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In many cases of envenoming following snake bite, the snake responsible for the accident remains unidentified; this frequently results in difficulty deciding which antivenom to administer to the systemically-envenomed victim, especially when only monospecific antivenoms are available. Normally the specific diagnosis of snake bite can be conveniently made using clinical and laboratory methods. Where clinical diagnosis depends upon the recognition of specific signs of envenoming in the patient, laboratory diagnosis is based on the changes which occur in envenomed victims including the detection of abnormalities in blood parameters, presence/absence of myoglobinuria, changes in certain enzyme levels, presence/absence of neurotoxic signs and the detection in the blood of specific venom antigens using immunologically-based techniques, such as enzyme immunoassay. It is the latter which is the main subject of this review, together with the application of techniques currently used to objectively assess the effectiveness of new and existing antivenoms, to assess first aid measures, to investigate the possible use of such methods in epidemiological studies, and to detect individual venom components. With this in mind, we have discussed in some detail how such techniques were developed and how they have helped in the treatment of envenoming particularly and in venom research in general.

The situation of infectious diseases and biothreats all over the world remains serious. The effective identification of such diseases plays a very important role. In recent years, gold nanoparticles have been widely used in biosensor design to improve the performance for the detection of infectious diseases and biothreats. Here, recent advances of gold‐nanoparticle‐based biosensors in this field are summarized., Gold‐nanoparticle‐based biosensors play an important role in the identification of infectious diseases and biothreats. Gold nanoparticles can be used as signal producers and signal amplifiers to improve the performance of biosensors. Based on this approach, colorimetric, electrochemical, and fluorescent biosensors with high sensitivity and specificity are designed to fight infectious diseases and biothreats. WILEY-VCH

Aims To evaluate the sensitivity and specificity of the BioFire Diagnostics FilmArray® system in combination with their Biothreat Panel for the detection of Bacillus anthracis (Ba), Francisella tularensis (Ft) and Yersinia pestis (Yp) DNA, and demonstrate the detection of Ba spores. Methods and Results DNA samples from Ba, Ft and Yp strains and near-neighbours, and live Ba spores were analysed using the FilmArray® Biothreat Panel, a multiplexed PCR-based assay for 17 pathogens and toxins. Sensitivity studies with DNA indicate that the limit of detection is 250 genome equivalents (GEs) per sample or lower. Furthermore, the identification of Ft, Yp or Bacillus species was made in 63 of 72 samples tested at 25 GE or less. With samples containing 25 CFU of Ba Sterne spores, at least one of the two possible Ba markers was identified in all samples tested. We observed no cross-reactivity with near-neighbour DNAs. Conclusions Our results indicate that the FilmArray® Biothreat Panel is a sensitive and selective assay for detecting the genetic signatures of Ba, Ft and Yp. Significance and Impact of the Study The FilmArray® platform is a complete sample-to-answer system, combining sample preparation, PCR and data analysis. This system is particularly suited for biothreat testing where samples need to be analysed for multiple biothreats by operators with limited training.

With the evolution of microelectronics industry and their direct implementation in the biomedical arena, innovative tools and technologies have come to the fore enabling more reliable and cost-effective treatment. In this thesis I focus on the integration of the conducting polymer PEDOT:PSS with printing technologies toward the realization of performant biomedical devices. In the first part, I focus on the optimization of the conducting ink formulation. Following, I emphasize on the fabrication of inkjet printed PEDOT:PSS based biopotential electrodes on a wide variety of substrates (i.e., paper, textiles, tattoo paper) for use in electrophysiological applications such as electrocardiography (ECG) and electromyography (EMG). Printed electrodes on paper and printed wearable electrodes were fabricated and investigated for long-term ECG recordings. Then, conformable printed tattoo electrodes were fabricated to detect the biceps activity during muscle contraction and the conventional wiring was replaced by a simple contact between the tattoo and a similarly ink-jet printed textile electrode.In the last part, I present the potentiality of inkjet printing method for the realization of organic electrochemical transistor (OECTs) as high performing biomedical devices. A disposable breathalyzer comprised of a printed OECT and modified with alcohol dehydrogenase was used for the direct alcohol detection in breath, enabling future integration with wearable devices for real-time health monitoring. Their compatibility with printing technologies allows the realization of low-cost and large area electronic devices, toward next-generation fully integrated smart biomedical devices.; De nos jours, le domaine biomédical est en pleine croissance avec le développement de dispositifs thérapeutiques innovants, bas coût, pour le diagnostic, le traitement ou la prévention de maladies chroniques ou cardiovasculaires. Ces dernières années ont connu l’émergence des polymères semi-conducteurs, alternative intéressante aux matériaux inorganiques, présentant des propriétés uniques de conduction ionique et électronique. Tout d’abord, j’ai axé mes travaux de recherche sur le développement et l’optimisation d’une encre conductrice à base de PEDOT:PSS, parfait candidat comme matériau, pour la transduction des signaux biologiques en signaux électriques, compatible avec le process jet d’encre, pour la réalisation de dispositifs imprimés. Puis mes travaux se sont orientés vers la conception et l’étude d’électrodes imprimées sur supports papiers, tatous et textiles permettant des enregistrements long termes d’électrocardiogrammes (ECG) ou électromyogrammes (EMG), présentant des performances similaires aux électrodes commerciales, utilisant un système d’acquisition spécifique pour la mesure d’activités électriques de tissus musculaires. Puis dans un second temps, je me suis penchée sur l’impression sur support papier, de transistors organiques électrochimiques (OECTs) fonctionnalisés, afin de permettre la détection d’éléments biologiques ou chimiques comme l’alcool. Ces travaux proposent une nouvelle voie pour la conception de dispositifs innovants biomédicaux à bas couts, imprimés, permettant la personnalisation des produits pouvant être intégrés dans des dispositifs biomédicaux portables ou dans des vêtements « intelligents ».

