THÈSE DE DOCTORAT de l’Université de recherche Paris Sciences et Lettres PSL Research University Préparée à l’Institut Curie Magnetic fluidized beds in microfluidic: Application to ultrasensitive detection for bioanalysis Ecole doctorale n°388 Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre Spécialité Chimie Physique COMPOSITION DU JURY : Mme. TALY Valéry Université Paris Descartes, Présidente du jury Mme. FRENEA ROBIN Marie Université Claude Bernand Lyon 1, Rapporteur M. LAURELL Thomas Faculty of Engineering LTH, Rapporteur Mme. DU ROURE Olivia Soutenue par Lucile ESPCI, Examinateur ALEXANDRE le 04 Octobre 2018 M. FRESNAIS Jérôme h Sorbonne Université, Dirigée par Stéphanie DESCROIX Examinateur et Laurent MALAQUIN Mme. DESCROIX Stéphanie Institut Curie, h Directrice de thèse M. MALAQUIN Laurent LAAS - CNRS, Co-directeur de thèse Invité Magnetic fluidized beds in microfluidic: Application to ultrasensitive detection for bioanalysis PhD thesis of L. Alexandre Abstract Abstract To tackle new challenges in trace analysis, a new generation of microfluidic magnetic fluidized has been developed. This system is based on a suspension of magnetic beads inside a microfluidic channel. Particles are in suspension between two forces: the drag force created by the flow of liquid and the magnetic force due to addition of a permanent magnet to the system. In order to increase the flow rate of work, the height of the chip has been increased by five. We were able to work at 15 µL/min and the efficiency of the new system was improved by addition of a vibrator motor and a bimodal support. A proof of concept was performed on capture of biotin and DNA. A second part of my PhD work was dedicated to the application of the fluidized bed module for bioanalysis. First, extraction, pre-concentration and detection of bacteria on chip have been performed with a significant decrease of the limit of detection and of the time scale compared to usual methods. Then the system of fluidized bed was used as a platform to tests new ligands in order to perform a competitive bioassay in the context of preeclampsia. Finally, an ELISA was integrated on the fluidized bed with promising results. Those results proved the efficiency of the microfluidic magnetic fluidized bed to work as a module for extraction, pre-concentration and detection of target of low concentration. Résumé en français Un système de lit fluidisé magnétique microfluidique a été développé pour répondre aux besoins d’extraction et de préconcentration nécessaire comme première étape de bioanalyse. Ce système se base sur le même concept que les lits fluidisés macroscopiques en remplaçant la gravité par une force magnétique. Un nouveau module a été développé au court de ma thèse afin d’aborder de nouveaux défis en terme de détection à très basse concentration. Une augmentation de la hauteur de la puce nous a permis de travailler à hauts débits (15 µL/min). Un premier travail sur l’homogénéisation de la répartition des billes à l’intérieur de la puce microfluidique a été effectué grâce à l’implémentation d’un système de vibration et d’une matrice bimodale. Cette approche a prouvé son efficacité sur des modèles de capture de protéines et d’ADN. En parallèle, une seconde partie de mon travail a porté sur l’application du système de lit fluidisé à différents défis analytiques. Dans un premier temps, nous avons montré son potentiel pour l’analyse bactérienne. Le lit fluidisé peut aussi être utilisé comme plateforme de tests pour ligands pour la prise en charge de patientes souffrant de pré-éclampsie au cours de leur grossesse. Enfin un immuno-dosage de type ELISA a été réalisé entièrement dans ce système de lit fluidisé. Ces résultats montrent l’adaptabilité de ce système au-delà de ses capacités à travailler à haut débit, bas coût, en consommant peu d’échantillon, et avec une grande sensitivité. Magnetic fluidized beds in microfluidic: Application to ultrasensitive detection for bioanalysis PhD thesis of L. Alexandre Remerciements C’est un exercice bien difficile de remercier toutes les personnes qui ont participé, encouragé, supporté cette thèse. Lorsque j’ai débuté, je me doutais déjà que trois ans de thèse ne peuvent pas être réalisés seule, que ce serait d’abord un exercice de travail en groupe. Mais je n’imaginais pas combien ces interactions, ces conseils allaient me construire, tout ce qu’ils allaient m’apporter. Mes premiers remerciements vont à Stéphanie Descroix, qui a encadré ce travail. Merci ! Merci tout d’abord pour la confiance que tu m’as accordée. Que ce soit au tout début, en me confiant ce travail, mais aussi jour après jour, expérience après