Дисертації з теми "Diffusion Raman Exaltée de Surface (DRES)"

Au cours des dernières décennies, l'utilisation des produits phytosanitaires communément appelés pesticides a augmenté. Ces substances sont devenues de plus en plus présentes dans notre environnement, s’'accumulant ainsi dans les sols, l'air et les eaux. Ces produits, même en très faible concentration, représentent un danger pour la santé humaine, végétale et animale. Pour toutes ces raisons il est important d'encadrer l'utilisation des produits phytosanitaires en interdisant l'utilisation de certaines de ces substances et en mettant en place des réglementations pour fixer les Limites Maximales de Résidus (LMR). Il est aussi nécessaire de développer de nouvelles méthodes de détection et d’identification de polluants à l'état de trace car les techniques conventionnelles nécessitent de gros équipements de laboratoire qui ne sont pas compatibles avec des analyses sur site.Dans le cadre de nos travaux, nous utilisons la Diffusion Raman Exaltée de Surface (DRES) pour détecter et identifier des molécules à l’'état de trace. Nous avons étudié et analysé les performances de trois substrats DRES commerciaux (Hamamatsu, SERSitive et Ocean Insight) pour la détection et l'identification d'une molécule modèle à des concentrations de l'ordre de 10-6 M et 10-8 M. Nous avons comparé les réponses Raman à partir des cartographies enregistrées sur leurs surfaces à deux longueurs d’onde incidentes. Nous avons également développé et optimisé des supports métalliques nanorugueux capables de détecter et identifier des molécules avec une limite de détection à 10-9 M. Nous présenterons le protocole expérimental utilisé pour fabriquer ces substrats nanorugueux en or. Ensuite, nous avons étudié les propriétés topographiques des surfaces pour mieux comprendre les propriétés d'exaltation des substrats. Ces derniers sont analysés par microscopie électronique à balayage et par microscopie à force atomique (AFM). Les réponses optiques des supports nanorugueux sont étudiées en champ proche par photoémission d’électrons (PEEM) et en champ lointain par spectrométrie Raman une fois ces supports mis en contact avec des solutions contenant des molécules à très faibles concentrations. Nous avons comparé la réponse spectrale, les distributions d'intensité, et la stabilité sous faisceau laser, des substrats nanorugueux en or et le substrat le plus efficace parmi les trois substrats DRES commerciaux en analysant les spectres Raman à une concentration de 10-8 M.La stabilité de la réponse Raman des substrats DRES commerciaux et du substrat nanorugueux optimisé a été étudiée dans le temps, pendant une durée de plusieurs mois. Avec le temps, l'efficacité des substrats diminue et il n'est alors plus possible de détecter la présence des molécules. Nous avons développé une méthode qui permet d'améliorer les performances Raman de ces substrats vieillis. Les performances de ces substrats améliorés ont été étudiées en analysant les distributions d'intensité Raman à partir d'imagerie contenant plusieurs centaines de spectres. Nous avons utilisé les substrats nanorugueux en or pour détecter les molécules présentes dans un mélange binaire de molécules modèles à une concentration de 10-8 M. Nous avons analysé les cartographies Raman en utilisant des outils chimiométriques, à savoir l’'Analyses en Composantes Principales (ACP), et la Multivariate Curve Resolution (MCR)
In recent decades, the use of phytosanitary products commonly called pesticides has increased. These substances have become increasingly present in our environment, accumulating in soil, air and water. Even at very low concentration these products represent a danger to human, plant and animal health. For all these reasons it is important to regulate the use of phytosanitary products by prohibiting the use of certain of these substances and by strengthening regulations to set Maximum Residue Limits (MRLs) as low as possible. It is also necessary to develop new methods for detecting and identifying trace pollutants because conventional techniques require large laboratory capabilities which are not compatible with on-site analyses.In my PhD. work, we have used Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) to detect and identify trace molecules. We studied and analyzed the performance of three commercial DRES substrates (Hamamatsu, SERSitive and Ocean Insight) for the detection and identification of a model molecule at concentrations of the order of 10-6 M and 10-8 M. We compared the Raman responses from the Raman maps recorded on their surfaces at two incident wavelengths. We have also developed and optimized efficient nanorough metallic substrates to detect and identify molecules with a detection limit of 10-9 M. We will present the experimental protocol used to fabricate our nanorough gold substrates. The topographical properties of the surfaces were studied by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) to better understand the reason of SERS properties of the substrates. The optical responses of our nanorough substrates were studied in the near field by electron photoemission (PEEM) and in the far field by Raman spectrometry after putting them in contact with solutions containing molecules at very low concentrations. We compared the spectral response, intensity distributions, and stability under laser beam, of gold nanorough substrates and the most efficient substrate among the three commercial DRES substrates by analyzing the Raman spectra at a concentration of 10-8 M.The stability of the Raman response of the commercial SERS substrates and our optimized nanorough substrates was studied over time, for a period of several months. The effectiveness of the substrates decreases over time and it is no longer possible to detect the presence of the molecules after several months. In my PhD work we have tested a method that makes it possible to improve the Raman performance of these aged substrates. The performance of these improved substrates was studied by analyzing Raman intensity distributions from imaging containing several hundred spectra. Finally, we used the gold nanorough substrates to detect molecules present in a binary mixture of model molecules at a concentration of 10-8 M. We analyzed the Raman maps using chemometric tools, namely Component Analysis. Principal (ACP), and Multivariate Curve Resolution (MCR)

