Дисертації з теми "Spectroscopie Raman Exaltée par effet de Surface (SERS)"

Le développement des nano et biotechnologies pousse à la recherche de techniques de caractérisation adaptées à l’étude des systèmes nanostructurés. La spectrométrie Raman exaltée de surface (SERS) est une technique d’analyse en plein essor dans ce domaine.Dans ce travail de thèse nous nous sommes attachés à étudier, par cette technique, différents types de systèmes nanostructurés : des biomolécules et des films minces inorganiques. Le but était d’accéder à des informations sur la structure et les liaisons chimiques présentes dans ces systèmes. L’étude a été complétée par des observations par microscopie électronique en transmission notamment.Dans un premier temps, a été réalisée l’étude de molécules d’intérêt biologique. L’objectif était la compréhension des modes d’interaction nanoparticules métalliques/protéines menée sur des nanoparticules d’argent bio-conjuguées avec des protéines depuis leur synthèse jusqu’à leur caractérisation. Les résultats ont montré la chimisorption des protéines à la surface de nanoparticules d'argent possiblement par leurs terminaisons azotées. La technique SERS a également été expérimentée dans le domaine des basses fréquences pour caractériser la structure de dépôts minces de caféine, molécule d’intérêt pharmaceutique.Dans un second temps, l’étude de couches minces nanostructurées par spectrométrie Raman et SERS a été réalisée. Des couches minces nanocomposites TiO2:Au, ont été étudiées pour décrire les premières étapes de croissance des nanoparticules sous l’effet de la température dans ces matériaux. Des films ultraminces de TiO2 d’épaisseur contrôlée ont été déposés sur substrats fonctionnalisés avec des nanoparticules d’or pour étudier leur exaltation par effet SERS
This work addressed the study of several kinds of nanostructured systems, biomolecules and inorganic thin films, mainly by Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). The aim was to investigate the structure and the chemical bonds. Transmission electron microscopy (TEM) was also used to complete the structural characterization of the different samples.Firstly, the study was conducted on molecules of biological interest. The aim was to study the interaction between silver nanoparticles and proteins. With this aim, silver nanoparticles bioconjugated with different proteins (hemoglobin, cytochrome C, BSA and lysozim) were synthesized. SERS results allowed concluding that proteins are chemisorbed on the silver nanoparticules surface. SERS was also used in the low frequency range to characterize the structure of thin deposits of caffeine, a molecule of pharmaceutical interest.Raman spectroscopy and SERS were also used to study nanostructured TiO2:Au thin films. The first stages of the growth of gold nanoparticles in Au doped TiO2 thin films under annealing treatments were studied by low frequency Raman spectroscopy and TEM. Finally, it was shown that SERS effect can be used for the characterization of ultra-thin TiO2 films. With this aim, ultra-thin TiO2 films were deposited by Atomic Layer Deposition on Si substrates functionalized with gold nanoparticles and studied by SERS

Cette thèse concerne des préparations d’hydrosols de nanoparticules (NPs) obtenus par ablation et fragmentation (LA/NF) en solutions aqueuses d’une feuille d’argent par un laser à impulsions (durée : quelques nanosecondes, longueur d’onde : 1064 ou 532 nm). Ces NPs préparées par LA/NF servent ensuite de substrats pour effectuer des expériences de spectroscopie SERS (Surface Enhanced Raman Scattering, en français diffusion Raman exaltée par effet de surface) sur des macromolécules d’intérêt biologique. L’effet des modifications chimiques de la surface des NPs provoquées par des chlorures, S2O32-, BH4- et Ag+ est évalué sur des NPs d’argent obtenues par LA/NF dans l’eau pure. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus pour des hydrosols préparés par LA/NF en présence de diverses solutions électrolytiques (Citrate de sodium, acide citrique, NaCl, HCl, NaOH, Na2S2O3, AgNO3) à diverses concentrations. L’activité SERS des hydrosols préparés en présence de citrates, neutre et acide, est évaluée en utilisant cinq porphyrines différentes : on montre que la concentration limite de détection/ caractérisation des porphyrines est de l’ordre de 10-8 M.

