[pt] A espectroscopia de ressonância de plásmon superficial (SPR) é uma técnica óptica baseada na excitação coletiva dos elétrons livres de metais nobres, tradicionalmente utilizada em sensoriamento de analitos de diferente natureza. Neste trabalho foi otimizado o processo de fabricação de sensores plasmônicos baseados em filmes finos de ouro e interfaces ouro-grafeno. As plataformas de sensoriamento SPR foram usadas para a detecção de íons de metais tóxicos pesados de Pb(2+), Hg(2+) e Cd(2+) em concentrações de 0.1ppm até 1ppm. Os sensores baseados em interfaces ouro-grafeno, onde o grafeno foi crescido mediante o método CVD, demonstraram uma sensitividade entre 3 até 6 vezes maior que os sensores constituídos por filmes finos de ouro, apontando para uma absorção química devida à transferência de elétrons do grafeno para os íons. / [en] Surface plásmon resonance (SPR) spectroscopy is an optical technique based on the collective excitation of free electrons of noble metals, traditionally used in sensing different types of analytes. In this work the fabrication process of plásmonic sensors based on thin gold films and gold-graphene interfaces was optimized. SPR sensing platforms were used for the detection of toxic heavy metals ions Pb(2+), Hg(2+) and Cd(2+) in concentrations ranging from 0.1ppm to 1ppm. The sensors based on gold-graphene interfaces, where graphene was grown using the CVD method, demonstrated a sensitivity between 3 and 6 times greater than the sensor made of thin films of gold, pointing to a chemical absorption due to the transfer of electrons from the graphene to the ions.

Les travaux de la présente thèse porteront sur le raffinement du modèle du potentiel source-puits (SSP) proposé par Ernzerhof en 2006. Cette méthode permet de calculer la conductance qualitative de dispositifs électroniques moléculaires (MEDs). Dans la première partie de ce travail, le modèle SSP sera amélioré en y intégrant la description de l’interaction d’un champ électromagnétique fort avec le MED. Des expériences récentes ont démontré que des molécules pouvaient interagir fortement avec des plasmons de polaritons de surface (SPP). Ces interactions créent des états liés électron-SPP qui seront exploités pour contrôler la conductance de MEDs. Des formules analytiques expliqueront l’impact des paramètres physiques de ces circuits optoélectroniques sur la conductance de ceux-ci. Dans le même esprit, la seconde partie de cette thèse inclura les interactions électron-noyau au modèle SSP afin de décrire entre autres le courant décohérent d’un MED. Dans ce modèle les interactions noyau-électron seront décrites à partir de l’approximation harmonique et intégrées à l’hamiltonien de façon non-pertubative. Des formules analytiques seront dérivées afin de décrire la conductance de tels MEDs. Finalement, les conséquences du bris de la symétrie de la parité et du temps de la matrice hamiltonienne de la méthode SSP seront découvertes dans la densité spectrale et les fonctions d’ondes des MEDs. / The purpose of this thesis is to expand the scope of the source-sink potential (SSP) method originally proposed by Ernzerhof in 2006. The SSP model allows the computation of the qualitative conductance of molecular electronics devices (MEDs). In the first part of this work, the SSP model will be improved by including the description of interaction between the strong electromagnetic field and the MED. Recent experiments have shown that molecules could strongly interact with surface plasmon of polaritons (SPPs). These interactions will create so-called dressed states that can be used to control the conductance of MEDs. In the second part of this work, the SSP model will be augmented by including electron-nucleus interactions to describe the inelastic current. In this model, the electron-nuclueus interaction will be account for with the help of the harmonic approximation and incorporated into the hamiltonian non-pertubatively. Analytical formulas will be derived that will allow one to understand the impact of physical parameters on the conductance of MEDs. Lastly, the impact of the parity and time symmetry breaking of the SSP matrix hamiltonian will be studied and related to change in the spectral density and in the eigenfunctions of the MEDs.