Ce travail de thèse se focalise sur le couplage du microscope à force atomique haute–vitesse (HS-AFM) et de la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour la détection des biomolécules. Nous avons élaboré un protocole de fabrication pour produire les substrats “SERS-actifs”. L’efficacité des substrats de nanoparticules cristalline d’or, d’argent ou bimétallique argent–or a été évaluée. Nous avons étudié l’impact des propriétés optiques et morphologiques des substrats sur l’intensité Raman en analysant des échantillons tests tels que la bipyridine éthylène et le bleu de méthylène. Nous nous sommes interessés à trois problematiques biologiques distinctes par analyses HS-AFM et SERS. Dans un premier cas, nous avons détecté la signature chimique de protéine cytochrome b5. Ce travail a été suivi par des études sur le changement de conformation de la protéine de choc thermique leuconostoc oenos Lo 18 en fonction de la concentration et du pH. La dernière application consiste en l’analyse des interactions membrane – virus. Afin de réaliser les analyses simultanées Raman/AFM, nous avons adapté notre protocole de fabrication pour couvrir la surface des pointes AFM commerciales par des nanoparticules d’or cristallines. Les études de diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS) ont été effectuées sur les échantillons de disulfure de molybdène pour évaluer la qualité des pointes TERS. Pour finir, nous présentons une nouvelle configuration de couplage HS-AFM et spectroscopie Raman. Nous discutons des modifications et des défis rencontrés
This thesis focuses on the coupling of High–Speed Atomic Force Microscopy (HS-AFM) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for biomolecule analysis. We have designed a fabrication protocol to manufacture “SERS-active” substrates. The efficacy of gold, silver and gold-silver bimetallic crystalline nanoparticle substrates were evaluated. We have investigated the impact of optical and morphological features of the substrates on Raman signal intensity by analyzing well-known samples such as bipyridine ethylene and methylene blue molecules. We took an interest in three distinct biological problematics with HS-AFM and SERS analyses. First, we have detected the chemical signature of cytochrome b5 protein. This study was followed by the investigation of conformational changes of small heat shock leuconostoc oenos Lo 18 protein in function of pH level and concentrations. The last application consists to the analyse a membrane and a virus interaction. In order to realize simultaneous Raman/AFM analysis, we have adapted our fabrication protocol to cover the surface of commercial AFM probes by crystalline gold nanoparticles. Tip – Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) studies were performed on molybdenum disulfide to evaluate the quality of TERS probes. In the last part of this work, we have designed a new setup to combine Ando’s HS-AFM setup with Raman spectroscopy. We present the modifications that have been carried out and the challenges that we have encountered

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

Deux études distinctes mettant en oeuvre la détection et l'analyse de signaux spectroscopiques optiques de molécules individuelles- colorants ou molécules organiques- ont été menées.
Par microscopie grand champ de fluorescence, l'émission de molécules uniques de pérylène orange insérées dans un film solgel mince, par enregistrement de films d'une large zone de l'échantillon sur laquelle plus d'une centaine d'émetteurs individuels sont détectés, fournit des informations sur cette espèce et la matrice sondée. Pour exploiter les films, un outil logiciel a été développé. Les processus de photoblanchiment, la mobilité moléculaire, la nucléation des molécules excitées sont mis en évidence et discutés. On note une grande richesse des dynamiques temporelles d'émission, mais aussi des spectres qui reflètent notamment la reconformation proposée du pérylène orange excité. Il s'ensuit l'existence de nombreux nanoenvironnements différents dans la matrice poreuse.
Par microscopie confocale à balayage, le signal de diffusion Raman exaltée de surface de molécules uniques organique adsorbées sur des agrégats d'argent de morphologie complexe est exploité. Certains objets présentent une exaltation géante, estimée être de plus de 14 ordres de grandeur, ce qui permet l'enregistrement de spectres résolus en seulement une seconde. L'analyse chimique offerte permet de distinguer différentes espèces, et la présence nécessaire sur ces points chauds d'Ag+ est démontrée. Une caractérisation corrélée par microscopie électronique des agrégats actifs repérés met aussi en avant l'existence d'une morphologie privilégiée, avec de nombreuses protubérances de dimension nanométrique et interstices.