C-reactive protein (CRP) is a very important biomarker of infection and inflammation for a number of diseases. Routine CRP measurements with high sensitivity and reliability are highly relevant to the assessment of states of inflammation and the efficacy of treatment intervention, and require the development of very sensitive, selective, fast, robust and reproducible assays. Gold nanoparticles (Au NPs) are distinguished for their unique electrical and optical properties and the ability to conjugate with biomolecules. Au NP-based probes have attracted considerable attention in the last decade in the analysis of biological samples due to their simplicity, high sensitivity and selectivity. Thus, this article aims to be a critical and constructive analysis of the literature of the last three years regarding the advances made in the development of bioanalytical assays based on gold nanoparticles for the in vitro detection and quantification of C-reactive protein from biological samples. Current methods for Au NP synthesis and the strategies for surface modification aiming at selectivity towards CRP are highlighted.

International audience; This paper reports the detection of okadaic acid (OA) as a Diarrheic Shellfish Poisoning (DSP) toxin with an acoustic wave platform in real-time. According to the FDA, the threshold for safe consumption of shellfish is 20 μg of OA for 100 g of shellfish tissue. The high gravimetric sensitivity of Love wave acoustic devices allow, in liquid media, immuno-detection thanks to immobilized specific antibodies. The biosensor is composed of two lines, one for the test and one used as a reference. Sensitive films were deposited through a PolyDiMethylSiloxane (PDMS) microfluidic chip. On both lines, anti-okadaic acid antibodies (OA-Ab) and saturating agents were successively injected under continuous flow with controlled flow rate. On the test line, okadaic acid (OA) was injected while an unspecific peptide (6×Histidine, 6×His) was used on the control line. On both lines, polyclonal OA-Ab were re-injected a second time to reveal previously fixed OA on the test line. Measured frequency shifts were three times higher on test lines than on control lines. In these conditions, for only 2 μg of OA used for detection, the acoustic wave platform could detect DSP toxins with only 10 g of shellfish tissue.

We explore a new calibration-free approach to biodetection based on whispering gallery modes (WGMs) without a reference measure and relative shifts. Thus, the requirement to keep track of the sensor position is removed, and a freely moving population of fluorophore-doped polystyrene microspheres can now fulfill this role of sensing resonator. Breaking free from fixed surface-based biosensing promotes adhesion between the microsphere sensors and the analytes since both can now be thoroughly mixed. The 70-nm-wide spectrum of green fluorescent microbeads allows us to monitor over 20 WGMs simultaneously without needing evanescent light coupling into the microspheres, hence enabling remote sensing. Since the exact radius of each microsphere is unknown a priori, it requires algorithmic analyses to obtain a reliable result for the refractive index of a solution. We first test our approach with different solutions of alcohol in water obtaining 3 × 10−4 precision on the refractive index at lower concentrations. Then, the solutions of bacterial spores in water yield clear evidence of biodetection in the statistical analysis of WGMs from 50 microspheres. To extend the fluorescence spectral range of our WGM sensors, we present preliminary results on coating microspheres with CdSe/ZnS quantum dots.

The surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated.; Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiés.

The surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated.; Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiés.