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The N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) hypofunctional hypothesis is believed to explain one of the contributing factors to schizophrenia. This hypothesis suggests the dysregulation of NMDAR, a protein responsible for receiving signals from the synapses between neurons, is the cause of some of the symptoms seen in schizophrenia. The post synaptic density protein 95 (PSD95) uses its PDZ-domains to help facilitate the received signal from NMDAR to α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR) which in turn transmits the signal through the neuron. One way to increase the function of NMDAR could be to increase its affinity towards PDZ-domains of PSD95 using a small molecule. Fragment based drug design (FBDD) is one way to screen for molecules that modulates the NMDAR-PDZ interaction. This work describes the development of differential scanning fluorimetry (DSF) and surface plasmon resonance (SPR) assays using a fusion protein to screen for molecules that potentiate the interaction between NMDAR and AMPAR as well as methods assisting in the prioritization of hits based on both affinity, selectivity, and mechanism. The developed assays were used to screen a library containing 768 compounds. Screen positives and other compounds of interest were triaged and evaluated based on affinity, selectivity, and ability to modulated peptide binding resulting in eight confirmed hits that interacts with the two PDZ-domains of PSD95 investigated. As part of this work, the dissociation constant (KD) was determined for a panel of peptides representing versions of the truncated NMDAR GluN2b-subunit C-terminal towards PDZ1 and 2 of PSD95.

During recent decades metallic nanoparticles have been found very interesting due to their unique characteristics which make them suitable for different applications. In this research, for the very first time, we tried to perform selective surface photo activation chemistry on the targeted facets of nanoparticles while they are in suspension. This technique enabled us to form desired assemblies of nanoparticles. We focused on elongated shaped gold nanorod due to its unique surface plasmon resonance and probable biomedical applications. In this research we formed a dumbbell shape assembly of nanoparticles in suspension. A probable application for these assemblies can be in vivo imaging. Initially, we reproduced gold nanorods using existing techniques in prior papers and optimized them according to our research needs. A low rpm centrifugal separation technique was developed to efficiently separate synthesized gold nanorods from other shapes. Several characterization techniques were utilized to characterize nanoparticles at each step including UV-absorbance, zeta potential, and dynamic light scattering. Different generations of oligomers were synthesized to be used as gold nanorods coating, and each coating was tested and characterized using appropriate techniques. Our two-step coating replacement method using one of these photocleavable oligomers enabled us to achieve, for the very first time, selective UV photo activation of gold nanorod tips. The photo activated tips were then exposed to oppositely charged gold nanospheres to form dumbbell shape assemblies of gold nanorods and nanospheres. Furthermore, dumbbell shape assembly of nanoparticles was investigated and characterized. / Master of Science

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Erarbeitung anwendbarer Methoden zum Aufbau Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-basierter DNA-Mikroarrays. Es werden die Beziehungen zwischen allen Teilschritten der Entwicklung eines DNA-Biosensors aufgezeigt. Die Sondendichte auf der Sensoroberfläche ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines DNA-Chips. In dieser Arbeit werden thiolmodifizierte Sonden und solche mit Phosphorothioatgruppen verwendet und verglichen. Der Aufbau selbstorganisierender Monoschichten, bestehend aus Mercaptoalkoholen und thiolmodifizierten DNA-Einzelsträngen, wird mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Es werden bis zu 180 Spots auf einem SPR-Chip aufgetragen. Eine weitere Erhöhung der Anzahl an Sondenorten pro Chip wird mit einer hydrophil/hydrophoben Strukturierung der Arrayoberfläche erreicht. Dies erfolgt durch das Mikrokontaktdrucken mit Alkanthiolen. Die selektiven Hybridisierungen der Produkte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) werden bei SPR-Messungen auf DNA-Mikroarrays detektiert. Eine schnelle markierungsfreie Echtzeitanalyse wird bei Hybridisierungen im mikrofluidischen Kanal innerhalb weniger Minuten erzielt. Die Anwendbarkeit dieser Methoden wurde anhand der Mutationsanalyse der Fusionsgene AML1-ETO und CBFB-MYH11 bei der akuten myeloischen Leukämie bestätigt. Die Hybridisierungseffizienz auf DNA-Mikroarrays hängt stark von der Sodensequenz ab. SPR-Experimente zeigen, dass die Ausbildung der Haarnadelstrukturen die Ursache dafür ist. Ein Computerprogramm (EGNAS) auf Grundlage eines neu entwickelten Nucleobasen-Sequenzentwurf-Algorithmus, ermöglicht die Generierung vollständiger Sequenzsätze. Die Intra- und Interstrangeigenschaften dieser Sequenzen können kontrolliert werden, um Haarnadelstrukturen und Kreuzhybridisierungen zu vermeiden. Dadurch können optimierte Sequenzen für Anwendungen auf DNA-Chips oder in der DNA-Nanobiotechnologie entworfen werden.