L'analyse in situ d'interfaces électrochimiques à l'échelle nanométriques est un enjeu majeur pour la compréhension des mécanismes de transferts de charges et d'électrons dans les domaines du stockage d'énergie ou de l'électrocatalyse. Ce travail a permis le développement de la spectroscopie Raman exaltée de pointe (TERS) en milieu liquide et en conditions électrochimiques. Le TERS permet l'analyse de la structure de molécules ou de matériaux à l'échelle nanométrique du fait de l'exaltation localisée du champ électrique à l'extrémité d'une sonde de microscope à effet tunnel (STM) en or ou en argent. Un dispositif reposant sur l'illumination d'une pointe au travers d'un solvant organique a démontré la possibilité d'imager les inhomogénéités d'une monocouche auto-assemblée sur or. Une seconde approche reposant sur l'exaltation du signal Raman à l'apex d'une pointe de taille nanométrique utilisée comme microélectrode (spectroscopie Raman exaltée de surface de pointe, tip SERS) a permis de suivre la réduction d'une monocouche auto-assemblée et d'améliorer la compréhension de son mécanisme. Afin d'imager la surface d'une électrode polarisée, le couplage d'un STM utilisant une pointe TERS en conditions électrochimiques a montré une résolution latérale de moins de 8 nm pour sonder de variations locales de l'exaltation du champ électromagnétique induites par des singularités géométriques de surface. Par ailleurs, l'analyse TERS de couches organiques formées à partir de sels d'aryldiazoniums a permis de montrer des différences de structures selon type de greffage. Ce travail constitue donc une avancée majeure pour l'analyse locale de surfaces modifiées
The in situ investigation of electrochemical interfaces structures at the nanoscale is a key element in the understanding of charge and electron transfer mechanisms e.g. in the fields of energy storage or electrocatalysis. This thesis introduces the implementation of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) in liquid and in electrochemical conditions enabling the nanoscale analysis of electrified solid/liquid interfaces through the strong and local electric field enhancement at gold or silver scanning tunneling microscopy (STM) probes. The ability of TERS to image inhomogeneities in the coverage density of a self-assembled monolayer (SAM) through a layer of organic solvent on gold was demonstrated. A TERS-inspired analytical tool was also developed, based on a TERS tip used simultaneously as a single-hot spot surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) platform and as a microelectrode (EC tip SERS). The reduction of an electroactive SAM could then be monitored by electrochemical and in situ SERS measurements. In situ electrochemical STM-TERS was also evidenced through the imaging of local variations of the electric field enhancement on peculiar sites of a gold electrode with a lateral resolution lower than 8 nm. Finally TERS also demonstrated to be efficient in investigating the structure of organic layers grafted either by electrochemical reduction or spontaneously. This work is therefore a major advance for the analysis of functionalized surfaces

Les biocapteurs sont des systèmes de détection en temps réel d’espèces biologiques largement utilisés dans le diagnostic. La Spectroscopie Raman Exaltée par effet de Surface (SERS) grâce à sa capacité d’identification spécifique et sensible est un bon moyen de détecter des biomolécules (aptamère, peptide, …) à l’aide de surfaces adaptées (telles que nanostructures métalliques, nanoparticules, ...). Dans l’optique de développer un biocapteur SERS, une plateforme de détection à base de monocouche auto-assemblées (SAMs) fonctionnalisée avec des nanoparticules d’or sphériques ou cylindriques a été élaborée. Les travaux de thèse ont consisté à réaliser des SAMs à base d’organosilane porteur d’une fonction terminale azide ou amine. Les SAMs ont été modifiées ensuite par réaction avec des linkers soit par couplage peptidique soit par chimie click afin d’avoir des fonctions terminales thiols ou cyclooctynes. Ces modifications sont caractérisées par diverses techniques comme le PM-IRRAS, l’AFM, l’XPS ou le ToF-SIMS. Les nanoparticules d’or ont été immobilisées avec succès par deux voies différentes : sur des SAMs à terminaison azoture par chimie click et sur des SAMs à terminaison thiol par échange de ligand. Des premiers résultats prometteurs ont été obtenus démontrant la détection SERS du biorécepteur immobilisé sur les nanoparticules
Biosensors are real-time detection systems for biological species widely used in diagnostics. Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), with its specific and sensitive identification capability, is a good way of detecting biomolecules (aptamers, peptides, etc.) using suitable surfaces (such as metal nanostructures, nanoparticles, etc.). With a view to developing a SERS biosensor, a detection platform based on self-assembled monolayers (SAMs) functionalized with spherical or cylindrical gold nanoparticles was designed. The thesis work consisted in producing SAMs based on organosilane bearing an azide or amine terminal function. The SAMs were then modified by reaction with linkers, either by peptide coupling or click chemistry, to provide thiol or cyclooctyne end functions. These modifications are characterized by various techniques such as PM-IRRAS, AFM, XPS or ToF-SIMS. Gold nanoparticles have been successfully immobilized by two different routes: on azide-terminated SAMs by click chemistry and on thiol-terminated SAMs by ligand exchange. Promising initial results have been obtained demonstrating SERS detection of the bioreceptor immobilized on the nanoparticles

