Conception et réalisation de biocapteurs pour le suivi de polluants dans les eaux naturelles
Institution:
Lyon 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
In the environmental field, it is very important to have tools capable of detecting the presence of pollutants or toxic substances in aqueous media, such as aquatic ecosystems, water treatment stations and industrial effluents. The classical methods used for the detection of a (bio)chemical species are usually complex, expensive, bulky and often difficult to implement. In addition, the preparation of samples and operating the data treatment increase greatly the total time of analysis. Over the past thirty years, have emerged chemical and biological sensors, to be an alternative method. Despite a huge demand and many searches, there are very few commercial achievements, especially in the environmental field, because of the problems of specificity and stability of the sensor. For that our current research is directed towards the creation of new immobilization matrices of the sensing element and the development of new electrode materials. This thesis work focuses on the realization and characterization of chemical and biochemical sensors based on the use of three types of transduction : The first transducer is conductometric with interdigitated electrodes ; The first is a bienzymatic biosensor with immobilized proteases for the detection of protein as a marker of organic matter ; The second is a biosensor developed for the determination of nitrate using nitrate reductase enzyme (RN) of aspergillus niger immobilized in a PVC film, in the presence of Nafion ® and Methyl viologen as a mediator ; The third is a chemical sensor for the ammonium determination using the PVC membrane containing nonactin as a recognition agent of ammonium ; The second type of transducer is based on voltammetry with glassy carbon electrodes for determining traces of mercury and nickel. The third type of transducer is a fiber optic (chemiluminescence) for the detection of cobalt immobilised in a film of chitosan, the principle of this sensor being that metal ions such as cobalt present a catalytic effect on the reaction of the chemiluminescence of luminol in the presence of hydrogen peroxide. These (bio)sensors have been validated with samples of natural water. They fulfilled the criteria to be come a performing alternative method, with detection limits in the range of ng/L to µg/L, comparable to those found in the literature. They showed a rapid response about 5 to 7 minutes, good selectivity with good reproducibility for a long life of one to three months. Finally, these technologies, operating at room temperature, are ready to be used on site. They thus allow performing analysis and monitoring of complex environmental samples without any pretreatment.
Abstract FR:
Dans le domaine de l'environnement, il est très important de disposer d'outils capables de détecter la présence de polluants ou de substances toxiques au sein des milieux aqueux, tels que les écosystèmes aquatiques, l'eau des stations d'épuration, les effluents industriels. Les techniques classiques d’analyse pour la détection d’une espèce (bio) chimique sont généralement complexes, coûteux, volumineux et souvent difficiles à mettre en œuvre. De plus, les phases de préparation des échantillons et d’exploitation des résultats augmentent souvent très fortement la durée totale d’analyse. Depuis une trentaine d’années, ils font face à l’avènement des capteurs (bio)chimiques. Malgré une très forte demande et de nombreuses recherches effectuées, très peu de réalisations commerciales ont vu le jour, surtout dans le domaine de l’environnement. La difficulté majeure qui freine le développement industriel de ces capteurs est liée aux problèmes de sélectivité et de stabilité de l’élément sensible fixé sur la surface du transducteur au cours de l’étape de fonctionnalisation. Pour remédier à ces inconvénients, notre recherche est orientée vers la création de nouvelles matrices d’immobilisation de l’élément sensible et l’élaboration de nouveaux matériaux d’électrodes. Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la caractérisation de capteurs chimiques et biochimiques basés sur l’utilisation de trois types de transduction. Le premier transducteur est conductimétrique avec des électrodes interdigitées : Le premier est un biocapteur bienzymatique à protéases immobilisées pour la détection de protéines en tant que marqueur de la matière organique ; Le deuxième est un biocapteur élaboré pour la détermination des nitrates en utilisant l’enzyme nitrate réductase (RN) de l’aspergillus niger immobilisé dans un film de PVC, en présence de Nafion® et de Méthyle viologen en tant que médiateur ; Le troisième est un capteur chimique pour détecter l’ammonium en immobilisant sur des électrodes interdigitées des membranes en PVC contenant la nonactine comme un élément de reconnaissance de l’ammonium ; Le deuxième type de transducteur est voltamétrique avec des électrodes en carbone vitreux pour la détermination de traces de mercure et de nickel. Le troisième type est un transducteur à fibre optique (chimiluminescence) pour la détection du cobalt immobilisé dans un film de chitosan ; le principe de ce capteur repose sur l’effet catalytique des ions métalliques comme le cobalt sur la réaction de chimiluminescence du luminol en présence de peroxyde d’hydrogène. Ces (bio)capteurs ont été validés sur des échantillons d’eau naturelle. Ils ont prouvé qu’ils constituent une technique d’analyse alternative performante, présentant des limites de détection très sensibles, de l’ordre du ng/l au µg/l, comparables à celles trouvées dans la littérature. Ils ont montré une rapidité de réponse de 5 à 7 minutes, une bonne sélectivité avec une bonne reproductibilité pour une longue durée de vie de un à trois mois. Enfin, ces techniques à faible coût, fonctionnant à température ambiante, sont prêtes à être utilisées sur le terrain. Ils permettent ainsi de réaliser des analyses de contrôle et de surveillance de milieux complexes sans traitement préalable des échantillons