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl. / The work presented in this thesis aims to extend the use of surface plasmon resonance (SPR) biosensors to generate more rapid, cost efficient and simple to use diagnostic tools to diagnose or follow serious medical conditions. This task required the development of a new SPR instrument that relies on an inversion prism (dove) and is able to reach a limit of detection (LOD) in the 10-6 refractive index unit (RIU) range, a value comparable to more complex commercial instruments. The developed SPR instrumentation is inexpensive, robust and very simple to manipulate. The other work presented in this thesis is based on reducing nonspecific interactions between the surface of SPR sensors and components in biological matrices such as urine, cell lysate, serum and whole blood. These nonspecific interactions induce SPR responses that have typically prohibited the use of SPR in these complex matrices. Amino acidshavebeen investigated for reduction of nonspecific binding (NSB) because they offer a wide variety of physico-chemical properties capable of tuning the physical properties of surfaces in a self-assembled monolayer (SAM) format. Initially, the attachment of one of 19 physiological 20 amino acids to 3-mercaptopropionic acid (3-MPA) allowed the formation of amino acid SAMs. Exposure of these surfaces to bovine serum revealed nonspecific interactions ranging from 400 ng/cm² to 800 ng/cm². Detection assays for β-lactamase (an enzyme produced by drug resistant bacteria at a micromolar level) demonstrated that the amino acid SAM is suitable for SPR biosensing. By using a solid phase approach, peptides were of 2 to 5 residues were synthesized to investigate NSB properties. The result of this study showed that adding amino acids decreased nonspecific interactions up to a peptide length of 5 amino acids. The best performing peptide, 3-MPA-(Serine)5-OH, resulted in low nonspecific adsorption of bovine serum proteins to a level of 180 ng/cm². This value is similar to nonspecific adsorption obtained under identical conditions for one of the best reported surfaces: polyethylene glycol-based SAMs at 100 ng/cm². The 3-MPA-(Serine)5-OH based SAM was used to calibrate β-lactamase, leading to its direct quantification in crude cell lysate. The detection limit for this analyte was 10 nM. A third generation of peptide, which is binary patterned, decreased significantly nonspecific adsorption to a level as low as 23 ± 10 ng/cm², a value comparable to the best surfaces known. This surface SAM allowed the calibration of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3), a potential indicator of cancer. Direct quantification assays of MMP-3 in whole blood serum were achieved with the binary patterned peptides developed. The LOD for MMP-3 was 0.2nM over a 50 nM linear domain. A fourth generation of peptide based surfaces was developed, reducing the level of nonspecific adsorption of blood serum proteins to 12 ± 11 ng/cm2. These new surfaces were modified to attach His-tagged biomolecules enabling rapid screening of small ligands targeting the Cluster of differentiation-36 (CD36). Finally, the electroformation of peptide monolayers was studied to determine the optimal conditions needed to form an ultralow biofouling surface. It was demonstrated that the difference in potential applied during the formation of a peptide based layer influences the kinetics of formation and the arrangement of this layer. An optimal layer of 3-MPA-HHHDD-OH could be obtained in less than 6 min by applying a potential of 200mV vs Ag/AgCl to the SPR sensor.

