Modification de Surface de Transistor par des complexes Organométalliques pour détecter des lons trivalents

Modification of Transistor Surfaces by Organometallic Complexes to detect Trivalent Ions

• Auteur / Autrice : Charlene Gadroy
• Direction : Franck Le Derf, Nadine Mofaddel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/06/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Bérengère Lebental
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Varenne, Géraldine Gouhier, Benoît Piro, Julien Vieillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lemaître, Raphaël Tripier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Transistors à effet de champ

Gadotérique, Acide

Capteurs (technologie)

Détecteurs de produits chimiques

Gadolinium

Mots clés libres

Gadolinium (III)

Capteur

DOTA

Transistor à effet de champ au graphène assisté par électrolyte

Fonctionnalisation de surfaces

Gadolinium (III)

Sensor

DOTA

Electrolyte-assisted graphene field effect transistor

Surface functionalisation.

Résumé

Depuis plusieurs décennies, il y a une augmentation de la concentration en éléments traces métalliques d’origine anthropique dans l’environnement. Dans le domaine médical, les avancées technologiques au cours de ces deux derniers siècles ont été très importantes, notamment dans le développement de technologies non invasives permettant de détecter et de diagnostiquer des maladies. Le gadolinium (III) est un élément de la famille des terres rares utilisé sous forme complexé lors des analyses d’imagerie par résonnance magnétique (IRM). Cet agent de contraste est donc injecté au patient pour améliorer la qualité des images IRM puis excrété dans les urines des patients de sorte qu’il se retrouve dans les eaux brutes qui arrivent en station d’épuration. Malheureusement ces stations ne savent pas traiter ce complexe qui sera donc rejeté dans les eaux naturelles. Tant qu’il est complexé, le gadolinium (III) a une dangerosité limitée. Néanmoins, ce complexe peut être dissocié et dans ce cas, l’ion Gd3+ devient un élément toxique qui aura tendance à s’accumuler dans les organismes vivants, devenant un réel danger pour la faune, la flore et l’environnement. Les travaux de cette thèse ont pour vocation à développer un dispositif analytique capable de détecter et de quantifier cet ion dans les eaux analysées. Il sera présenté tout d’abord la synthèse d’un macrocycle original, l’acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane-1,4,7,10-tétraacétique (DOTA) porteur d’une fonction thiol compatible avec une immobilisation forte sur surface d’or. De par sa sélectivité, cette molécule pourra capturer par complexation le gadolinium (III) en solution. Je développerai également la synthèse de liquides ioniques servant de compétiteur à l’ion-cible pour l’interaction avec le macrocycle. Les molécules seront synthétisées et caractérisées avant d’être couplées en surface. Les constantes de formation du complexe entre le gadolinium (III) et le macrocycle seront déterminés expérimentalement pour valider la stratégie de compétition envisagée. Les dispositifs obtenus seront également caractérisés par différentes techniques de caractérisation de surface pour valider la fonctionnalisation de l’électrode de travail de notre dispositif. Enfin, je vous présenterai la fabrication et la caractérisation de notre transistor sensible et spécifique au Gd(III). La sensibilité et la sélectivité de notre dispositif seront déterminées en milieu modèle mais également en présence de solutions complexes pour démontrer la pertinence de notre capteur électrochimique.

For several decades, there has been an increase in the concentration of man-made trace metals in the environment. In the medical field, technological advances over the last two centuries have been very significant, particularly in the development of non-invasive technologies for detecting and diagnosing diseases. Gadolinium (III) is a rare earth element used in complexed form in magnetic resonance imaging (MRI) analyses. This contrast agent is injected into the patient to improve the quality of the MRI images and then excreted in the patient's urine, so that it ends up in the raw water that reaches the treatment plant. Unfortunately, these plants do not know how to treat this complex, which will therefore be discharged into natural waters. As long as it is complexed, gadolinium (III) is of limited danger. However, this complex can be dissociated, in which case the Gd3+ ion becomes a toxic element that tends to accumulate in living organisms, posing a real danger to fauna, flora and the environment. The aim of this thesis is to develop an analytical device capable of detecting and quantifying this ion in the water analysed. Firstly, the synthesis of an original macrocycle, 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) with a thiol function compatible with strong immobilisation on a gold surface, will be presented. Because of its selectivity, this molecule will be able to capture gadolinium (III) in solution by complexation. I will also develop the synthesis of ionic liquids to compete with the target ion for interaction with the macrocycle. The molecules will be synthesised and characterised before being coupled to the surface. The complex formation constants between gadolinium (III) and the macrocycle will be determined experimentally to validate the proposed competition strategy. The devices obtained will also be characterised using various surface characterisation techniques to validate the functionalisation of the working electrode of our device. Finally, I will present the fabrication and characterisation of our Gd(III)-sensitive and -specific transistor. The sensitivity and selectivity of our device will be determined in a model environment but also in the presence of complex solutions to demonstrate the relevance of our electrochemical sensor.