With an ultimate limit of detection down to the yoctogram regime (1 yg = 10-24 g),nanoelectromechanical systems (NEMS) resonators used as ultra-sensitive and label-free gravimetric sensors have a high potential for biodetection applications. To date, several challenges currently limit their wide spread use as viable biosensing tools. This PhD thesis addresses the issues related to the transducer integration and the biofunctionnalization. A Lead Zirconate Titatane (PZT)-based piezoelectric transducer has been implemented according to a top-down approach compatible with collective fabrication of NEMS arrays. Two biofunctionnalization strategies, suitable for a NEMS array organization and based on the localized deposition of biological material assisted by microcontact printing and the patterning of molecularly imprinted polymers (MIP) by photolithography, have also been investigated and first proof-of-concept biosensors were demonstrated. These various contributions have the potential to drive future advancements in the realm of NEMS as effective biosensing tools.; Avec une limite de détection ultime pouvant atteindre le yoctogramme (1 yg = 10-24 g), les nanosystèmes électromécaniques (NEMS) employés comme capteurs gravimétriques présentent un fort potentiel pour la détection ultra-sensible et sans marquage de molécules biologiques. A l’heure actuelle, plusieurs défis restent cependant à relever avant de pouvoir envisager de manière réaliste leur utilisation comme outils de biodétection. Ces travaux de thèse adressent en particulier l’intégration du moyen de transduction et le développement de stratégies de biofonctionnalisation. En vue de répondre à la première problématique, l’intégration d’une couche piézoélectrique à base de Titano-Zirconate de Plomb (PZT) selon une approche de fabrication collective de réseaux de NEMS par voie descendante a été développée et caractérisée.Deux approches de biofonctionnalisation adaptées à une organisation de NEMS en réseaux,respectivement basées sur le dépôt localisé de matériel biologique par impression moléculaire et sur la structuration par photolithographie d’une couche bioréceptrice à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP), ont ensuite été mises en oeuvre et ont permis de démontrer une première preuve de concept. Ces différentes contributions constituent un premier pas dans le développement des NEMS pour des applications de biodétection.

Recent advances in biosensing technologies present great potential for medical diagnostics, thus improving clinical decisions. However, creating a label-free general sensing platform capable of detecting multiple biotargets in various clinical specimens over a wide dynamic range, without lengthy sample-processing steps, remains a considerable challenge. In practice, these barriers prevent broad applications in clinics and at patients' homes. Here, we demonstrate the nanoplasmonic electrical field-enhanced resonating device (NE(2)RD), which addresses all these impediments on a single platform. The NE(2)RD employs an immunodetection assay to capture biotargets, and precisely measures spectral color changes by their wavelength and extinction intensity shifts in nanoparticles without prior sample labeling or preprocessing. We present through multiple examples, a label-free, quantitative, portable, multitarget platform by rapidly detecting various protein biomarkers, drugs, protein allergens, bacteria, eukaryotic cells, and distinct viruses. The linear dynamic range of NE(2)RD is five orders of magnitude broader than ELISA, with a sensitivity down to 400 fg/mL This range and sensitivity are achieved by self-assembling gold nanoparticles to generate hot spots on a 3D-oriented substrate for ultrasensitive measurements. We demonstrate that this precise platform handles multiple clinical samples such as whole blood, serum, and saliva without sample preprocessing under diverse conditions of temperature, pH, and ionic strength. The NE(2)RD's broad dynamic range, detection limit, and portability integrated with a disposable fluidic chip have broad applications, potentially enabling the transition toward precision medicine at the point-of-care or primary care settings and at patients' homes.

The s-triazine herbicides are compounds which can disseminate into soils and water. Due to their toxic effects on living organisms, their concentrations in drinking water are legislated by WHO recommendations. Here we have developed for the first time, to the best of our knowledge, an alternative method for physicochemical quantification using two bioluminescent bacterial biosensors: E. coli SM003 for cyanuric acid detection and E. coli SM004 for both atrazine and cyanuric acid detection. The concentration of cyanuric acid detection for E. coli SM003 ranges from 7.83 µM to 2.89 mM, and for E. coli SM004 ranges from 0.22 µM to 15 µM. Moreover, atrazine detection by E. coli SM004 ranges from 1.08 µM to 15 µM. According to WHO recommendations, the cyanuric acid detection range is sensitive enough to discriminate between polluted and drinking water. Nevertheless, the detection of atrazine by E. coli SM004 is only applicable for high concentrations of contaminants.

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire., Measurement of the local concentration of chemical messengers secreted by cells may give a better understanding of molecular mechanisms related to different diseases, such as cancer metastasis. Current techniques are not suited to perform such measurements and thus, new analytical techniques must be developed. This Master’s thesis reports the development of a new technique based on the plasmonic response of atomic force microscopy (AFM) tips, which will ultimately allow monitoring of chemical and biological molecules on the surface of a cantilever by use of surface plasmon resonance (SPR) and tip-enhanced Raman scattering (TERS). Indeed, it is possible to localize the enhancement of the Raman signal on the AFM tip using principles associated to surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), based on the absorption of light by nanometer-sized metal particles, resulting in a large enhancement of the Raman signal. The AFM tip was constructed by the deposition of a nanometer-size gold layer, followed by the assembly of a biosensor with a biomolecular receptor. Gold nanoparticles (AuNPs) conjugated with a secondary antibody served as the secondary detection step. In addition, the use of the gold nanoparticles for antigen detection allows an amplification of the SPR and Raman signals. This Master’s thesis will demonstrate the development and validation of a biosensor for immunoglobuline G (IgG) at the tip of an AFM cantilever.This thesis sets the basis for future projects, where this new imaging technique will be developed for monitoring cellular communication by exploiting the plasmonic signal at the AFM tip. Different biosensors will then be developed and coupled to an AFM probe for scanning the chemical environment and detect in real-time chemical messengers secreted in the extracellular matrix in cellular communication.