Cette thèse porte sur le développement de biocapteurs basés sur la technique de résonance des plasmons de surface (SPR) pour effectuer des analyses directement dans un fluide sanguin n’ayant subi aucune purification ou dilution. L’ensemble des biocapteurs discutés exploiteront un instrument SPR portable développé dans le groupe du professeur Masson. Le premier volet de la thèse portera sur le processus d’interférence lié à l’adsorption non spécifique du sérum à la surface du capteur. L’analyse des biomolécules adsorbées sera effectuée en combinant la SPR à la spectrométrie de masse. Les informations obtenues seront exploitées pour la construction de biocapteurs adaptés à l’analyse en milieu sanguin. Un premier biocapteur développé ciblera la protéine antigène prostatique spécifique (APS) contenue dans le sérum servant de biomarqueur pour dépister le cancer de la prostate. Pour détecter les faibles concentrations de cette protéine directement dans le sérum, un matériel plasmonique microstructuré sera utilisé pour amplifier les signaux obtenus et sera recouvert d’une monocouche peptidique minimisant l’adsorption non spécifique du sérum. L’instrument SPR aura été adapté pour permettre également la détection simultanée de fluorescence. Un test ELISA sera ainsi effectué en parallèle du test SPR. Chacune des techniques fournira un contrôle pour la deuxième, tout en permettant de détecter le biomarqueur au niveau requis pour dépister la maladie. La combinaison des deux méthodes permettra aussi d’élargir la gamme dynamique du test de dépistage. Pour terminer, l’instrument SPR portable sera utilisé dans le cadre de détection de petites biomolécules ayant un potentiel thérapeutique directement dans un échantillon de sang. Des peptides ayant une activité anti-athérosclérotique pourront ainsi être détectés à même un échantillon de sang ni purifié ni dilué, et ce à des concentrations de l’ordre du micromolaire. Une modification de la microfluidique via l’introduction d’une membrane poreuse au cœur de celle-ci sera la clé permettant d’effectuer de telles analyses. La présente thèse met de l’avant de nouvelles stratégies et des modifications instrumentales permettant d’analyser des protéines et des petites molécules directement dans un échantillon non purifié de sérum ou de sang. Les modifications apportées au système fluidique, à l’instrument SPR et au niveau du biocapteur employé permettront d’effectuer des biodétections dans des matrices aussi complexes que les fluides sanguins. Les présents travaux mettent en lumière la capacité d’un instrument SPR/fluorescence portable à faire en 12 minutes la biodétection d’un marqueur du cancer de la prostate directement dans un échantillon de sérum. Finalement, on rapporte ici un des premiers articles où un biocapteur SPR est utilisé à même un échantillon de sang non-purifié pour faire des biodétections. / This thesis discusses the development of surface plasmon resonnance (SPR) biosensors to perform detection directly on unpurified and undiluted blood based fluids such as serum or blood. Every biosensor discussed in the following chapters rely on a home-built portable SPR device developed in Professor Masson’s research laboratories. Non-specific adsorption, which greatly hinders biosensing in crude fluids, will be the first topic of the thesis. Serum adsorption was performed on the SPR sensor surface and then characterized by SPR and mass spectrometry. This study provided useful information for biosensing directly in blood-based fluids. It also provided a better fundamental understanding of the nonspecific adsorption process on surfaces. The first biosensor was developed to detect prostate specific antigen (PSA), a protein normally contained in serum, which is a known biomarker for prostate cancer. In order to detect low concentrations of this protein directly in serum, a microstructured gold film was used to amplify the signal generated by the binding event on the biosensor. A peptide monolayer covered the metallic surface of the sensor to reduce non-specific protein adsorption. The SPR portable instrument was modified to simultaneous detect fluorescence in order to perform a SPR and ELISA test in a single instrumental platform. Each technique provided a control for the other for detection of the prostate cancer biomarker at concentration levels required for the screening of the disease. The SPR and ELISA combination also extended the dynamic range of the biosensing assay. Finally, the portable SPR device was used to detect small biomolecules with potential therapeutic activity directly in a sample of blood. Peptides with an anti-atherosclerotic activity were thus detected in an unpurified and undiluted blood sample at micromolar concentration. The addition of a porous membrane to the microfluidic used for the biosensing assay facilitated the successful detection of these molecules in whole blood. The present thesis describes novel strategies and instrumental modifications to unlock the possibility of performing biosensing directly on unpurified and undiluted blood-based fluids. Modifications of the fluidic system, the SPR instrument and biosensor used will allow detection in fluids with high complexity such as serum or blood. The work described herein reports a prostate cancer screening assay performed in 12 minutes directly in serum using a portable SPR/fluorescence instrument. Finally, this thesis reports one of the first scientific papers where a SPR biosensor is used to perform analysis directly in blood.