Depuis la première observation du phénomène de Diffusion Raman Exaltée de Surface (DRES) en 1974 de nombreuses méthodes ont été développées pour contrôler l'arrangement de nanostructures métalliques sur une surface dans le but d'augmenter le signal de diffusion Raman. La valeur du facteur d'amplification de la DRES résulte principalement de l’accroissement localisé du champ électromagnétique pour des surfaces métalliques nanostructurées. Des études antérieures ont révélé que l'espacement nanométrique entre les nanoparticules constituait des zones de forte exaltation appelées «points chauds». Nous avons développé et breveté une méthode de lithographique assistée par AFM permettant la fabrication de surfaces métalliques. Il a été démontré que cette méthode fournissait une approche relativement simple pour réaliser d’une part des surfaces reproductibles à géométrie contrôlée à l’échelle nanométrique, et d’autre part des surfaces modèles pour étudier l'influence de la géométrie des motifs sur l'effet DRES. Afin d'étudier la relation entre les propriétés optiques et la géométrie de nos systèmes la résonance plasmon localisée de surface (LSPR) et le facteur d'exaltation du champ électrique local ont été simulés par éléments finis. Les zones de forte exaltations ont été localisées sur les nanostructures par microscopie par photoémission d'électrons (PEEM) et l'effet DRES a été démontré en effectuant des mesures Raman avec plusieurs molécules cibles. Les corrélations effectuées entre les résultats de PEEM, les calculs du champ local et les facteurs d’exaltation Raman seront présentées en lien avec les paramètres géométriques des motifs de nanostructures
Since the first observation of Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) in 1974 a variety of methods have been developed to physically control the arrangement of metallic nanostructures onto a surface in order to enhance Raman signals. The magnitude of the SERS enhancement factor is mainly driven by the enhanced local electromagnetic field in nanostructured metal surfaces. Gaps between adjacent nanoparticles give rise to strong enhancement effects, often referred as ‘hot spots’. One way to produce highly efficient SERS substrates is to develop a reproducible system of interacting metal nanostructures capable of high field enhancement.We patented a force-assisted Atomic Force Microscopy lithographic method allowing the fabrication of a metallic substrate. It will be shown that this method also provides a relatively simple approach to realize reproducible patterns with controlled geometry that can be used to study the influence of specific pattern geometry on SERS phenomenon.In order to investigate the relationship between optical properties and pattern geometries, localized surface plasmon resonance (LSPR) and local electric field enhancement are simulated.Whereas electric field enhancement regions (hot spot) have been observed on the top of the nanostructures with PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), SERS effect has been demonstrated by performing Raman measurements using several probe molecules. Correlations between PEEM measurements, Raman exaltation and local field calculations are presented in relation with the geometrical parameters of the nanostructured patterns

Le but de cette thèse est d’étudier des nanoparticules d’or par spectroscopie d’extinction, diffusion Raman exaltée de surface (DRES) et champ proche optique. Les mesures d’extinction sur ces particules fabriquées par lithographie électronique ont permis de mettre en évidence l’effet de la forme des particules sur la position de la résonance plasmon. Nous avons également pu mettre en évidence l’existence de modes multipolaires pour des nanoparticules de forme allongée. L’efficacité DRES de ces nanoparticules a été étudiée en déposant différents types de molécules (BPE, rhodamine 6G et acide benzoïque). La dépendance de l’exaltation Raman en fonction de la longueur des nanoparticules a été clairement démontrée et un maximum d’exaltation a été observé pour une longueur spécifique. Pour de tels réseaux de particules, nous avons également montré que l’efficacité DRES des modes multipolaires de plasmon de surface localisés était plus importante que l’exaltation observée pour l’ordre dipolaire. Nous avons également étudié ces nanoparticules métalliques par microscopie optique en champ proche. Lors du fonctionnement du microscope à force atomique (AFM) en mode tapping, nous avons observé la présence d’artefacts d’amplitude corrélés au signal d’erreur dû aux variations de l’amplitude de vibrations de la pointe. Celui-ci se produit pour un mauvais alignement du faisceau d’illumination sur la pointe. Cet artefact peu engendrer la formation d’images optiques n’ayant aucune réalité physique (champ proche). Pour finir nous présentons les premiers résultats sur un nouveau type de pointes appliquées au Raman en champ proche
The aim of this PHD is to study gold nanoparticles by extinction spectroscopie, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) and Near-field optic. The extinction measurements on such particles designed by electronic beam lithography have given evidence of the particle shape effect on the Plasmon resonance position. We have also observed the existence of multipolar Plasmon resonance on elongated nanoparticles. The SERS efficiency of nanoparticles has been investigated by deposing several different molecular probes (BPE, rhodamine 6G and benzoïc acid). The observation of the dependence of the Raman enhancement versus the nanoparticle length is clearly demonstrated and remarkably a maximum enhancement is observed for a specific length. For such particles, we also show clearly that a multipolar localized surface plasmon modes exhibites a stronger efficiency than the first dipolar order. We have studied the nanoparticles by Near-Field Optical Microscopy. We reported on one artefact related to the error signal in cantilever vibration amplitude of the illumination beam and is insidious because it can produce sub-diffraction limited optical features that actually have no correlation with the true optical Near-Field. To conclude, we also present some first results on one new kind of tip applied to Raman Near-Field spectroscopy