expérience. Tu m’as encouragée, tu m’as poussée, tu m’as fait grandir. Et surtout, pendant les coups durs de la thèse aussi bien que pendant les difficultés plus personnelles de ces trois ans, tu as été à mes côtés quand j’en ai eu besoin, tu m’as écoutée, tu m’as épaulée. Je ne pense pas pouvoir te remercier suffisamment en seulement quelques mots à l’intérieur d’un manuscrit, l’écriture est bien incomplète pour dire merci, mais je suis fière que ces remerciements commencent par toi. Merci à Laurent Malaquin, qui a co-encadré cette thèse, et qui m’a aussi permis de découvrir la ville de Toulouse. Merci pour ton soutien, pour ton aide et pour les nombreuses corrections de thèse, d’abstracts, de dossiers que tu as effectuées au cours de ces trois années. Je souhaite aussi remercier Jean-Louis Viovy, tout d’abord pour m’avoir accueillie dans son équipe, mais aussi pour son aide et pour ses conseils qui ont su donner un élan particulier à ma thèse. Merci aussi à Catherine Villard, qui m’a écoutée et conseillée avec toujours beaucoup de sagesse. Merci aux membres du jury, qui ont pris le temps de relire, de discuter et de compléter ce travail, avec une grande bienveillance. Iago Pereiro a été mon encadrant en stage de master avant de prendre le rôle de mentor dans la thèse. Il m’a fait confiance pour reprendre son sujet de thèse, au moment où j’avais besoin d’un nouveau projet. Un grand merci pour tous tes conseils, aussi bien sur le travail que sur quantité de sujets philosophiques. Promis, je vais essayer la méditation, et je te fais signe dès que je commence le chamanisme. Le début de ma thèse a aussi été mené avec l’aide d’Amel Bendali, dont la précision et l’écoute m’ont aidée à rendre mon travail plus efficace, mais aussi à surmonter les moments parfois un peu difficile de la thèse. Merci de m’avoir montré qu’on peut être une femme épanouie en science tout en construisant sa vie de famille. Cette thèse a été réalisée en même temps que quatre autres thèses dans le laboratoire. Ismail et Lauriane ont été deux piliers dans ce travail, deux soutiens. Vous m’avez tous les deux beaucoup appris, que ce soit à travers cette belle amitié qui s’est bien développée en trois ans, mais aussi dans les moments durs ou à travers les confrontations. Lauriane, tu es la personne la plus humaine que je connaisse. Tu as un cœur immense, toujours plus grand Magnetic fluidized beds in microfluidic: Application to ultrasensitive detection for bioanalysis PhD thesis of L. Alexandre que ce que je devinais. Garde le ! Il te rend tellement belle. Ismail, qu’est-ce que tu m’as fait grandir en trois ans ! J’aime le fait que tu me pousses toujours plus loin, à réfléchir toujours un peu plus, à remettre encore en questions une autre certitude. Ton calme face à toute situation et ta faculté à analyser avant de réagir m’intriguent toujours, mais qu’est ce qu’ils sont agréables à vivre ! Miza a été ma personne de confiance dans les moments de doute, une oreille attentive, sans aucun jugement. Tu me manques ! Et même si le Singapour que tu nous as fait découvrir semble génial, n’oublie pas de revenir en France nous voir. Floriane, j’espère qu’on continuera la zumba ! Mais l’équipe ne s’arrête pas à cinq thèses. Marco, on peste souvent contre tes chansons italiennes, mais au fond elles nous manquent quand tu n’es pas au labo. Davide, merci pour tous tes conseils, j’espère qu’ils se rendent compte en Italie de la chance qu’ils ont de t’avoir. Sarah, ces années ensembles nous font de beaux souvenirs, merci pour tes gentilles attentions. Corentin, merci pour ton écoute, et pour ta vision éclairée des relations sociales. Merci Elodie d’être passée pendant toute l’écriture de ce manuscrit dans mon bureau pour que je continue à parler à des gens. J’espère qu’un jour tu viendras au labo avec ton épée. Merci Moencopi pour le coup de main en manips. Merci à tous ceux qui ont rendu plus facile le fait de se lever le matin, Mathilde, Marine, Céline, Cécile, Renaud, Bastien, Théo, Emile. Et le meilleur pour la fin, merci Charles pour les discussions et les conseils scientifiques. Merci à ceux qui ont travaillé dans l’équipe lit fluidisé. Simon, Madad, Laura, Manh, Julie, c’était un plaisir de travailler avec vous. Vous m’avez tous appris, à votre façon, à travailler en groupe, merci ! Merci à l’ensemble des collaborateurs des projects présentés dans cette thèse. Merci à tous mes amis, qui m’ont encouragée et soutenue pendant ses trois ans, en acceptant mon manque de disponibilité. Merci à Laurie, Marion et Anahid. Merci à Héloise, Matthieu, Sophie, Romain et Amélie. Merci à Olivia, à Maxime, à Elsa, à Benoit, à Vanessa et à Lucie.