Ce mémoire porte sur la mise au point de plateforme microfluidique couplée à la microscopie Raman confocale, utilisée dans des conditions d’excitation de la diffusion Raman (diffusion Raman exaltée de surface), dans le but d’obtenir une détection de très haute sensibilité d’espèces moléculaires sous écoulement dans des canaux de dimensions micrométriques. Ce travail a pour ambition de démontrer la faisabilité d’un couplage microscopie Raman/microfluidique en vue de la caractérisation in-situ et locale, des espèces et des réactions mises en jeu dans les fluides en écoulement dans les microcanaux. Nous avons utilisé un microcanal de géométrie T, fabriqué par lithographie douce, dans lequel sont injectées, à vitesse constante, des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent dans une des deux branches du canal et une solution de pyridine ou de péfloxacine dans l’autre branche. La laminarité et la stationnarité du processus nous ont permis de cartographier la zone de mélange et de mettre en évidence l’exaltation du signal de diffusion Raman de la pyridine et de la péfloxacine, obtenue grâce aux nanoparticules métalliques, dans cette zone d’interdiffusion. L’enregistrement successif de la bande d’absorption des nanoparticules d’argent (bande plasmon) et du signal de diffusion Raman de la péfloxacine, en écoulement dans un microcanal, nous a permis d’établir un lien entre la morphologie des nanostructures métalliques, et plus précisément l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, et l’exaltation du signal Raman de la péfloxacine observé. Nous avons alors modifié la géométrie du canal afin d’y introduire une solution d’électrolyte (NaCl et NaNO3) et de modifier localement la charge de surface des colloïdes d’argent en écoulement. Nous avons ainsi confirmé que la modification de l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, induite par l’ajout contrôlé de solutions d’électrolytes, permet d’amplifier le signal SERS de la péfloxacine et d’optimiser la détection en microfluidique. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mettre en place une structuration métallisée des parois d’un microcanal. Nous avons ainsi démontré que la fonctionnalisation chimique de surface via un organosilane (APTES) permettait de tapisser le canal avec des nanoparticules d’argent et d’amplifier le signal Raman des espèces en écoulement dans ce même microcanal. / This thesis focuses on the development of a microfluidic platform coupled with confocal Raman microscopy, used in excitation conditions of Raman scattering (Surface enhanced Raman scattering, SERS) in order to gain in the detection sensitivity of molecular species flowing in channels of micrometer dimensions. This work aims to demonstrate the feasibility of coupling Raman microscopy / microfluidics for the in situ and local characterization of species and reactions taking place in the fluid flowing in microchannels. We used a T-shaped microchannel, made by soft lithography, in which gold or silver nanoparticles injected at constant speed, in one of the two branches of the channel and a solution of pyridine or pefloxacin in the other one. The laminar flow and the stationarity of the process allowed us to map the mixing zone and highlight the enhancement of the Raman signal of pyridine and pefloxacin, due to the metallic nanoparticles, in the interdiffusion zone. The recording of the both absorption band of the silver nanoparticles (plasmon band) and the Raman signal of pefloxacin, flowing in microchannel, allowed us to establish a link between the shape of the metallic nanostructure, and more precisely the silver nanoparticle aggregation state, and the enhancement of the Raman signal of pefloxacin observed. We then changed the channel geometry to introduce an electrolyte solution (NaCl and NaNO3) and locally modify the surface charge of the colloids. We have put in evidence that the change of the silver nanoparticle aggregation state, induced by the controlled addition of electrolyte solutions, could amplify the SERS signal of pefloxacin and thus optimizing the detection in microfluidics. At last, we established second a approach that consists in the metallic structuring of microchannel walls. This has shown that the surface chemical functionalization through organosilanes (APTES) allowed the pasting of the channel with silver nanoparticles, thus amplifying the Raman signal of the species flowing within the same microchannel.