Mise en place d'une plateforme Laboratoire Sur Puce intégrant des microcapteurs électrochimiques pour la mesure des polluants dans l'eau basée sur le suivi physiologique d'algues

Development of a lab-on-chip platform integrating electrochemical microsensors for the detection of water contaminants based on algal physiology monitoring

• Auteur / Autrice : Aliki Theodora Tsopela
• Direction : Jérôme Launay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano systèmes
• Date : Soutenance le 10/02/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algues

Herbicides

Qualité de l'eau

Mots clés libres

Détection

Herbicides

Lab-on-chip

Métabolisme des algues

Ultramicroelectrodes

Résumé

Le suivi de la qualité de l'eau a été d'une grande importance depuis ces dernières décennies afin de trouver des solutions de contrôler la contamination de l'eau, induite en grande partie par les activités agricoles et industrielles. Bien que les méthodes conventionnelles, comme la chromatographie, sont des outils très précis et sensibles, un intérêt grandissant a été placé sur des techniques prometteuses qui peuvent être utilisées sur site, sont bas coût, et offrent la possibilité d'effectuer des analyses rapides. Le travail présenté ici est dédié au développement de composant Laboratoire sur Puce pour l'analyse de la toxicité de l'eau. Il consiste en un système portable pour la détection sur site et offre la possibilité d'une double détection complémentaire : optique et électrochimique. Comme la partie dédiée au capteur électrochimique a préalablement été validée, cette étude est focalisée sur l'implémentation d'un biocapteur électrochimique basé sur l'utilisation d'une algue, pour la détection de polluants dans l'eau. Le principe basique de détection consiste au suivi de changements de l'activité métabolique d'algues induits par la présence d'herbicides. La réponse de l'algue est différente pour chaque concentration d'herbicide dans un échantillon examiné. Deux herbicides sélectionnés affectent l'activité photosynthétique de l'algue et par conséquent, induisent des modifications dans la quantité des espèces électroactives produites par l'algue : O2, H2O2 et H3O+/OH-. Avant le développement du composant final type Laboratoire sur Puce, les principes de détection aussi bien que les matériaux d'électrode qui vont être intégrés, ont été validés en utilisant un type de composant plus simple, qui a été réalisé grâce aux technologies de fabrication silicium et qui a été caractérisé par des procédures plus simples. Une puce sur silicium contenant un microsystème électrochimique intégrant trois électrodes a été mis en place. Une fois validés, les matériaux de détection et les configurations choisis précédemment ont été utilisés pour la fabrication des composants Laboratoire sur Puce. Les composants Laboratoire sur Puce ont été ensuite utilisés pour des tests biologiques afin de détecter les herbicides d'intérêt. Une attention spéciale a été placée sur le suivi de O2 comme indicateur de la présence d'herbicide, étant donné que cet élément est le plus représentatif de modifications de l'activité métabolique. Un effet d'inhibition sur la photosynthèse, dépendant de la concentration de l'herbicide a été démontré. La détection de l'herbicide a été réalisée avec une grande sensibilité et sur une gamme couvrant la limite de concentration maximale acceptable imposé par le gouvernement canadien.

Water quality assessment has attracted wide attention during the last decades in order to find ways to control contamination of water bodies induced, in a big part, by agricultural and industrial activities. Although conventional techniques, such as chromatography are highly accurate and sensitive tools, increasing interest has been placed lately to powerful alternative techniques that can be used on field, are cost-effective and offer the possibility of conducting rapid analysis. The present work was therefore dedicated to the development of a lab-on-chip device for water toxicity analysis. It consists in a portable system for on-site detection and aims at offering the possibility of conducting double complementary detection: optical and electrochemical. Since the optical sensor is already validated, this study focused on the implementation of the algal-based, electrochemical biosensor for detection water contaminants. The basic detection principle consists in monitoring disturbances in metabolic activities of algae induced by the presence of the herbicides. Algal response is different for each herbicide concentration in the examined sample. The two selected herbicides affect algal photosynthetic activity and consequently induce modifications in the quantity of electroactive species, O2, H2O2 and H3O+/OH- ions related to pH, produced by algae. Prior to the development of the final lab-on-chip device, the detection principle as well as the electrode materials that were going to be integrated were validated using a simpler device that was implemented using a silicon-based fabrication technology and was characterized using simpler procedures. A silicon chip containing the integrated three-electrode electrochemical microsystem was fabricated. The performance of the microsystem was evaluated through electrochemical characterization and calibration was performed. Once validated, the aforementioned materials and configurations were used for the fabrication of the lab-on-chip devices. The lab-on-chip devices were further used in bioassays to detect the herbicides of interest. Special emphasis was placed on O2 monitoring as indicator of the presence of herbicide, as it is the element the most representative of variations in metabolic activities. A concentration-dependent inhibition effect of the herbicide on photosynthesis was demonstrated. Herbicide detection was achieved with a greater sensitivity and a range covering the limit of maximum acceptable concentration imposed by Canadian government.