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

La détection rapide de bactéries est un enjeu majeur dans différentes domaines que ce soit l’agroalimentaire, la santé ou le secteur militaire dans sa lutte contre le bioterrorisme. Les biopuces sont des outils d’analyse prometteurs pour remplacer les méthodes classiques de détection qui sont longues et coûteuses. Dans cette thèse, nous avons développé des biopuces à base de silicium amorphe hydrogéné pour le greffage covalent de sondes (anticorps ou sucres) qui interagissent spécifiquement avec les bactéries, et l’identification spectroscopique des bactéries détectées par spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). Dans une première approche, la production de substrats SERS stables à base de couches minces métalliques est décrite. L’étude de la réponse SERS de bactéries déposées sur ces substrats a démontré la discrimination aisée de trois différentes souches de la même bactérie, résultat confirmé par l’analyse de composante principale (PCA). Dans une seconde approche, l’effet SERS a été obtenu en utilisant des nanoparticules métalliques en solution et la meilleure réponse a été obtenue en utilisant des nanobâtonnets d’or chargés positivement. En parallèle, l’optimisation du greffage des sondes sur la surface de silicium amorphe hydrogéné et du blocage pour limiter l’adhésion non-spécifique de bactéries a été réalisée. En utilisant une cellule fluidique, la détection de bactéries a été suivie in situ et leur identification SERS a été effectuée après contact avec nanobâtonnets d’or. Une limite de détection de 10 cfu/mL a été obtenue en moins de 3 h
Rapid detection of bacterial pathogens is an important challenge nowadays in multiple fields like in food industry, health and military biodefense. Biosensors are promising candidates for replacing time consuming and expensive classical tools. In this work, we developed biosensors based on hydrogenated amorphous silicon layer for the covalent grafting of probes (antibodies or sugars) interacting specifically with bacteria, and noble metal nanoparticles for spectroscopic identification of trapped bacteria by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). In a first approach, the production of stable and cost-effective SERS-active substrates based on metallic thin films was proposed for the study of various bacteria. Different SERS fingerprints of three different strains of the same bacteria were obtained allowing their discrimination, result confirmed by principal component analysis (PCA). In a second approach, SERS study of bacteria was performed using nanoparticles colloids, positively charged gold nanorods showing the best reproducibility. In parallel, the optimization of probes grafting on the amorphous silicon surface and of the blocking step for minimization of non-specific adhesion of bacteria were performed. Finally, tests with the entire architecture of the biosensor were performed and by using a fluidic cell the attachment of bacteria was monitored in situ. After contact with gold nanorods the specific identification of bacteria by SERS was possible. Using this strategy limits of detection up to 10 cfu/mL were achieved in a total time of detection of 3 h

Les nanoparticules (NPs) métalliques ont fait l’objet d’un intérêt important ses dernières années dans des domaines variées tels que la santé, l’environnement ou l’électronique. Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à l'application de NPs de métaux nobles mono ou bimétalliques dans le domaine de la plasmonique. Pour cela, nous avons synthétisé par voie organométallique des nanoparticules monométalliques d'or, d'argent et de cuivre d'une taille comprise entre 5 et 11 nm et caractérisées par une distribution en taille étroite. Après dépôt sur un substrat solide, elles s’organisent ainsi spontanément à 3D formant des supercristaux individuels. Nous avons étudié les propriétés optiques de ces supercristaux, en mesurant leurs spectres d'absorbances en fonction de leur épaisseur et de la nature des nanoparticules. Nous avons ensuite montré que ces supercristaux pouvaient être utilisés comme substrats SERS. La taille moyenne des nanoparticules étant beaucoup plus petites que celles reportées dans la littérature, ces substrats présentent un plus grand nombre de points chauds. On observe de plus un signal uniforme et reproductible d’un supercristal à l’autre. Les spectres Raman des ligands (alcanethiols ou alkylamines) ont été enregistrés et des facteurs d’exaltations entre 103 et 104 ont été calculés. Après vérification par electroreflectance de la stabilité des NPs sur une large gamme de potentiels, nous avons couplé le SERS à l'électrochimie en utilisant comme électrode une monocouche ordonnée de NPs d'or. Les taux de couvertures pour deux molécules différentes adsorbées sur les NPs ont été ainsi calculés. De plus nous avons pu suivre et confirmer la formation des espèces au cours des réactions d'oxydoréduction des molécules adsorbées en surface par SERS. Finalement nous avons synthétisé des NPs cœur-coquille Au@Ag, Ag@Au et d'alliage Cu-Au en utilisant comme germes les nanoparticules d’or, d’argent et de cuivre. Les structures et compositions chimiques de ces particules ont été étudiées. Leurs spectres optiques ont été mesurés par spectroscopie UV-Visible et simulés par calcul DDA (Discrete Dipole Approximation). Ils confirment la formation soient de structures cœur-coquille soient d’alliage. Par spectroscopie Raman basse fréquence, pour les NPs Au@Ag, nous montrons un couplage entre le cœur et la coquille en accord avec un modèle core shell développé dans la littérature. Pour les nanoparticules Cu-Au, le signal Raman basse fréquence est en accord avec la formation d’un alliage
Metallic nanoparticles (NPs) have been subjected to a growing interest these last years in various domains such as healthcare, environment or electronics. In this thesis, we were particularly interested in the application of NPs mono or bimetallic made of noble metals in plasmonic domain. In this way, we synthesized by organometallic route, monometallic NPs of gold, silver and copper with a diameter ranging from 5 to 11 nm and characterized by a narrow polydispersity. After deposition on a solid substrate, they organized themselves spontaneously in 3D forming individual supercrystals. We studied the optical properties of these supercrystals, by measuring their absorbance spectra in function of their thicknesses and the nature of the NPs. Then, we showed that these supercrystals can be used as SERS substrates. The mean diameter of the NPs is way smaller than the ones reported in the literature. These substrates display a uniform and reproductible signal from a supercrystal to another. The Raman spectra of coating agent (alkanethiols or alkylamines) have been collected and enhancement factor ranging from 103 to 104 have been calculated. After verification by electroreflectance of NPs stability over a wide potential range, we coupled SERS with electrochemistry by using a monolayer of organized gold NPs as an electrode. Coverage rates for two different molecules adsorbed on the NPs have been calculated. Moreover, we could follow and confirm the species formation during the oxydoreduction reactions of the adsorbed molecules by SERS. Finally, we synthesized core-shell NPs Au@Ag, Ag@Au and alloy NPs Cu-Au by using gold, silver and copper NPs as seeds. Their structures and chemical compositions have been studied. Their optical spectra have been measured by UV-Visible spectroscopy and simulated by DDA (Discrete Dipole Approximation). They confirmed the core-shell and alloy structures. By low frequency Raman spectroscopy, for the Au@Ag NPs, we showed a coupling between the core and the shell in accordance with the core-shell model developed in the literature. For the Cu-Au NPs, low-frequency Raman signal is in agreement with the formation of an alloy