Nous avons étudié la position de la résonance de plasmon de surface localisé et la diffusion Raman exaltée de surface de réseaux périodiques de nanostructures métalliques de taille, de forme et d’environnement différents. Pour calculer les résonances de plasmon de surface localisé et les gains Raman, nous avons développé un code de calcul basé sur la méthode aux différences finies dans le domaine temporel en utilisant le modèle de dispersion de Drude-Lorentz. Nos résultats ont mis en évidence une forte influence de la géométrie et de l’environnement des nanoparticules sur leur résonance plasmon et leur signal Raman. Nous avons observé les résonances des modes plasmons d’ordres dipolaires et multipolaires et nous avons observé un décalage entre la position de la résonance de plasmon de surface et la position du maximum de l’intensité du signal Raman quelles que soient la taille et la forme des nanoparticules. Cet outil mathématique peut donc permettre d’optimiser les fabrications d’échantillons, en donnant les paramètres de taille, de forme et d’environnement nécessaires à l’obtention de signaux Raman les plus intenses
We studied the position of the localized surface plasmon resonance and the surface enhanced Raman scattering of periodic arrays of metallic nanostructures with different size, form and environment. To calculate localized surface plasmon resonance and the Raman gain, we developed a numerical code based on the finite difference time domain method using the Drude-Lorentz dispersion model. Our results highlighted a strong influence of the geometry and environment of the nanoparticles on their resonance plasmon and their Raman signal. We observed dipolar and multipolar plasmon mode resonances as well as a shift between the position of the Plasmon resonance and the position of the maximum of the intensity of the Raman signal, whatever the size and the form of the nanoparticles. This numerical tool can thus make it possible to optimize manufacture of samples, by giving the parameters of size, form and environment necessary to achieve the most intense Raman signals

Ce travail de thèse s'articule autour des phénomènes d'exaltation de la diffusion Raman grâce aux propriétés optiques des métaux nobles (Or et Argent). Des expériences de Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS : Surface Enhanced Raman Spectroscopy) et de Spectroscopie Raman Exaltée par sonde locale (TERS : Tip Enhanced Raman Spectroscopy) ont permis l'exploration des ces phénomènes. Le premier volet de ce travail a consisté en la préparation de substrats « SERS-actifs » et en l'analyse de leurs pouvoir exaltant. Trois types de substrats ont été élaborés au laboratoire afin d'étudier les paramètres d'influence (structuration de la surface, longueur d'onde et polarisation de la lumière incidente, nature du métal, etc...). Le second volet du travail a été consacré à la mise en place d'un dispositif TERS. La conception des pointes métalliques a fait l'objet d'une attention particulière. De plus, un module a été élaboré afin d'associer un système de nano-positionnement de la pointe à un Raman confoncal commercial. Ce module a aussi été conçu pour permettre de focaliser le faisceau laser à l'extrémité de la nano-sonde métallique. La conception des outils ainsi que la compréhension des résultats expérimentaux sont corrélés à une analyse numérique. Les sources électromagnétiques (plasmons de surface et effet de pointe) de l'amplification de la diffusion Raman sont étudiées avec l'appui de simulations numériques par la méthode des éléments finis. Enfin les aspects chimiques des phénomènes d'exaltation sont abordés par DFT (Density Functiunal Theory).