The ability to fabricate optical devices enabling the real time detection of chemical interactions,avoiding the use of markers, has motivated a growing interest. In particular, photonic crystals (PhC)based structures are promising candidates for such applications. Unlike silicon, that has currentlybeen used for most of these demonstrations, diamond offers a high stability and a versatile carbonsurface that can be functionalized to covalently bond specific organic or bio-molecules on its surface.In this context, this thesis aims at studying the interests of diamond for the realization of novel 2DPhC dedicated to biodetection applications. A fully monolithic compact photonic platform, integratedon silicon and optimized to work at wavelength of 1.55 μm was developed. A geometry consistingin a slotted cavity was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures totheir environment. Numerical methods allowed to determine the geometrical parameters of the PhC.Diamond microstructuration processes of polycrystalline diamond films deposited on two-inch siliconwafers were developed and optimized for the realization of PhC cavities with quality factors up to6500. Two technological processes specifically dedicated to polycrystalline diamond were developed : asmoothing process and a diamond layer on insulator integration by wafer bonding technology process.The optical sensitivity of diamond PhCs to simple surface modifications was studied and showed that,depending on the chemical surface termination, these diamond PhCs exhibit a strong modification oftheir spectral features. A proof of concept for surface detection in a water environment was realizedusing the biotin/streptavidin biorecognition system. The detection limit of the system was estimatedto be 10 μg/mL. Finally, first steps to detection in the visible range were made with the realization ofPhC working at 600 nm and exhibiting Q factors exceeding 1500., La possibilité de fabriquer des dispositifs optiques pour la détection d’interactions chimiques,sans marquage et en temps réel, présente un intérêt croissant. Notamment, les cristaux photoniques(CPh) présentent un fort potentiel pour une telle application. Contrairement au silicium, majoritairementexploité pour la réalisation de telles structures, le diamant possède l’avantage d’avoir unesurface carbonée biocompatible permettant une fonctionnalisation covalente et stable de biomoléculesspécifiques. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier la potentialité qu’offre ce matériau pour la réalisationde CPh 2D destinés à des applications de biodétection. Pour cela, une plateforme photoniquemonolithique compacte, intégrable sur silicium et optimisée pour un fonctionnement aux longueursd’onde proches de 1.55 μm a été développée. Une géométrie de cavité à fente a été retenue afin demaximiser la sensibilité des structures photoniques à leur environnement extérieur. Des méthodesnumériques ont permis de préciser les paramètres géométriques des CPh. Des procédés de microstructurationde films minces de diamant polycristallin sur substrat silicium 2 pouces ont été développéset optimisés, pour aboutir à la réalisation de CPh caractérisés par des facteurs de qualité pouvantatteindre 6500. Deux procédés technologiques spécifiques aux films de diamant polycristallin ont notammentété développés : un procédé de lissage et un procédé de transfert de films de diamant surisolant. La sensibilité optique des CPh en diamant à une modification chimique de surface a ensuiteété étudiée et a tout d’abord montré une forte dépendance de leurs performances optiques à de simplesvariations des terminaisons chimiques du matériau. Par la suite, une preuve de concept de détectionsurfacique de protéines en milieu liquide par les CPh en diamant a été réalisée en utilisant le systèmede bioreconnaissance biotine/streptavidine, donnant une limite de détection estimée pour le systèmeà 10 μg/mL. Enfin, des travaux préliminaires de détection dans le visible ont été engagés via la réalisationde cavités à CPh fonctionnant à 600 nm, présentant déjà des facteurs de qualité dépassant les1500.

