Capteurs chimiques à base de matrices synthétisées par voie sol-gel et à transduction optique pour la détection de composés organiques volatils microbiens (mCOV)

Chemical sensors based on xerogels synthetised via sol-gel process for the optical detection of microbian volatile organic compounds (mVOC)

• Auteur / Autrice : Laure Hélène Guillemot
• Direction : Thu-Hoa Tran-Thi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut Rayonnement Matière de Saclay (Saclay)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Rayonnement Matière de Saclay (ex DRECAM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Mahy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thu-Hoa Tran-Thi, Jean-Pierre Mahy, Didier Delabouglise, Robert Pansu, Pierre Marcoux, Sylvain Orenga
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Delabouglise, Robert Pansu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfures

Bactéries pathogènes

Capteurs (technologie)

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Matrice nanoporeuse

Capteurs colorimétriques

Capteurs fluorescents

Composés organiques volatils (COV)

Salmonella

Bactéries

Sulfure d’hydrogène

Méthanethiol

Cadavérine

P-nitrophénol

Β-naphthylamine

Nanoporous matrix

Colorimetric sensors

Fluorimetric sensors

Volatile organic compounds (VOC)

Salmonella

Bacteria

Hydrogen sulfide

Methanethiol

Cadaverine,

P-nitrophenol

Β-naphthylamine

Résumé

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l’industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s’intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d’hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l’action d’enzyme spécifique d’Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d’hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s’agit d’une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l’intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d’acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d’hydrogène et de méthanethiol entraîne l’apparition respective d’une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d’un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d’enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d’un produit rouge). En milieu biologique, l’eau est un interférent majeur.

Microbial contamination of food and biological samples is a big issue in the industry as much as in the medical field. In that context, the present thesis brings innovative solutions. A first explored way is the identification of Salmonella by detecting and measuring the specific metabolomics volatile organic compounds (mVOC) released, H2S and cadaverine. Another new concept is the use of osmogenic substrates able to release mVOC under the action of specific enzyme of Escherichia coli.A first colorimetric sensor able to discriminate H2S from CH3SH was produced, using a nanoporous silicate matrix doped with N,N-dimethyl-p-phenylenediamine and Fe3+ ions. A very acidic medium is needed to stabilize the “key” intermediate of the reaction, the quinonediimine species (QD), which gives with H2S and CH3SH a green and red-brown product, respectively. The fluorimetric sensor of cadaverine is based on the formation of a fluorescent complex between AS-BI demethylated Naphthol and cadaverine and can detect 250 ppb of cadaverine. A proof of concept of osmogenic substrates is given with the detection of p-nitrophenol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) released under the action of Escherichia coli enzymes, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Various nanoporous sensors are produced with tailored pore size, which can detect 100 ppm of the yellow pNP, 100 ppm of the fluorescent β-NA and 100 ppm of the red product issued from the derivation of β-NA with dimethyl-p-aminocinnamaldehyde. In biological media, water remains the major interfering agent.