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 polymères à empreintes moléculaires (MIP), également appelés "anticorps en plastique", sont des récepteurs biomimétiques synthétiques qui sont capables de reconnaître et lier une molécule cible avec une affinité et une spécificité comparables à celles des récepteurs naturels tels que des enzymes ou des anticorps. En effet, les MIP sont utilisés comme éléments de reconnaissance synthétiques dans les biocapteurs et biopuces pour la détection de petits analytes et les protéines. La technique d'impression moléculaire est basée sur la formation de cavités de reconnaissance spécifiques dans des matrices polymères par un procédé de moulage à l'échelle moléculaire. Pour la conception de capteurs et biopuces, une cinétique d'adsorption et une réponse du capteur rapide, l'intégration des polymères avec des transducteurs, et une haute sensibilité de détection sont parmi les principaux défis. Dans cette thèse, ces problèmes ont été abordés par le développement de nanocomposites MIP / d'or via le greffage du MIP sur les surfaces en utilisant des techniques de polymérisation dédiées comme l'ATRP qui est une technique de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP). Ces techniques CRP sophistiquées sont en mesure d'améliorer considérablement les matériaux polymères. L'utilisation de l'ATRP dans le domaine de MIP a été limitée jusqu'à présent en raison de son incompatibilité inhérente avec des monomères acides comme l'acide méthacrylique (MAA), qui est de loin le monomère fonctionnel le plus largement utilisé dans les MIP. Ici, un nouveau procédé est décrit pour la synthèse de MIP par ATRP photo-initiée utilisant fac-[Ir(Ppy)3] comme catalyseur. La synthèse est possible à température ambiante et est compatible avec des monomères acides. Cette étude élargit considérablement la gamme de monomères fonctionnels et de molécules empreintes qui peuvent être utilisés lors de la synthèse de MIP par ATRP. La méthode proposée a été utilisée pour la fabrication de nanocomposites hiérarchiquement organisés sur des surfaces métalliques nanostructurés avec des nano-trous et nano-ilots, présentant des effets plasmoniques pour l'amplification du signal. La synthèse de films de MIP à l'échelle du nanomètre localisés sur la surface d'or a été démontrée. Des méthodes de transduction optiques, à savoir la résonance de plasmons de surface localisée (LSPR) et la spectroscopie Raman exaltée par effet de surface (SERS) ont été exploitées. Ces techniques se sont montrées prometteuses pour l'amélioration de la limite de détection dans la détection d'analytes biologiquement pertinents, y compris les protéines et le médicament propranolol
Molecularly imprinted polymers (MIPs), also referred to as plastic antibodies, are synthetic biomimetic receptors that are able to bind target molecules with similar affinity and specificity as natural receptors such as enzymes or antibodies. Indeed, MIPs are used as synthetic recognition elements in biosensors and biochips for the detection of small analytes and proteins. The molecular imprinting technique is based on the formation of specific recognition cavities in polymer matrices by a templating process at the molecular level. For sensor and biochip development, fast binding kinetics of the MIP for a rapid sensor response, the integration of the polymers with transducers, and a high sensitivity of detection are among the main challenges. In this thesis, the above issues are addressed by developing MIP/gold nanocomposites by grafting MIPs on surfaces, using dedicated techniques like atom transfer radical polymerization (ATRP) which is a versatile controlled radical polymerization (CRP) technique. Theses ophisticated CRP techniques, are able to greatly improve the polymeric materials. The use of ATRP in the MIP field has been limited so far due to its inherent incompatibility with acidic monomers like methacrylic acid (MAA), which is by far the most widely used functional monomer. Herein, a new method is described for the MIP synthesis through photo-initiated ATRP using fac-[Ir(ppy)3] as ATRP catalyst. The synthesis is possible at room temperature and is compatible with acidic monomers. This study considerably widens the range of functional monomers and thus molecular templates that can be used when MIPs are synthesized by ATRP. The proposed method was used for fabrication of hierarchically organised nanocomposites based on MIPs and nanostructured metal surfaces containing nanoholes or nanoislands, exhibiting plasmonic effects for signal amplification. The fabrication of nanometer scale MIP coatings localized on gold surface was demonstrated. Optical transduction methods, namely Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) were exploited and shown that they hold great promise for enhancing the limit of detection in sensing of biologically relevant analytes including proteins and the drug propranolol