Biodetection is at the core of the current health concerns, as shown through the variety of applications to HIV screening, food contaminant analysis or water quality monitoring. In this field, plasmonic biosensing is a well-established label-free technique on the market: commercial systems from HORIBA Scientific are currently available for both research and industrial users.Based on the surface plasmon resonance (SPR) phenomenon, plasmonic biodetection uses the high sensitivity of an evanescent wave propagating along a metallic film (forming the biochip) and the surrounding dielectric medium interface. More specifically, the adsorption of biomolecules onto the metal surface induces a strong change in the optical properties of a light beam reflected by the biochip: the main principle of plasmonic transduction consists in measuring these physical changes. Several interrogation techniques have therefore been developed to access such optical information, but they fail in meeting the most demanding user requirements for precise, real-time, high-throughput measurement.Initiated by these issues, the instrumentation work presented in this document has led to the development of a novel SPR interrogation technique, referred to as multi-spectral interrogation. Moreover, the promising results obtained have been pushed forward to propose a multi-spectral illumination system based on LEDs, providing attractive performances compared to existing configurations. The biosensing potential of the developed system, demonstrated through applications to genetic diagnosis and cancer detection, opens the door to a new generation of compact, high-performance, low-cost SPR sensors.; Dépistage du VIH, test de grossesse, mais également surveillance des eaux, détection de contaminants agro-alimentaires : la biodétection est au coeur des problématiques de santé actuelles. Dans ce contexte, les biocapteurs plasmoniques connaissent depuis quelques années un essor particulièrement important : de plus en plus de sociétés, telles que HORIBA Scientific, proposent des prototypes commerciaux, destinés tant à des utilisateurs du domaine de la recherche que de l'industrie. Basée sur le phénomène de résonance des plasmons de surface (communément appelé SPR) la biodétection plasmonique repose sur l'extrême sensibilité d’une onde évanescente se propageant à l’interface entre un film d’or, la biopuce, et le milieu diélectrique couvrant, siège des interactions biomoléculaires étudiées. De manière plus concrète, toute adsorption de matériel biologique se produisant à cette interface entraîne une modification importante des propriétés optiques d’un faisceau de lumière réfléchi par la biopuce : le principe de transduction par SPR consiste alors à mesurer directement ces variations. A l'heure actuelle, différents modes d'interrogation, offrant des performances intéressantes, mais également des limitations propres à chaque configuration. Pour répondre aux exigences de précision et de dynamique de mesure posées par de nombreuses applications, un développement théorique et instrumental, présenté dans ce document, a été initié dans le but de proposer un nouveau un nouveau mode d'interrogation des biopuces plasmoniques : l'interrogation multi-spectrale. Les résultats obtenus par cette technique ont été exploités pour concevoir et réaliser une source multi-spectrale à base de LEDs, particulièrement avantageuse vis-à-vis des configurations existant à l'heure actuelle. La caractérisation du système développé dans le cadre du diagnostic génétique (mucoviscidose) et celui du cancer, ouvre la voie à une nouvelle génération de biocapteurs performants, compacts et de coût relativement raisonnable, présentant un potentiel industriel certain.

Submicrometer Hall sensors, with Hall cross width of ~250 nm, were fabricated from InAs/AlSb quantum well semiconductor heterostructures. The room-temperature device characteristics were examined by experimental Hall effect and electronic noise measurements combined with analytical calculations. The noise-equivalent magnetic moment resolution of the order of 104muB/radicHz was obtained at frequencies above ~1 kHz. We show that the devices can achieve single superparamagnetic nanoparticle detection and thus be employed in experiments involving single magnetically labeled biomolecule detection.

In this work, we use a label free biosensing technique based on the diffraction of light by molecular gratings. Molecular gratings are employed as diffractive probe arrays for protein interaction analysis. Indeed, the diffraction efficiency changes in response to analyte binding, due to a shift in line thickness and/or refractive index of the grating. In this perspective, we have developed a scanning instrument, capable of collecting at high speed the diffracted intensity emitted by molecular gratings. Nanogratings composed of anti-GST antibodies lines (500 nm width at a pitch of 1 mu m) were immobilized through Microcontact printing on a PLL-g-dextran coated substrate. By monitoring the diffracted intensity of the anti-GST antibodies gratings, we have detected GST molecules at a concentration of 0.1 mu M. This biodetection technique appears sensitive to low molecular weight molecules, such as GST (glutathione S-transferase, 26 kDa), which is an interesting result in comparison to other label free detection methods. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.; 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}.[...]

[EN] We have recently demonstrated a biosensor based on a lattice of SU8 pillars on a 1 ¿m SiO 2/Si wafer by measuring vertically reflectivity as a function of wavelength. The biodetection has been proven with the combination of Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its antibody (antiBSA). A BSA layer is attached to the pillars; the biorecognition of antiBSA involves a shift in the reflectivity curve, related with the concentration of antiBSA. A detection limit in the order of 2 ng/ml is achieved for a rhombic lattice of pillars with a lattice parameter (a) of 800 nm, a height (h) of 420 nm and a diameter(d) of 200 nm. These results correlate with calculations using 3D-finite difference time domain method. A 2D simplified model is proposed, consisting of a multilayer model where the pillars are turned into a 420 nm layer with an effective refractive index obtained by using Beam Propagation Method (BPM) algorithm. Results provided by this model are in good correlation with experimental data, reaching a reduction in time from one day to 15 minutes, giving a fast but accurate tool to optimize the design and maximizing sensitivity, and allows analyzing the influence of different variables (diameter, height and lattice parameter). Sensitivity is obtained for a variety of configurations, reaching a limit of detection under 1 ng/ml. Optimum design is not only chosen because of its sensitivity but also its feasibility, both from fabrication (limited by aspect ratio and proximity of the pillars) and fluidic point of view. © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

