applied for detection and analysis of bacteria. At first, some fluidic parameters have been optimized due to the variable morphology of these complexes and large biological objects. Under optimized experimental conditions, the electronic tongue is effective for analysis of bacteria with the possibility for quantification. Thereafter, the electronic tongue has allowed for the discrimination of different bacteria according to their genus, species and strains based on continuous 2D profiles and 3D images.

Les séquences riches en guanines, qu’elles soient ADN ou ARN, peuvent former des structures non canoniques à quatre brins appelées quadruplexes de guanines ou G-quadruplexes. Ces structures reposent sur la formation et l’empilement de quartets de guanines ; elles peuvent être trouvées dans de nombreuses régions du génome. Des motifs G-quadruplexes apparaissent fréquemment lors de la sélection d'aptamères par SELEX : on constate un biais dans la proportion de guanines par rapport aux autres nucléotides dans les bases de données regroupant les séquences d'aptamères connus. Nous avons entrepris une analyse systématique, in silico puis in vitro, de motifs aptamères décrits dans la littérature. Nous avons utilisé un algorithme de prédiction actuellement développé au sein du laboratoire dans le but de déterminer quelles sont les séquences susceptibles de former des G-quadruplexes in silico. Afin de vérifier ces prédictions, un test biophysique permettant de cribler rapidement de nombreuses séquences a été mis en place. Nos résultats démontrent que de nombreux aptamères publiés sont susceptibles de se replier en G-quadruplexe. Un autre volet de ce travail concernait la mise en pratique du SELEX avec deux objectifs distincts. Nous avons d'abord effectué une sélection in vitro contre un ligand de G-quadruplexes, afin de préciser quels motifs nucléiques peuvent interagir avec cette molécule. Nous avons réalisé ensuite des expérience de SELEX contre plusieurs G-quadruplexes ADN ou ARN biologiquement pertinents (motif télomérique humain, répétitions minisatellites et séquences présentes dans les UTR de différents ARNm), dans le but d'obtenir des sondes spécifiques de ces conformations. / Guanine-rich DNA or RNA sequences can adopt non-canonical structures composed of four strands called guanines quadruplexes or G-quadruplexes. These structures are made by the formation and stacking of guanine quartets; they can be found in various region of the genome. G-quadruplexes motifs are frequently found during the selection of aptamers by the so-called SELEX method: a bias exists in the proportion of guanines in comparison with other nucleotides in a database gathering together known aptamers sequences. We did an in silico then in vitro systematic analysis of aptameric motifs described in the literature. We used a prediction algorithm currently developed in the laboratory to determine which sequences car form G-quadruplexes in silico. In order to check those predictions, a biophysical test allowing to quickly assay a lot of sequences was set up. Our results demonstrate that a lot of published aptamers are able to fold into G-quadruplexes. Another part of this work is related to the use of the SELEX with two different goals. First of all we did an in vitro selection against a G-quadruplexes ligand, in order to tell exactly which nucleic motifs can interact with this molecule. We then carried out SELEX experiments against several DNA or RNA biologically relevant G-quadruplexes (human telomeric motifs, minisatellite repetitions and sequences from UTR of mRNA), with the aim of getting specific probes for these conformations.

Les polyphénols sont des métabolites secondaires d’origine végétale. Ces substances naturelles connues pour leurs pouvoirs antioxydants et anti-radicalaires, contribuent à la protection de la santé humaine notamment contre les maladies cardiovasculaires et neurodégénératives, mais également contre certains cancers et diabètes. Dans certains cas, ces effets biologiques bénéfiques pour la santé pourraient également être liés à une interaction spécifique polyphénol-protéine peu étudiée à ce jour par manque d’outils moléculaires adaptés. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont consisté à concevoir, à synthétiser et à évaluer des sondes moléculaires polyvalentes porteuses de polyphénols comme substrats d’affinité pour l’analyse des interactions polyphénol-protéine. Dans ce contexte, de nombreuses sondes arborant différents types de polyphénols ont été synthétisées. Ces différentes sondes pourront être utilisées en protéomique chimique du type "Affinity-Based Protein Profiling" (ABPP) pour identifier au sein d’un mélange complexe de protéines, une protéine ayant une affinité spécifique pour un polyphénol donné. Ces mêmes sondes permettront également d’étudier de manière qualitative les interactions d’un polyphénol avec une protéine donnée en temps réel par la technique de résonance plasmonique de surface (SPR). / Polyphenols are plant secondary metabolites. These natural substances, known for their antioxidant and anti-free radical properties, generally contribute to the protection of human health not only against cardiovascular and neurodegenerative diseases, but also against certain cancers and diabetes. In some cases, these beneficial biological effects could also be related to specific polyphenol-protein interactions. However, studying this type of interactions has suffered from the lack of adequate molecular tools. The work carried out during this thesis has included designing, synthesizing and evaluating modulable polyfunctional molecular probes carrying polyphenols as affinity substrates to analyze polyphenol-protein interactions. In this context, various probes harboring different kinds of polyphenols were synthesized. These probes could be used in chemical proteomics following an “Affinity-Based Protein Profiling” approach (ABPP) to identify a protein within complex protein mixtures, which has a specific affinity with a given polyphenol. These probes will also allow studying the interactions of a polyphenol with a given protein in real time in a qualitative way by surface plasmon resonance (SPR).

Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d’identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu’au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l’interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d’un capteur multimodal pour l’identification de processus biologiques à l’interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimérie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d’effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d’une interaction intermoléculaire à l’interface d’une réaction d’hybridation d’ADN furent définies afin d’en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétrique et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s’assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s’assurer qu’il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s’assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d’hybridation d’ADN à l’interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l’interface. Des mesures d’oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées. / To begin with, the characteristics of a DNA hybridization intermolecular interaction at the interface were defined in order to deduce the specifications for our transducers. Following this, the SPR and microcalorimetric transducer will be design by taking into account the constraints of each one. Following the theoretical design of the sensor, a manufacturing process compatible with standard methods of microelectronics manufacturing was tested and identified. To ensure the functionality of the devices, a test of surface functionalization on the sensor was applied to test the compatibility of the manufacturing process with the surface functionalization methods. Finally, a system of active mixing was tested and characterized with a microcalorimetric device to ensure it was possible to mix fluids with organic products to be sure of the quality of the surface reaction. The system developed can be used to mesure DNA hybridization at the interface. This system incorporates two modalities for real-time characterization of intermolecular interactions near the solid/liquid interface. This type of system allows the kinetic measurement of different biological models such as cellular receptors or it is possible to have some molecular measure conformation near the interface. Oxidation of glucose with the enzyme glucose oxidase was shown to present the possibility to measure a biological interaction.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

Surface plasmon resonance (SPR) sensors using multiwavelength light coupling are investigated to probe changes in refractive index that occur as a result of chemical or biochemical processes. Traditional SPR sensors have used angle modulation to facilitate detection at the sensor surface; however, the multiwavelength approach is novel and brings new functionality to SPR sensors. The multiwavelength sensors are constructed on both fiber optic and bulk waveguides such as prisms. A thin metal film is deposited on the waveguide surface to support the surface plasmon (SP) mode. The evanescent field produced by light propagating through the waveguide can be coupled into the surface plasmon mode thus attenuating the transmitted light. This coupling is dependent upon phase matching between the light wavevector and the surface plasmon wavevector. The wavevectors are directly related to the wavelength of light, thickness of analyte on the sensor surface and the refractive index of the analyte. As these parameters change, the light output from the sensor will be affected. Other thin films can be subsequently deposited on the metal to functionalize the sensor surface for a particular analyte of interest. A theoretical background and details of the sensor construction is given. The developed sensors are tested in a variety of application systems. Experimental results for refractive index sensing in bulk liquid applications is shown. Observed sensitivity approaches that of conventional SPR techniques. Alkyl-thiol monolayer systems are studied to investigate kinetics of formation and the thickness resolution of the sensor. A biochemical system is investigated to compare the sensors with other immunoassay techniques. Ionic self-assembled monolayer (ISAM) systems are investigated to probe structure and determine their usefulness as an immobilization layer for biochemical species. A mathematical model based on Fresnel reflection equations is developed to predict sensor response. This model can be used to selectively vary sensor parameters to optimize the response for a specific analyte system or to calculate system parameters based on experimental results. Results from the various experiments are compared with the model. Experimental results and interpretations are discussed along with future work and potential improvements. Classical SPR sensors are also discussed along with comparisons with the multiwavelength sensors. Future improvements to SPR sensors design are considered, as is the application of the technology to high-throughput drug screening for pharmaceuticals. / Ph. D.

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.