Les expériences menées en spectroscopie Raman en champ proche optique restent rares du fait de la faiblesse intrinsèque du processus de diffusion Raman. Une partie de cette thèse s’est donc orientée vers l’étude de l’effet Raman exaltée de surface (SERS), technique permettant de détecter de très faibles concentrations de molécules adsorbées à la surface de substrats métalliques rugueux, pour, à terme, enregistrer des spectres Raman en champ proche. Nous avons, dans un premier temps, en utilisant des réseaux de nanoparticules métalliques réalisés par lithographie électronique, étudié différents paramètres (forme, taille, arrangement) permettant d’accorder la résonance plasmon de surface localisé. Nous nous sommes alors intéressés à la relation entre la position de cette résonance et l’intensité du signal SERS. Nous avons observé que l’obtention de la meilleure exaltation dépend non seulement de la position spectrale de la résonnance plasmon, mais également de la géométrie des structures métalliques sur lesquelles sont localisées ces résonances. Parallèlement nous avons développé un microscope en champ proche optique à sonde sans ouverture associé à un éclairage par un continuum de lumière blanche, obtenu en couplant une fibre à cristaux photoniques à un laser pulsé Ti:Sa. Ce dispositif a permis d’étudier la réponse optique de réseaux de particules métalliques, à différentes longueurs d’ondes d’excitation. Nous avons ensuite mis en œuvre un système de comptage de photons pour enregistrer, directement, des spectres « d’extinction » en champ proche
The intrinsic weakness of the Raman process makes its application in a near field optical experiment rather difficult. Thus, as a first step towards near field Raman spectroscopy, we studied Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS), a technique that enables the detection of very low concentration of molecules adsorbed on rough metallic surfaces. For the purpose of the near field experiments, these SERS-active samples have to be reproducible and yield good enhancement factors. By designing metallic nanoparticle grating through electron beam lithography, we manage to vary the shape, size and arrangement of the particles, hence enabling a fine tuning of the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) over the whole visible spectrum. We then investigate the relationship between the spectral position of the LSPR and the SERS intensity. The enhancement factor turned out to depend not only on the spectral position of the LSPR, but also on the shape of the metallic nanoparticles on which the surface plasmon is localized. In the same time, we build up an Apertureless Scanning Near Field Optical Microscope (ASNPM) set-up. The microscope is based on an atomic force microscope and a confocal detection coupled to a spectrometer. The near field/far field discrimination is achieved through the use of a lock-in detection of a photon counting device. Using this set-up along with a white light continuum, generated by coupling a Photonic Crystal Fiber to a Ti:Sa laser, made it possible to investigate the near field optical response of metallic nanoparticle gratings at different excitation wavelengths. A photon counting scheme was then used to directly record near field “extinction” spectra

Ce travail présente une méthode originale de détection et de quantification, sans étape de marquage, de la proportion de bases libres contenues dans des acides nucléiques. La spectrométrie de diffusion Raman exaltée de surface (DRES ou SERS en anglais) nous a permis d’obtenir la signature spectrale spécifique des nucléotides caractéristiques des ARN (adénosine, cytosine, guanosine et uridine), en utilisant des colloïdes d’argent comme substrat-DRES et des ajouts de MgCl2 comme agent d’agrégation. Les conditions de détection ont été optimisées pour établir un protocole de quantification de la proportion des nucléobases non-appariées par spectrométrie DRES. Les limites de détection obtenues sont de l’ordre de quelques dizaines de picomoles. L’amélioration de la reproductibilité des mesures par spectrométrie DRES passe par le contrôle précis des temps de réaction (adsorption et agrégation), qui peut être contrôlé grâce à l’utilisation de plateformes microfluidiques adaptées. Nous avons mis en œuvre deux types de plateformes microfluidiques, l’une basée sur des écoulements monophasiques et l’autre sur la génération de gouttes. Les espèces à analyser sont contenus dans les gouttes, permettant la détection in situ par spectrométrie DRES des divers nucléotides
This work deals with the development of an original label-free method for free bases proportions detection and quantification of nucleic acids. The surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) allowed obtaining the specific spectral signature of characteristic nucleotides of RNA (adenosine, cytosine, guanosine and uridine), using silver colloids as SERS substrate and MgCl2 addition as aggregating agent. Then, the condition detection have optimizing to establish a label-free quantification protocol of free nucleobases proportion by SERS spectroscopy. The detection limits obtained are order of few picomoles. The reproducibility improvement of SERS detection requires the precise control of time reaction (adsorption and aggregation), which could be control thanks to microfluidic chips use. We have implemented two different microfluidic chips, one based on single-phase flows and one other based on droplets generation. The analyzed species are containing in droplets, allowing in situ detection by spectroscopy SERS of various nucleotides