La thèse présentée propose une exploration approfondie des structures et des comportements des protéines, en mettant particulièrement l'accent sur leurs interactions avec des nanoparticules colloïdales d'or. Pour analyser en détail les modifications des protéines en réponse aux variations de pH et de température, Arielle utilise les techniques de Spectroscopie Raman Amplifiée en Surface (SERS) ainsi que la microfluidique.L'analyse de la structure secondaire des protéines, en utilisant l'albumine sérique bovine (BSA) comme modèle, révèle des liens étroits avec la conformation globale de la protéine. Des variations de pH et de température entraînent des changements conformationnels importants, visibles dans l'analyse des amides I, II et III. De plus, l'étude ne se limite pas aux protéines bien structurées, mais englobe également les protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs), qui adoptent des conformations flexibles en réponse à leur environnement, élargissant ainsi notre compréhension de la complexité structurale des protéines.L'exploration des interactions protéine-nanoparticule sert de base pour comprendre comment cette diversité structurale se traduit par une variété de fonctions biologiques. Arielle utilise une approche novatrice basée sur les chaînes de Markov pour analyser le désordre protéique, offrant une vue globale de la flexibilité et de la plasticité des protéines, avec des applications réussies à la BSA et à l'alpha-synucléine.Enfin, la thèse souligne l'importance de comprendre la dynamique conformationnelle à l'échelle de la protéine unique dans les processus biologiques, avec des implications potentielles pour les avancées médicales et biotechnologiques
The thesis presented offers an in-depth exploration of protein structures and behaviors, with a particular focus on their interactions with colloidal gold nanoparticles. To analyze protein modifications in response to variations in pH and temperature, Arielle utilizes Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) techniques as well as microfluidics.The analysis of protein secondary structure, using bovine serum albumin (BSA) as a model, reveals close links with the overall protein conformation. Changes in pH and temperature result in significant conformational alterations, visible in the analysis of amides I, II, and III. Furthermore, the study is not limited to well-structured proteins but also encompasses intrinsically disordered proteins (IDPs), which adopt flexible conformations in response to their environment, thus expanding our understanding of the structural complexity of proteins.Exploring protein-nanoparticle interactions serves as a basis for understanding how this structural diversity translates into a variety of biological functions. Arielle employs an innovative approach based on Markov chains to analyze protein disorder, providing a comprehensive view of protein flexibility and plasticity, with successful applications to BSA and alpha-synuclein.Finally, the thesis underscores the importance of understanding conformational dynamics at the single-protein level in biological processes, with potential implications for medical and biotechnological advancements

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

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 vise à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées pour guider la croissance et l'organisation de particules métalliques (Ag, Au et AgxAu1-x), et à les tester en tant que substrats SERS-actifs robustes et réutilisables. Nous avons utilisé la spectrophotométrie pour la caractérisation des propriétés optiques résultantes, l'ellipsométrie spectroscopique pour l'extraction des indices optiques et la microscopie électronique en transmission pour les caractérisations structurales. La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) a été utilisée pour la détection de molécules de bipyridine adsorbées sur la surface des échantillons, en collaboration avec l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Nous étudions d'abord des systèmes de nanoparticules monométalliques et bimétalliques afin de comprendre les modes de croissance de telles assemblées. Nous montrons que des arrangements différents de nanoparticules bimétalliques sont obtenus selon la séquence de dépôt utilisée et qu'un alliage est obtenu à l'issue de recuits ex situ sous vide. Les propriétés optiques en champ proche et lointain de nanoparticules d'alliage AgxAu1-x noyées dans une matrice d'Al2O3 sont comparées numériquement à celles des métaux purs, par la méthode de calcul des différences finies dans le domaine temporel. Les résultats indiquent que l’amplification du champ pour les nanoparticules de métal pur est plus élevée que pour les nanoparticules d’alliage. Enfin, les expériences SERS menées sur un système dichroïque de nanoparticules d’Ag plus ou moins couplées montrent que l'on peut obtenir un signal SERS intense avec des nanoparticules recouvertes
The aim of this work is to use nanostructured alumina surfaces to guide the growth and to optimize the organization of metallic particles (Ag, Au and AgxAu1-x), and to test those systems as reusable SERS-active substrates. We used spectrophotometry to characterize the resulting optical properties, spectroscopic ellipsometry for the determination of the optical index and transmission electron microscopy for the structural characterizations. Surfaced-enhanced Raman spectroscopy (SERS) was used for the detection of adsorbed bipyridine molecules on the sample surface, in collaboration with the Institut des Matériaux Jean Rouxel at Nantes. We first study systems consisting of monometallic and bimetallic nanoparticles in order to understand the growth modes of such particle assemblies. A particular attention is paid to the influence of the sequential deposition of Au and Ag on the structural and optical properties. We show that different arrangements of bimetallic nanoparticles are obtained according to the deposition sequence used and that an alloy is obtained after ex situ annealing under vacuum. The near-field and far-field optical properties of AgxAu1-x nanoparticle alloys embedded in an alumina matrix are compared numerically by the finite difference time domain method, with those of pure metal nanoparticles. Our results indicate that pure metal nanoparticles exhibit a greater field enhancement than alloy nanoparticles. Finally, SERS experiments conducted with a dichroic system made of coupled Ag nanoparticles show that an intense SERS signal can be obtained with coated nanoparticles

