Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Élaboration d’un simulateur de gravure par plasma de haute densité basé sur une approche cellulaire pour l’étude de profils dans divers matériaux

La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Supplément (au) Traité élémentaire des réactifs : leurs préparations, leurs emplois espéciaux et leur application a l'analyse /

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Analyse des processus de dérive lors de la gravure profonde du silicium dans des plasmas SF6 et C4F8

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer des outils de diagnostics non-invasifs et de caractériser in-situ les dérives de procédé dans un réacteur industriel utilisé en production pour la gravure profonde du silicium par le procédé Bosch. Ce dernier repose sur l’alternance d’un plasma de SF6 pour la gravure isotrope du Si et d’un plasma de C4F8 pour la passivation des parois dans l’optique d’obtenir des tranchées profondes et étroites. Dans un premier temps, nous avons installé une sonde courant-tension sur la ligne de transmission du signal rf au porte-substrat pour l’étude de son impédance caractéristique et un spectromètre optique pour l’étude de l’émission optique du plasma. Nos travaux ont montré que l’évolution temporelle de l’impédance constitue un excellent moyen pour identifier des changements dans la dynamique du procédé, notamment une gravure complète de la photorésine. De plus, à partir des spectres d’émission, nous avons pu montrer que des produits carbonés sont libérés du substrat et des parois lors de l’alternance passivation/gravure et que ceux-ci modifient considérablement la concentration de fluor atomique dans le plasma. Dans un second temps, nous avons développé un réacteur à « substrat-tournant » pour l’analyse in-situ des interactions plasma-parois dans le procédé Bosch. Nos travaux sur ce réacteur visaient à caractériser par spectrométrie de masse l’évolution temporelle des populations de neutres réactifs et d’ions positifs. Dans les conditions opératoires étudiées, le SF6 se dissocie à près de 45% alors que le degré de dissociation du C4F8 atteint 70%. Le SF6 est avant tout dissocié en F et SF3 et l’ion dominant est le SF3+ alors que le C4F8 est fragmenté en CF, CF3 et CF4 et nous mesurons plusieurs ions significatifs. Dans les deux cas, la chaîne de dissociation demeure loin d’être complète. Nous avons noté une désorption importante des parois de CF4 lors du passage du cycle de passivation au cycle de gravure. Un modèle d’interactions plasmas-parois est proposé pour expliquer cette observation.

Développement et caractérisation de sources de neutres réactifs pour l’étude des interactions plasmas-surfaces

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-highplasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%.

Évaluation in vitro de la stérilisation au peroxyde d'hydrogène sur les propriétés biologiques de prothèses utilisées lors de stabilisation du genou chez le chien

Objectif—Comparer les effets de la stérilisation au plasma de gaz de peroxyde d’hydrogène (HPGP) à l’oxyde d’éthylène (EO) et à la vapeur (ST) sur les propriétés physico-chimiques et d’adhésion bactérienne de fils de nylon et de polyéthylène. Design expérimental—Etude in vitro. Matériel—Des brins non stérilisés, stérilisés au HPGP, à l’EO et ST; de fil nylon leader (FNL), de fil de nylon pêche (FNP) et de fil de polyéthylène (PE) ont été utilisés. Méthodes—Une analyse de surface au spectroscope photo-électronique à rayons X (XPS), une mesure de l’angle de contact, une analyse par microscopie à force atomique (AFM) et l’adhésion bactérienne de Staphylococcus intermedius et d’Escherichia Coli ont été testés sur les brins. Résultats—Une oxydation de la surface de tous les échantillons stérilisés a été observée quelque soit la méthode de stérilisation. La stérilisation a augmenté significativement l’angle de contact pour tous les types de fil quelque soit la méthode. La rugosité n’a pas été affectée significativement par la méthode de stérilisation pour le FNL et FNP. L’adhésion bactérienne a été affectée significativement par la méthode de stérilisation. Le PE a un angle de contact, une rugosité et une adhésion bactérienne significativement plus élevée que le FNL et FNP, peu importe la méthode de stérilisation. Conclusion—La stérilisation au HPGP constitue une alternative intéressante à la vapeur et l’EO. Le PE n’est peut être pas un matériel idéal par sa capacité d’adhésion bactérienne. De futures études sont nécessaires pour déterminer la signification clinique de ces trouvailles.