L'élaboration d'assemblages de nanoparticules (NPs) couplées a suscité un grand intérêt ces dernières années, en vue d'applications en spectroscopies exaltées de surface. Dans ce cadre, la spectroscopie Raman exaltée de surface (effet SERS) s'inscrit comme étant un outil extrêmement sensible, permettant d'accéder à la détection de diverses molécules à l'état des traces (drogues, explosifs, molécules biologiques). Cela est rendu possible grâce à la présence d'agrégats de NPs couplées qui génèrent une forte amplification du champ électromagnétique au niveau de leur interstice, appelé point chaud. Cependant, une des difficultés majeures rencontrées est la non-reproductibilité de ces points chauds, générés par des agrégats généralement désorganisés. L'objectif de ce travail est d'élaborer et de caractériser par SERS des assemblages structurés de nanostructures d'or couplées. Deux voies sont explorées : (i) la fabrication de substrats où des NPs d'or couplées sont auto-assemblées de manière ordonnée. Cette stratégie a montré qu'un très petit nombre de NPs couplées est propice à la détection de traces. En revanche, le cas d'un grand nombre de NPs couplées est plutôt favorable pour des études analytiques classiques. Cette méthode est également adaptable à des NPs de forme diverses, (ii) La deuxième stratégie consiste à coupler des NPs d'or à un film d'or par l'intermédiaire d'un polymère thermosensible. Des études par électrochimie et par SERS en fonction de la température ont révélé une interaction entre le film d'or et les NPs. Cette interaction est dépendante de la distance entre ces deux entités qui est gouvernée par l'activité du polymère grâce à la température du milieu
Since the last decade, the development of coupled nanoparticles (NPs) assemblies has been particularly studied for applications in surface enhanced spectroscopy. In this field, the surface enhanced Raman scattering (SERS is considered as an extremely sensitive tool, allowing the detection of very few amounts of various molecules type (drugs, explosives, biological molecules). It requires very huge electromagnetic field enhancements occurring within the gap between coupled NPs, called hot-spot. However, one of the major difficulties is the non-reproducibility of these hot spots, occurring by generally random NPs aggregates. In this work, we propose to design and to characterize by SERS structured assemblies of coupled gold nanostructures. Two ways are explored: (i) the development of substrates in which coupled gold NPs are self-assembled in an patterned way. This strategy shows that a small amount of coupled NPs is favourable to the detection of few molecules. On the other hand, the case of a great amount of coupled NPs is rather favorable to common analytical studies. Moreover, this method is adaptable to various form of NPs. (ii) The second strategy consist in a plasmonic device made of gold NPs separated from a gold film through a thermoresponsive polymer layer. Studies using electrochemistry and SERS as the function of the temperature show an interaction between the gold film and the NPs. This interaction is dependent on the distance between these two entities which is controlled by conformational changes of the polymer layer in response to temperature variations. A new setup which can make an image of the near field enhanced areas. The main idea is about the adsorbate molecule which is sensible to the near field, although its enhanced Raman scattering detection is done in far field. We can say that the molecule frustrate the near field in order to give an image of this local field