Malgré d'importantes percées dans le domaine de la biodétection, nous avons toujours besoin de nouveaux capteurs qui faciliteraient la détection précoce de maladies graves comme le cancer. La biopsie tissulaire classique reste la référence dans de nombreux cas. Bien que cette approche ait montré son potentiel, elle reste invasive pour les patients et les techniques de détection sont fastidieuses ou manquent de sensibilité pour détecter la maladie à un stade précoce. La spectroscopie Raman a démontré son intérêt pour la biodétection. Sa capacité à caractériser la nature chimique, la structure et l'orientation d'un analyte, en fait un candidat idéal. Les pics Raman très nets d'une molécule peuvent être considérés comme une véritable empreinte digitale. Malheureusement, le signal Raman diffusé est extrêmement faible. Cette limitation a été surmontée par la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS), car elle augmente considérablement le signal Raman diffusé tout en maintenant la largeur des pics du spectre d'une molécule. Malheureusement, la plupart des substrats SERS actuels sont soit des surfaces métalliques nano-rugueuses en 2D soit des nanoparticules colloïdales, qui manquent de sensibilité et de fiabilité dans les mesures avec une faible répétabilité et reproductibilité des données. Ces dernières années, des fibres optiques spéciales ont été utilisées comme plateformes SERS. Elles comportent des trous qui s'étendent sur toute leur longueur. Ces trous permettent d'incorporer l'analyte à l'intérieur de la fibre. Ainsi, une telle plate-forme représente une alternative prometteuse aux substrats plans puisque l'analyte et la lumière d'excitation peuvent interagir sur une plus grande longueur à l'intérieur des fibres. De plus, les fibres optiques sont très flexibles, compactes, et permettent un guidage de la lumière à faible perte. Par conséquent, ces capteurs à fibres présentent à la fois les capacités de détection exceptionnelles du SERS, les avantages des fibres optiques et une sensibilité et une fiabilité améliorées. Dans ce manuscrit, nous visons à créer une plateforme de biodétection qui pourrait être utilisée dans un cadre clinique. Pour cela, nous proposons d'optimiser les caractéristiques d'une topologie de fibre déjà existante. Cela nous permet d'augmenter sa sensibilité tout en améliorant sa fiabilité et sa facilité d’utilisation. Grâce à ce capteur amélioré, nous avons pu pour la première fois détecter le biomarqueur du cancer de l'ovaire dans les fluides de kystes cliniques, ce qui nous a permis de différencier le stade du cancer. Par la suite, nous proposons une nouvelle topologie de fibre, spécifiquement conçue pour augmenter encore la sensibilité des sondes à fibre basées sur le SERS. Cette amélioration est réalisée en augmentant la surface d'interaction par rapport aux sondes à fibre standard. Pour cela, le diamètre du noyau est considérablement augmenté et la quantité de lumière qui interagit avec l'analyte est contrôlée avec précision. Nous envisageons que de tels capteurs à fibres fonctionnalisés puissent être incorporés à l'intérieur d'une aiguille de biopsie afin de créer un capteur deux-en-un pour la collecte et l’analyse de fluides corporels. Les limitations associées aux aiguilles de biopsie actuelles, qui exigent une collecte et une analyse des échantillons en deux étapes, pourraient ainsi être surmontées
Despite important breakthroughs in biosensing, we are still in need of new sensors that would facilitate the early detection of severe diseases such as cancer. Classical tissue biopsy remains the gold standard in many cases. Although this approach has shown its potential, it remains invasive for the patients and the detection techniques are either tedious or lack the sensitivity to detect the disease at an early stage. Raman spectroscopy has demonstrated its interests for biosensing. Its ability to characterize the chemical nature, structure and the orientation of an analyte makes it an ideal candidate. The sharp Raman peaks of a molecule can be seen as a true fingerprint. Regrettably, Raman scattered signal is extremely weak. This limitation was overcome by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), since it drastically increases the Raman scattered signal while maintaining the sharp peak of the fingerprint spectrum of a molecule. Unfortunately, most of the current SERS substrates are 2D nano-roughened metal surfaces or colloidal nanoparticles, which lack the sensitivity and reliability in measurement with poor repeatability and reproducibility in the data. In the recent years, special optical fibers have been used as SERS platforms. They feature holes that run along their entire length. These holes allow for the analyte to be incorporated inside the fiber. Thus, such platform represents a promising alternative to planar substrates since the analyte and the excitation light can interact for longer length inside the fibers. In addition, optical fibers are very flexible, compact and allow for low-loss light guiding. Therefore, such fiber sensors exhibit the outstanding detection abilities of SERS, the advantages of optical fibers and improved sensitivity and reliability. In this manuscript, we aim to create a biosensing platform that could be routinely used in a clinical setting. For that, we propose to optimize the features of an already reported fiber topology. This allows us to increase its sensitivity while simultaneously improving its reliability and practicability. With this improved sensor, for the first time, we could detect the biomarker for ovarian cancer in clinical cyst fluids, which allowed us to differentiate the stage of the cancer. Subsequently, we propose a novel fiber topology, specifically designed to further increase the sensitivity of SERS-based fiber probes. This is achieved by increasing the surface of interaction compared to standard fiber sensors. For that, the core diameter is significantly increased and the amount of light that interacts with the analyte is precisely controlled. We envision that such functionalized fiber sensors could be incorporated inside a biopsy needle to create a two-in-one sensor for body fluid collection and readout that can eventually overcome the limitations associated with existing biopsy needle platforms, which demands for two-step sample collection and readout