The threat of a massive and lethal biological attack aiming at armies or civilians has compelled military research institutions to invest massively in planning the response to such an attack. The response to a biological attack is contingent to abilities of perception and identification of this attack. Therefore, the need of low-cost, reliable, easily transportable, biological detection solutions is crucial. In this manuscript, we study the cases of biosensors based on silicon resonant micro-membranes, fabricated by standards micro-fabrication techniques. We first emphasize the advantages of these types of sensors to fill the requirements of the studied problematic. Then, according to initial objectives expressed in term of mass resolution and sensitivity, we report the theoretical study enabling the sizing and design of micro-membranes in order to satisfy these requirements. The global detection principle is dynamic micro-gravimetry. The vibration of membranes is provided through the action of a piezoelectric patch deposited on top of the membranes, the vibration detection is operated by piezoresistances located at micro-membranes' clamping. We report the micro-systems fabrication, their packaging and the fabrication of associated detection electronics. Finally, the electrical, electro-mechanical and biological characterization enables the focus on main results obtained during this work with respect to state of the art. First point lies in the demonstration of a physical co-integration of piezoelectric and piezoresistive phenomena inside a same resonating microstructure for biosensing applications. On a second hand the ability to track in real time the resonant frequency of several multiplexed micro-membranes vibrating in a liquid media provided to piezoresistive detection of vibration is reported. At last, results obtained for detection of biological warfare agents' surrogates are presented.; La menace d'une attaque bactériologique massive et létale visant les armées ou les populations civiles ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner à une attaque bactériologique est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de cette attaque. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables, peu chères, facilement manipulables est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes en fonction d'objectifs initialement formulés en termes de sensibilité et de limite de détection. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique déposée sur sa surface, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive positionnée à l'encastrement de la membrane. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement ainsi que la fabrication de l'électronique de détection associée. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet de mettre en relief les principaux résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Le premier point réside dans la démonstration de la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif au sein d'une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés

The threat of a massive and lethal biological attack aiming at armies or civilians has compelled military research institutions to invest massively in planning the response to such an attack. The response to a biological attack is contingent to abilities of perception and identification of this attack. Therefore, the need of low-cost, reliable, easily transportable, biological detection solutions is crucial. In this manuscript, we study the cases of biosensors based on silicon resonant micro-membranes, fabricated by standards micro-fabrication techniques. We first emphasize the advantages of these types of sensors to fill the requirements of the studied problematic. Then, according to initial objectives expressed in term of mass resolution and sensitivity, we report the theoretical study enabling the sizing and design of micro-membranes in order to satisfy these requirements. The global detection principle is dynamic micro-gravimetry. The vibration of membranes is provided through the action of a piezoelectric patch deposited on top of the membranes, the vibration detection is operated by piezoresistances located at micro-membranes' clamping. We report the micro-systems fabrication, their packaging and the fabrication of associated detection electronics. Finally, the electrical, electro-mechanical and biological characterization enables the focus on main results obtained during this work with respect to state of the art. First point lies in the demonstration of a physical co-integration of piezoelectric and piezoresistive phenomena inside a same resonating microstructure for biosensing applications. On a second hand the ability to track in real time the resonant frequency of several multiplexed micro-membranes vibrating in a liquid media provided to piezoresistive detection of vibration is reported. At last, results obtained for detection of biological warfare agents' surrogates are presented.; La menace d'une attaque bactériologique massive et létale visant les armées ou les populations civiles ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner à une attaque bactériologique est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de cette attaque. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables, peu chères, facilement manipulables est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes en fonction d'objectifs initialement formulés en termes de sensibilité et de limite de détection. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique déposée sur sa surface, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive positionnée à l'encastrement de la membrane. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement ainsi que la fabrication de l'électronique de détection associée. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet de mettre en relief les principaux résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Le premier point réside dans la démonstration de la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif au sein d'une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés

A vigorous trade across the borders of biological and physical sciences is developing around new methods and tools, and around new phenomena. The objects at the heart of this multidisciplinary overlapping are numerous. In a non exhaustive manner, the objects of study can be nanoparticles, cells, or even smaller and more elementary objects such as molecules. For applications in the field of microelectronics as for studies of fundamental biological mechanisms, the integration of these objects of interest at the single object scale is essential. In the frame of this Ph.D. thesis, the objective we pursued is the development of a technological tool-box allowing the assembly of micro- and nano-objects at pre-determined locations of a solid surface, in a simple, reliable, low-cost and parallel manner. For this development, we focused on gold nanoparticles 100 nm in diameter, bacterial cells and DNA molecules in particular. We will describe the strategies developed relying on soft-lithography and their potentialities for different applications in the fields of medical analysis and sensing.; Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d'étude au coeur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s'agit de nanoparticules, de cellules ou encore d'objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l'étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l'intégration des objets d'intérêt à l'échelle de l'objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l'assemblage d'objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d'une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d'Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d'ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l'analyse médicale et de la détection.