Ce travail porte sur la réalisation de nanostructures d'or sur substrat de verre afin d’en étudier les propriétés plasmoniques et de les optimiser pour des applications dans le domaine des biocapteurs. L'objectif principal a été de démontrer la faisabilité de combiner sur une même biopuce, les biocapteurs à résonance de plasmon de surface propagatif (SPR) et ceux basés sur la diffusion Raman exaltée de surface (SERS). Nous montrons que la présence d’un film d’or sous les nanostructures est très favorable pour une double caractérisation SPR-SERS. Afin d’étudier plus en détails les couplages entre les différents modes plasmoniques existants dans ces substrats et ainsi pouvoir déterminer la structure optimale, l’essentiel des échantillons a été réalisé par lithographie électronique. La nanoimpression assistée par UV (UV-NIL) a aussi été développé au cours de cette thèse afin de réaliser un nombre important d'échantillons et répondre aux futurs besoins de l'industrie des biocapteurs. Les performances de ces échantillons réalisés par UV-NIL ont été comparées avec ceux fabriqués par lithographie électronique. Les diamètres des nanodisques d'or varient de 40 nm à 300 nm et les périodes de 80 nm à 600 nm en fonction de la technique de fabrication. En SERS, des facteurs d’exaltation de 10^6 à 10^8 ont été obtenus grâce à la présence du film d’or continu sous le réseau de nanodisques. Ce gain est fonction de l’épaisseur du film d’or, de la longueur d’onde d’excitation utilisée et du taux de remplissage des nanostructures. En SPR, nous avons démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de couplage entre les modes localisés et propagatifs donnant lieu à un nouveau mode hybride, potentiellement plus sensible car plus confiné. Les calculs numériques développés pour simuler le comportement de structures réelles (présence d’arrondi, de flanc ou de couche d’accroche) confirment les résultats obtenus. L’ensemble de ce travail a permis de manière expérimentale et théorique d’apporter une meilleure compréhension des propriétés plasmoniques aux échelles nanométriques sur des structures constituées de réseaux de nanostructures d'or, notamment sur film d’or. Par ailleurs, une étude précise des différentes étapes technologiques a permis de comprendre quels éléments impactent significativement les propriétés plasmoniques des échantillons et donc améliorent ou dégradent les performances de ces substrats en tant que biocapteur. Au final, les échantillons réalisés ont été testés et validés en tant que biocapteur au sein d'un appareil bimodal SPR-SERS
This thesis is focused on gold nanostructuration on glass substrate in order to study and optimize their plasmonic properties for biosensing applications. The main goal was to demonstrate the feasibility of combining on a single biochip, Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) and Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) measurements. We have demonstrated that adding a gold film under the nanostructures was highly beneficial for a dual SPRI-SERS characterization. In order to optimize the geometry of the nanostructures and understand the various plasmonic modes, most of the samples were first made by electron beam lithography. Nanoimprinting assisted by UV (UV-NIL) was also developed during this thesis to manufacture samples in large quantities and reply to the future industrial needs for biosensing applications. Performances of these UV-NIL samples were compared with those produced by e-beam lithography. Diameters and periods of gold nanodisks range respectively from 40 nm to 300 nm and 80 nm to 600 nm, depending on the manufacturing technique used. In SERS, enhancement factor of 10^6 to 10^8 were obtained thanks to the presence of the continuous gold film under the nanodisks array. We found that this gain is a function of the thickness of the gold film, the excitation wavelength used and the nanostructures filling factor. In SPRI, we have demonstrated experimentally and theoretically the existence of a coupling between the propagating and localized plasmonic modes, resulting in a new hybrid mode, potentially more sensitive due to its high confinement. Numerical models confirm these results, taking into account the defects found in real samples (rounded edges, imperfect lateral side, adhesion layer). The whole work proposes a better understanding, both experimentally and theoretically, of the plasmonic properties at nanoscale of gold nanostructures with and without an underlying gold film. Moreover, a detailed study of the different technological processes helps to understand which steps significantly impact the plasmonic properties of the samples and their performance as a biosensor. Finally, these samples were characterized and validated on a bimodal instrument SPRI-SERS

La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) est utilisée pour la mise au point d’un biocapteur capable de détecter des pesticides dans l’eau, en se basant sur le suivi de l’activité enzymatique de l’Acétylcholinestérase (ACHE). Les nanoparticules d’or sont utilisées comme substrats SERS actifs. Le signal Raman exalté de l’analyte est optimisé en testant plusieurs types de nanoparticules.Le Raman SERS a permis la détection directe du Paraoxon (PO) et du carbaryl (CA) et la possibilité de suivi de l’activité de l’ACHE. En absence d'inhibiteurs, la molécule d’acétylcholine (ATC) est transformée en acide acétique et en choline par l’enzyme ACHE. La mesure de l’activité de l’ACHE repose sur le suivi des concentrations en ATC car sa transformation est inhibée en présence de pesticides. Il a été ainsi possible d’établir une relation linéaire entre la concentration de pesticides et l’exaltation du signal Raman de l’ATC non transformé. La méthode a permis la détection du PO et du CA, avec une limite de détection beaucoup plus faible que la détection directe. Ce biocapteur basé sur l’activité de l’ACHE a ensuite été utilisé pour l'évaluation d’autres polluants (inhibiteurs d’ACHE) comme les additifs contenus dans les plastiques notamment. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mesurer l’activité de l’ACHE en utilisant la diffusion dynamique de la lumière. En effet, nous avons montré que les paramètres physicochimiques (agrégation) des AuNPs en contact avec certaines molécules, sont fortement influencés par l’activité enzymatique de l’ACHE. C’est ce phénomène d’instabilité qui nous a permis de distinguer entre les deux cas : absence et présence de PO
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) was used to develop a biosensor for the detection of pesticides through the monitoring of the enzymatic activity of acetylcholinesterase (ACHE). Gold nanoparticles (AuNPs) were used as an active SERS substrate. The enhanced Raman signal of the analyte is optimized by testing several types of nanoparticles. Raman SERS allowed the direct detection of Paraoxon (PO) and carbaryl (CA) pesticides and the possibility of follow-up of the activity of the ACHE. In the absence of inhibitors, the acetylcholine (ATC) is transformed into acetic acid and choline by the enzyme ACHE. The measurement of ACHE activity is performed through the monitoring of ATC concentrations because its transformation is inhibited in the presence of pesticides. Results showed a linear correlation between the concentration of pesticides and the SERS signal of the untransformed ATC. The method was optimized for the quantification of paraoxon and carbaryl with a limit of quantification much lower than the one obtained with a direct detection. Their identification was also possible using chemometrics. This biosensors, based on the ACHE activities, was applied to the evaluation of emergent pollutants: additives of commercial polymers. Our results suggested that most of the tested polymers contained molecules that act as inhibitors of the ACHE. Finally, we propose another very simple approach to measure the ACHE activity using dynamic light scattering measurements. We found that the physicochemical parameters (aggregation) of AuNPs were strongly influenced by the enzymatic activity of ACHE when in contact with specified molecules, allowing to detect the presence of PO