Characterisation of heteromers and oligomers in the TNF family of ligands and receptors

TNF family ligands and receptors fulfill a number of functions, mainly in the immune system. For example, the ligands BAFF and APRIL control growth and survival of mature Β cells at various stages of differentiation. TNF family ligands usually form homotrimers, but heteromers have also been described for lymphotoxin α1β2 and for BAFF and APRIL. Interestingly, twenty BAFF homotrimers can assemble into virus-like particles coined BAFF 60-mer, which are superior to BAFF 3-mer regarding their ability to signal in primary Β cells. A screen was performed in 293T cells, by co-transfecting differently tagged ligands, to identify six novel heteromers. The specificity of these novel heteromers, however, did not correspond to that of orphan receptors in the TNFR family. Little is known about heteromers of BAFF and APRIL, in particular their receptor-binding specificity and their ability to signal. A method to produce and purify heteromers of defined stoechiometry was developed, and the resulting reagents were used to demonstrate that BAFF2APRIL, like BAFF, binds to all BAFF receptors - namely BAFFR, TACI and Β CM A -, while APRIL2BAFF and APRIL only binds to TACI and BCMA. Heteromers could signal via their cognate receptors, sometimes as potently and sometimes less potently than homomers, depending on the receptors. A promising system to measure the activity of single-chain homo- and heteromers in vivo was set up: it measures mature Β cell rescue upon administration of single-chain ligands into BAFF-ko mice. To tackle the question of the physiological importance of BAFF 60-mer, a point mutation that prevents assembly of mouse BAFF into 60-mer while retaining its ability to form trimers was identified. This mutation (E247K) was introduced by homologous recombination into mouse embryonic stem cells that are now being used to generate knock-in mice. Results obtained in this work will help to better understand the role of various BAFF and APRIL forms that are elevated in a several autoimmune diseases. - Les ligands et récepteurs de la famille du TNF joue un rôle prédominant dans le système immunitaire. Par exemple, les ligands BAFF et APRIL contrôlent la croissance et la survie des cellules Β matures à différents stades de différenciation. Ces ligands existent souvent sous forme d'homotrimères (3-mer), bien que des héteromères aient été décrits pour la lymphotoxine α1β2 et pour BAFF et APRIL. Dans le cas de BAFF, vingt trimères peuvent, telle une particule virale, s'assembler en 60-mer qui surpasse le 3-mer pour signaler dans des cellules Β primaires. Un crible effectué dans des cellules 293T, par co-transfection de ligands différemment marqués, a permis d'identifier six nouveaux heteromères dont la spécificité n'a, hélas, pas correspondu à celle d'un récepteur orphelin de la famille du TNFR. Les connaissances sur la spécificité de liaison aux récepteurs et la capacité à signaler des heteromères de BAFF et d'APRIL sont fragmentaires. Une méthode pour produire et purifier des heteromères "simple chaîne" de stoechiométrie déterminée a été mise au point, et les réactifs ainsi obtenus utilisés pour démontrer que BAFF2APRIL, comme BAFF, lie tous les récepteurs de BAFF - c'est-à-dire BAFFR, TACI et BCMA -, alors qu'APRIL2BAFF et APRIL ne lient que TACI et BCMA. Les héteromères peuvent transmettre des signaux, parfois aussi bien et parfois plus faiblement que les homomères, selon les récepteurs. Un système prometteur pour mesurer l'activité des ligands simple chaîne in vivo a été mis au point. Il mesure la réapparition de cellules Β matures dans des souris déficientes pour BAFF après administration des ligands. Pour s'attaquer à la question de l'importance physiologique du 60-mer de BAFF, ime mutation empêchant l'assemblage en 60-mer sans affecter la capacité à former des trimères a été identifiée. Cette mutation (E247K) a été introduite par recombinaison homologue dans des cellules souches embryonnaires de souris qui sont utilisées pour obtenir des souris déficientes en BAFF 60-mer. Les résultats de ces travaux contribueront à mieux cerner le rôle des différentes formes de BAFF et d'APRIL produites en excès dans plusieurs maladies auto-immunes.

Evaluation in vitro de la fonction hémostatique des concentrés plaquettaires traités par inactivation des pathogènes par amotosalem-UVA