The refractive index sensitivity of plasmonic nanoparticles is utilized in the development of real-time, label-free biodetection. Analyte molecules that bind to receptor-conjugated nanoparticles cause an increase in local refractive index that in turn induces an energy shift in the optical resonance of the particle. Biomolecular binding is quantified by quantitatively measuring these resonance shifts. This work describes the application and optimization of a biomolecular detection system based on gold nanorods as an optical transducer. A microspectroscopy system was developed to collect scattering spectra of single nanoparticles, and measure shifts of the spectra as a function of biomolecular binding. The measurement uncertainty of LSPR peak shifts of the system was demonstrated to be 0.3 nm. An analytical model was also developed that provides the optimal gold nanorod geometry for detection with specified receptor-analyte pair. The model was applied to the model biotin-streptavidin system, which resulted in sensing system with a detection limit of 130 pM - an improvement by four orders of magnitude over any other single-particle biodetection previously presented in the literature. Alternative optical detection schemes were also investigated that could facilitate mulitplexed biosensing. A theoretical model was built to investigate the efficacy of using a multi-channel detector analogous to a conventional RGB camera. The results of the model indicated that even in the best case, the detection capabilities of such a system did not provide advantages over the microspectroscopic approach. We presented a novel hyperspectral detection scheme we term Dual-Order Spectral Imaging (DOSI) which is capable of simultaneously measuring spectra of up to 160 individual regions within a microscope's field of view. This technique was applied to measuring shifts of individual nanoparticles and was found to have a peak measurement uncertainty of 1.29 nm, at a measurement rate of 2-5 Hz.

Biosensors enables to detect biological interactions, between probes localized at the chip surface, and targets of a solution. Biological applications of biosensing are wide. Here, we present a label-free optical transduction, enabling 2D imaging, and consequently parallel detection of several reactions. It is based on the absorption of biological molecules (at 260 nm for DNA and 280 nm for proteins). In this framework, recently developed AlGaN components can be used. Their emission/responsivity spectrum enables to select the spectral band of interest. Sensitivity is a major requirement of biosensing devices. Configurations leading to enhancement of the interaction between light and biological molecules are of interest. The first multilayer structures enable to locate the biological molecules at the antinode of the electric field. For a better sensitivity, resonant grating structures are then studied. They enable a much better confinement of the electric field close from the biological layer. The protein used in this study is the methionyl-tRNA synthetase. Its absorption is representative of protein absorption, and it can then serve as a model for biological macromolecules detection. The successive steps of chip modelling, fabrication, characterization, biological preparation and then imaging of the chips are described. Imaging of resonant grating is not largely studied, but it results in good sensitivity. In order to increase signal to noise ratio, a pre-dispersed illumination is proposed. It enables to take benefit of all the useful photons of the source by illuminating the chip in () resonant condition for each wavelength.; L'utilisation de bio-puces est basée sur la détection d'interactions biologiques ayant lieu entre des espèces immobilisées à la surface d'une puce ( sondes), et des espèces à détecter (cibles). Ces dispositifs ouvrent de nombreuses applications biologiques. On développe ici une méthode optique sans marquage, avec imagerie bidimensionnelle, basée de façon originale sur l'absorption dans l'ultraviolet des molécules biologiques (à 260 nm pour l'ADN et 280 nm pour les protéines). Dans ce cadre, les nouveaux composants à base d'AlGaN sont particulièrement adaptés car ils permettent de sélectionner précisément la bande spectrale d'intérêt. La sensibilité des méthodes de détection est un critère déterminant. Pour l'améliorer, on étudie ici des configurations qui amplifient l'interaction lumière-élément biologique. Les premières structures multicouches permettent de placer un ventre du champ électrique au niveau de l'élément biologique. Ensuite, on s'attache à utiliser des propriétés des "réseaux résonants", qui concentrent bien davantage le champ électrique au niveau des éléments biologiques. La protéine modèle utilisée est la méthionyl-ARNt synthétase. Elle est représentative et garantit l'applicabilité à n'importe quelle autre molécule biologique. Les étapes de définition des structures, fabrication, caractérisation, dépôt biologique et enfin l'étape finale d'imagerie des biopuces sont décrites. L'imagerie de biopuces optiquement résonantes sur réseau est peu développée, mais on vérifie qu'elle atteint cependant de bonnes sensibilités. Afin d'augmenter le rapport signal sur bruit, il est suggéré d'intégrer le signal sur toute la résonance en pré-dispersant l'éclairage.