Les protéines jouent un rôle important dans les cellules, via leur activité enzymatique et les interactions qu’elles mettent en jeu. Ces fonctions sont principalement basées sur la structure des protéines. Afin de détecter leur présence, et de caractériser leur structure, nous nous sommes appuyés sur les propriétés optiques des nanostructures. La résonance des plasmons de surface localisés (RPSL), ainsi que la diffusion Raman exaltée de surface(DRES), nous ont permis de détecter différentes protéines. Une optimisation des nanostructures nous a également permis de concevoir un biocapteur basé sur la DRES, qui soit sensible, reproductible et spécifique. En effet, la détection spécifique d’un biomarqueur pathologique, la protéine Manganèse Super Oxide Dismutase (MnSOD), a été réalisée grâce à l’utilisation de nanostructures optimisées et fonctionnalisées avec un aptamère (séquence ADN). Avec ce système, nous avons démontré la détection de la MnSOD à des concentrations physiologiques dans des fluides corporels comme le sérum et la salive. Enfin, l’étude de la structure de la protéine Spleen Tyrosine kinase (Syk), par DRES, nous a permis de mettre en évidence un réarrangement structurale de Syk lors de sa phosphorylation. Une étude complémentaire par Western Blot montre que son activité kinase est dépendante de son état de phosphorylation indiquant que la structure et l’activité de Syk sont liées. L’ensemble de ces travaux contribue à une meilleure connaissance de l’interface entre la physique et la biologie
Proteins play an important role in cells via their enzymatic activity and the irinteractions. Their functions are mainly based on the protein structure. In order to detect their presence and to characterize their structure, we used optical properties of nanostructures. The localized surface plasmon resonance (LSPR), as well as the surface enhanced Raman scattering (SERS), allowed us to detect various proteins. We also optimized nanostructures to build a sensitive, reproducible and specific biosensor based on SERS. Indeed, specific detection of one pathological biomarker, the Manganese Super Oxide Dismutase (MnSOD) protein, was investigated by using optically optimized and aptamer-functionalized nanostructures. Using this system, we were able to detect the MnSOD at physiological concentration in body fluids, such as serum and saliva. Finally, the structural study of the Spleen Tyrosine kinase (Syk) protein by SERS, allowed us to demonstrate that its structure varied with its phosphorylation levels. A complementary Western Blot analysis showed that the Syk kinase activity depended also on its phosphorylation state, meaning that the structure and the activity of Syk were linked. Altogether, these data contributed to a better understanding of the interface between physics and biology

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l'optimisation de l'efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L'accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l'optimisation recherchée, i.e., la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d'ordres supérieurs. Le second chapitre s'est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d'optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d'or. Le chapitre 3 s'est consacré à l'observation de l'allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l'étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d'or.

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l’optimisation de l’efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L’accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l’optimisation recherchée, i. E. , la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d’ordres supérieurs. Le second chapitre s’est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d’optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d’or. Le chapitre 3 s’est consacré à l’observation de l’allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l’étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d’or
The work presented in this manuscript focuses on the different possibilities leading to the optimization of the signal of localized surface plasmon resonance (LSPR) basednanosensors and fabricated by some techniques enabling a precise control of the geometry of metallic nanostructures. Nanosensors based on LSPR and surface enhanced Raman scattering (SERS) have been especially studied. The first part of this manuscript reminds the key parameters leading to the optimization of the signal of such nanosensors, i. E. , the nanostructures material, the size and the shape of the nanostructures, the surrounding medium, the incident electric field polarization, the gap between the nanoparticles and the higher order LSPR. The second part is focused on SERS nanosensors by exposing the optimization principle and possibilities of the signal in the case of arrays of gold nanoparticles. Finally, the last part is devoted to the observation of the shape of the local electromagnetic field around the nanoparticles (amplitude and decay length) by the study of the near-field coupling between gold nanoparticles of different shapes

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.