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 spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe basée sur la microscopie à force atomique (AFM-TERS) est utilisée pour étudier la structure de divers composites énergétiques et pharmaceutiques à l'échelle nanométrique. Les études AFM-TERS sur des co-cristaux de CL-20/HMX à l'échelle nanométrique démontrent que les surfaces de CL-20/HMX sont constituées d'une couche moléculaire de HMX. Les résultats expérimentaux sont étayés par une approximation des coordonnées vibratoires normales. Différents mélanges RDX et TNT à l'échelle nanométrique, dont le rapport en pourcentage massique est différent, sont analysés par AFM-TERS. La combinaison de la spectroscopie Raman en champ lointain et du TERS sensible à la surface a permis l'identification de nanoparticules anisotropes RDX/TNT cœur/coquille. Les particules de furosémide-PVP submicroniques sont étudiées par microscopie Raman confocale et la microscopie Raman exaltée de surface. Les particules sont directement pulvérisées avec de fines couches d'argent. La comparaison des spectres Raman en champ lointain et en champ proche révèle que les coquilles de PVP encapsulent des noyaux de furosémide
Tip Enhanced Raman Spectroscopy based on Atomic Force Microscopy (AFM-TERS) is applied to study the structure of diverse nanoscale energetic and pharmaceutical composites. AFM-TERS investigations of nanoscale CL-20/HMX co-crystals demonstrate that CL-20/HMX surfaces consist of a molecular layer of HMX. Experimental results are supported by an approximation of vibrational normal coordinates allowing to exclude the appearance of relatively strong HMX Raman intensities because of a specific arrangement between CL-20/HMX nano co crystals and the Raman scattering systems. Diverse nanoscale RDX and TNT mixtures differing in their weight percentage ratio are analyzed with AFM-TERS. The combination of far-field Raman spectroscopy and surface sensitive TERS enabled the identification of anisotropic RDX/TNT core/shell nanoparticles. Submicron Furosemide-PVP particles are investigated by confocal far-field Raman microscopy and Surface Enhanced Raman microscopy. Furosemide-PVP particles are directly sputtered with thin layers of silver. The comparison of far- and near-field Raman spectra reveals that shells of PVP encapsulate Furosemide cores

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)