Biosensors enables to detect biological interactions, between probes localized at the chip surface, and targets of a solution. Biological applications of biosensing are wide. Here, we present a label-free optical transduction, enabling 2D imaging, and consequently parallel detection of several reactions. It is based on the absorption of biological molecules (at 260 nm for DNA and 280 nm for proteins). In this framework, recently developed AlGaN components can be used. Their emission/responsivity spectrum enables to select the spectral band of interest. Sensitivity is a major requirement of biosensing devices. Configurations leading to enhancement of the interaction between light and biological molecules are of interest. The first multilayer structures enable to locate the biological molecules at the antinode of the electric field. For a better sensitivity, resonant grating structures are then studied. They enable a much better confinement of the electric field close from the biological layer. The protein used in this study is the methionyl-tRNA synthetase. Its absorption is representative of protein absorption, and it can then serve as a model for biological macromolecules detection. The successive steps of chip modelling, fabrication, characterization, biological preparation and then imaging of the chips are described. Imaging of resonant grating is not largely studied, but it results in good sensitivity. In order to increase signal to noise ratio, a pre-dispersed illumination is proposed. It enables to take benefit of all the useful photons of the source by illuminating the chip in () resonant condition for each wavelength.; L'utilisation de bio-puces est basée sur la détection d'interactions biologiques ayant lieu entre des espèces immobilisées à la surface d'une puce ( sondes), et des espèces à détecter (cibles). Ces dispositifs ouvrent de nombreuses applications biologiques. On développe ici une méthode optique sans marquage, avec imagerie bidimensionnelle, basée de façon originale sur l'absorption dans l'ultraviolet des molécules biologiques (à 260 nm pour l'ADN et 280 nm pour les protéines). Dans ce cadre, les nouveaux composants à base d'AlGaN sont particulièrement adaptés car ils permettent de sélectionner précisément la bande spectrale d'intérêt. La sensibilité des méthodes de détection est un critère déterminant. Pour l'améliorer, on étudie ici des configurations qui amplifient l'interaction lumière-élément biologique. Les premières structures multicouches permettent de placer un ventre du champ électrique au niveau de l'élément biologique. Ensuite, on s'attache à utiliser des propriétés des "réseaux résonants", qui concentrent bien davantage le champ électrique au niveau des éléments biologiques. La protéine modèle utilisée est la méthionyl-ARNt synthétase. Elle est représentative et garantit l'applicabilité à n'importe quelle autre molécule biologique. Les étapes de définition des structures, fabrication, caractérisation, dépôt biologique et enfin l'étape finale d'imagerie des biopuces sont décrites. L'imagerie de biopuces optiquement résonantes sur réseau est peu développée, mais on vérifie qu'elle atteint cependant de bonnes sensibilités. Afin d'augmenter le rapport signal sur bruit, il est suggéré d'intégrer le signal sur toute la résonance en pré-dispersant l'éclairage.

Enhancement of biochips and biochips scanners is a crucial issue in the actual industry that needs more sensitive and less expensive molecular analysis tools. In this aim, several points have to be re-examined: detector sensitivity, chip density, labeling. In this perspective, we have developed several different techniques based on soft lithography to pattern molecules. We also have developed a label-free detection system based on diffraction, to create a full biochip platform, without labeling and at low cost. Through this manuscript, several biomolecules patterned at nanoscale, will be studied: dendrimers, molecular imprinted polymers (MIP), DNA. We will see some techniques to pattern molecules at nanoscale with soft lithography but without any previous advanced lithography to create molds. Moreover, we will study the "macrostamp" that ables to print several different biomolecules in one step by soft lithography. A method to detect the molecular interaction based on light diffraction will be presented, in order to remove the labeling step. This step involves the risk of damaging the molecule and so the risk of modifying their functions. This work takes place in the context of an industrial development project in partnership with the society Innopsys. The aim is to democratize biochips analysis to increase their accessibility to hospitals and analysis laboratories and not only to research organization.; L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

Biodetection is one of the main challenges for different applicative fields such as diagnostic or pharmacological drug screening. The objective of this work is to develop a label-free biosensing technique based on the diffraction of light by a grating composed of submicrometric lines composed of biomolecules. For this purpose, we develop an optical model simulating the biosensor response in order to determine the key parameters used to optimize the detection. We show the application of this technique with two different interactions: one for the diagnostic, the other for pharmacological drug screening. Based on these experimental data, the optical model is validated. We also propose a new process to deposit different biomolecules in one step by micro contact printing, integrated into the biosensing set-up. The role and the impact of this technique for the citizen, are presented together with the general field of nanotechnologies.; La détection d'interactions biologiques est un des enjeux majeurs de différents domaines tels que le diagnostic médical ou le criblage de médicaments. L'objectif de ce travail est le développement d'une technique de biodétection sans marquage basée sur la diffraction d'un réseau de lignes submicroniques composées de biomolécules. Pour cela, nous développons un modèle optique permettant de simuler la réponse de biocapteurs diffractifs qui détermine les paramètres clefs adaptés à une détection optimale. Nous démontrons l'application de cette technologie à la détection de deux interactions biochimiques différentes, l'une représentant le domaine du diagnostic, l'autre celui du criblage pharmacologique. En se basant sur ces résultats, une corrélation avec le modèle développé est effectuée. Nous proposons aussi un procédé parallèle de dépôt par tamponnage moléculaire de différentes biomolécules en une seule étape, intégré dans le système de détection. Une réflexion sur le rôle et l'impact au niveau du citoyen de cette technologie, et plus généralement des nanotechnologies, est présentée.