La transfusion de concentrés plaquettaires, dès 1958, a permis d'augmenter l'espérance et la qualité de vie des patients dans le domaine de l'onco-hématologie, notamment en réduisant les risques hémorragiques induits par les chimiothérapies intensives. Après le traumatisme de l'affaire du sang contaminé dans les années 1980-1990, la médecine transfusionnelle a adopté des exigences de sécurité et de qualité très strictes et régulées dans plusieurs pays par les instances politiques. Cependant même les mesures de qualité les plus strictes n'ont permis d'atteindre le risque « zéro », notamment en ce qui concerne les contaminations bactériennes. De plus, la prise de conscience de l'existence de nouveaux pathogènes (West Nile Virus, Chikungunya, Prions) a stimulé le développement de 3 techniques d'inactivation des pathogènes pouvant s'appliquer au plasma et aux concentrés plaquettaires : la technique INTERCEPT utilisant l'amotosalen/UVA, la technique MIRASOL avec la riboflavine/UV et la technique THERAFLEX avec les UVC. La Suisse a fait office de pionnière en étant le premier pays au monde à adopter de manière généralisée l'inactivation des pathogènes par la technique INTERCEPT pour les concentrés plaquettaires dès 2011 après sa validation par Swissmedic en 2009 et son implémentation réussie dans plusieurs centres de transfusion pilotes. Coïncidence? Le décès tragique d'un patient pédiatrique en 2009 suite à une contamination bactérienne par une transfusion de concentré plaquettaire a précédé cette décision. Les cliniciens ont besoin de disposer de concentrés plaquettaires sûrs d'un point de vue microbiologique mais également sur le plan hémostatique, d'où la nécessité de disposer de preuves solides sur l'efficacité thérapeutique de ces nouveaux produits. Ceci a fait l'objet de la revue publiée dans Blood Reviews « The clinical and biological impact of new pathogen inactivation technologies on platelets concentrates » dont l'originalité est de couvrir l'étude de l'effet des processus d'inactivation des pathogènes sur la fonction plaquettaire sous toutes ses facettes allant de la protéomique aux études d'hémovigilance. Ce travail montre l'efficacité de ces méthodes et leur sécurité et souligne que l'observation de taux de recirculation moindre peut être compensée par une augmentation du statut d'activation des plaquettes. Le deuxième article publié comme co-auteur dans le journal Blood Transfusion « In vitro evaluation of pathogen-inactivated buffy coat-derived platelet concentrates during storage: The psoralen-based photochemical treatment step-by-step » se pose la question de la modification des propriétés fonctionnelles des plaquettes dans une étude à deux bras (par comparaison entre plaquettes traitées et non traitées). En plus de deux tests utilisés en pratique clinique (agrégation plaquettaire et cytométrie de flux) un test expérimental d'adhésion plaquettaire au fibrinogène en condition statique a été développé en collaboration avec le Prof Angelillo-Scherrer dans le cadre du laboratoire de recherche et développement du SRTS-VD. Les résultats obtenus démontrent la conservation du métabolisme plaquettaire et des changements mineurs dans la capacité d'agrégation mais une augmentation de la capacité d'adhésion au fibrinogène des plaquettes traitées probablement via une augmentation de la conversion de l'intégrine ailb(B3 dans sa forme activée. Les techniques d'inactivation des pathogènes appliqués aux concentrés plaquettaires représentent un important progrès dans le domaine de la médecine transfusionnelle. Leur impact au niveau moléculaire reste cependant encore en partie inconnu et fait l'objet d'études. Le défi actuel consiste à réussir à les adopter aux concentrés érythrocytaires, ce qui révolutionnerait la médecine transfusionnelle.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

Séparation, détection et caractérisation de nanoparticules manufacturées dans des eaux naturelles et usées avec la chromatographie hydrodynamique et de multiples détecteurs

L’utilisation accrue des nanomatériaux manufacturés (NM) fait en sorte que les différents acteurs de réglementation se questionnent de plus en plus par rapport à leur destin et leurs impacts sur les écosystèmes et la santé humaine suite à leur rejet dans l’environnement. Le développement de techniques analytiques permettant de détecter et de caractériser les NM en matrice environnementale est impératif étant donné la nécessité d’évaluer le risque relié à ces polluants émergents. Une des approches de plus en plus favorisée est d’utiliser une technique chromatographique et un ou plusieurs détecteurs sensibles dans les buts de réduire les effets de matrice, d’identifier des nanoparticules (NP) selon leurs temps de rétention et de les quantifier à des concentrations représentatives de la réalité environnementale. Une technique analytique utilisant la chromatographie hydrodynamique (HDC) et des détecteurs en ligne ou hors ligne (détecteurs de diffusion statique ou dynamique de la lumière, spectromètre de masse par torche à plasma en mode particule unique (SP-ICPMS), l’ultracentrifugation analytique) a donc été développée. Le couplage de la colonne HDC avec ces détecteurs a permis de caractériser des NP standards et l’optimisation des conditions de séparation de ces nanoparticules de polystyrène, d’or et d’argent a permis de confirmer que les NP y sont bel et bien séparées seulement selon leur taille, tel que la théorie le prédit. De plus, l’utilisation de la colonne HDC couplée au SP-ICPMS a permis de séparer un mélange de nanoparticules d’argent (nAg) et de les détecter à des concentrations représentatives de celles rencontrées dans l’environnement, soit de l’ordre du μg L-1 au ng L-1. Par exemple, dans un échantillon d’eau usée (effluent), un mélange de nAg de 80 et de 40 nm a été séparé et les nAg ont été détectées à l’aide du SP-ICPMS connecté à la colonne HDC (temps de rétention de 25.2 et 25.6 minutes et diamètres déterminés de 71.4 nm et 52.0 nm). Finalement, pour plusieurs échantillons environnementaux auxquels aucun ajout de nanoparticules n’a été fait, les analyses HDC-SP-ICPMS effectuées ont permis de déterminer qu’ils ne contenaient initialement pas de nAg.