Depuis les années 2000, le développement de la spectroscopie Raman à exaltation de pointe (TERS) a permis l’accès de manière extrêmement localisée aux propriétés structurales et moléculaires à la surface de la matière et à des analyses physico-chimiques combinées. La technologie TERS associe les techniques de microscopie à sonde locale - ici le microscope à force atomique (AFM) - avec le champ proche optique. Elle bénéficie en particulier de la génération, à la surface métaux nobles, de plasmons de surface à l’origine d’exaltation d’ondes électromagnétiques pouvant être confinées dans un volume sub-longueur d'onde à l'extrémité des sondes AFM-TERS. Aujourd'hui le principal verrou technologique en TERS est la conception des sondes AFM en termes de reproductibilité à échelle nanométrique, et de fabrication en série. Ce travail de thèse effectué dans le cadre d’une thèse CIFRE (HORIBA Scientific) a eu pour but de concevoir un nouveau type de sonde AFM-TERS répondant aux exigences de performances et de fabrication actuelles. Pour atteindre cet objectif, une étude de simulation numérique a conduit à proposer une nanostructuration métallique de l’extrémité d’un levier AFM, afin de conduire à une exaltation électromagnétique optimisée. Un procédé de nano- et micro-fabrication a été développé au sein de la plateforme de micro et nano-fabrication de l'IEMN, combinant lithographie électronique et optique, évaporation métallique et gravure sur wafers silicium. Il permet la réalisation en série de sondes AFM dont chaque extrémité est composée d'une nano-antenne métallique de taille sub-longueur d'onde, composée d'un nanodisque supportant un nanocône. La méthode de fabrication proposée permet un contrôle des réponses plasmoniques en termes d’amplification du champ et d’accordabilité de la résonance, qui sont la clé des performances en spectroscopie Raman à exaltation de pointe. Une étude sur l’évaporation inclinée lors du procédé de nano-fabrication développé par lithographie électronique a également été réalisé dans le but de contrôler la forme des nanoparticules – de forme conique à cylindrique avec des parois poreuses -- isolées ou en réseaux denses. Les simulations numériques suggèrent que de tels objets peuvent être des candidats potentiels pour le TERS ou le SERS (spectroscopie Raman à exaltation de surface)
Since the start of the 2000s the evolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) has enabled the simultaneous measurement of localized structural, molecular, and physicochemical properties. TERS technology combines scanning probe microscopy -- atomic force microscopy (AFM) -- with near field optical microscopy. The combined technique is referred to as AFM-TERS. The technique harnesses and exploits the generation of surface plasmons on metal surfaces. These plasmons lead to the generation of confined electromagnetic waves in a sub-wavelength volume at the very tip of the AFM-TERS probe. The main technological challenge today is the design and optimization of an AFM-TERS probe having nanometer-sized dimensions -- and the controlled, reproducible batch fabrication of such structures. The objective of the work presented in this PhD thesis was to design, fabricate, and characterize a new type of AFM probe capable of bettering the current state-of-the-art performances. The PhD was carried out in collaboration with HORIBA and funded partly by a French ‘CIFRE’ grant. In order to meet these objects, comprehensive numerical modelling led to the design of an optimized metal nanostructuring having maximum electromagnetic exaltation -- placed at the extremity of a silicon-based AFM cantilever. A new combined micro and nano fabrication process was developed to achieve this -- to be performed using the existing equipment found in the IEMN cleanroom. The process encompasses techniques such as masking using electron beam (ebeam) lithography and UV photolithography, thermal evaporation of metals and ‘lift-off’ techniques, and highly-controlled dry etching of small silicon mesas structures and deep etching for MEMS cantilever releasing. The process enables the batch-fabrication manufacture of AFM-TERS probes containing matter on the millimeter scale (the silicon probe support), the micrometer scale (the silicon cantilever), and the nanometer scale (the combined metallic disk and cone having sub-wavelength dimensions). This method allows nanostructuring on the optical/plasmonic behavior of TERS probes, the key factor which will lead to higher performance in TERS. Finally, a further study concerning the inclined evaporation of metallic nanostructures via an ebeam-derived lithographic shadow mask was performed in order to control the size and shape of the nanostructuring. The study proved this approach to be feasible. Furthermore, numerical modelling of such structures suggests that they are potential original candidates for both TERS and SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy)

La détection nanoplasmonique repose sur des champs électromagnétiques exaltés à proximité de la surface des métaux nanostructurés pour détecter les molécules à des concentrations ultra-faibles. Les exaltations de champ sont fortement prononcées aux jonctions entre les nanostructures adjacentes, ce qui entraîne des points chauds. Les exaltations de champ en ces points chauds augmentent de façon non linéaire en fonction des distances jusqu’au régime inférieur à 10nm. Les analytes présents à ces lacunes peuvent tirer parti de ces exaltations de champ, résultant en une sensibilité ultra-élevée dans la détection. Toutefois, ces lacunes de champ confiné affectent la capacité des grands analytes tels que les biomolécules d’entrer et de tirer ainsi parti des champs EM dans les lacunes. Cela présente des besoins spatiaux pour exalter les champs em en contradiction avec ceux pour accueillir les interactions biomoléculaires. Cette thèse démontre la conception rationnelle des configurations de réseaux qui permet aux hotspots EM d’être mieux exploités par le témoin de l’événement de liaison biomoléculaire. La thèse utilise l’approche moléculaire basée sur l’auto-assemblage pour fabriquer des nanoréseaux plasmoniques reproductibles sur des plaquettes complètes. Plusieurs paramètres sont envisagés, y compris la dimension, la forme et la densité des points chauds, la fonctionnalisation de surface, et le choix des substrats, pour démontrer la détection quantitative des molécules jusqu’aux concentrations picomolaires
Nanoplasmonic sensing relies on enhanced electromagnetic fields at the vicinity of nanostructured metal surface to detect molecules at ultra-low concentrations. The EM enhancements are strongly pronounced at junctions between adjacent nanostructures resulting in gap hot-spots. EM enhancements at these hot-spots increase non-linearly as a function of gap distances down to sub-10 regime. Analyte present at these gaps can leverage these EM enhancements, resulting in ultra-high sensitivity in detection. However, such confining gaps affect the ability of large analytes such as biomolecules to enter and thereby leverage EM fields within the gaps. This presents spatial needs to enhance EM fields at odds with those for accommodating biomolecular interactions. This thesis demonstrates the rational design of array configurations that allows the EM hotspots to be better leveraged by the reporter of biomolecular binding event. The thesis uses molecular self-assembly based approach to fabricate reproducible plasmonic nanoarrays on full wafers. Multiple parameters are considered including the dimension, shape, and density of hotspots, surface functionalization, and the choice of substrates, to demonstrate quantitative detection of molecules down to picomolar concentrations