Développement de micro(bio)capteurs électrochimiques en vue de leur intégration dans une plateforme microfluidique (Lab-On-Disc) pour le contrôle in situ de la qualité des eaux douces de surface

Development of electrochemical micro(bio)sensors with a view to their integration into a microfluidic platform (Lab-On-Disc) for in situ monitoring of freshwater quality

• Auteur / Autrice : Camille Bene
• Direction : Jérôme Launay, Pierre Temple-Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Elger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Lojou, Mary-Lou Tercier-Waeber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wojtek Wróblewski, Anne-Claire Salaün

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution de l'eau

Indicateurs de la qualité de l'eau

Microcapteurs

Mots clés libres

Microcapteurs électrochimiques

Biocapteurs à algues

Qualité de l'eau

PH

Détection des ions nitrates

Détection des herbicides et des métaux lourds

Electrochemical microsensors

Algae-based biosensors

Water quality

PH

Nitrate detection

Herbicide and heavy metal detection

Résumé

L'eau douce de surface est l'unique ressource d'eau facilement exploitable, que cela soit pour l'agriculture, l'industrie ou l'eau potable. Pourtant, elle représente seulement 0,03% de l'hydrosphère terrestre totale, ce qui fait d'elle une ressource précieuse. Malheureusement, elle est souvent victime de pollutions, principalement issues de l'activité humaine, et il est alors nécessaire d'assurer le suivi de sa qualité afin de la protéger. Les méthodes conventionnelles de laboratoire ont fait leurs preuves en termes de robustesse, de sensibilité et de fiabilité. Cependant, ces méthodes nécessitent, en plus de matériels coûteux et de personnels qualifiés, un transport de l'échantillon du site au laboratoire pouvant l'altérer ou le modifier. Cela impose le respect de règles strictes de conditionnement, conservation, stockage et transport rendant le processus de surveillance encore plus complexe et conduisant toujours à un manque de résultats en temps réel. Ainsi se développent ces dernières décennies de nouvelles technologies prometteuses pour assurer ce suivi directement sur site de manière rapide et fiable. Ces travaux de thèses se focalisent sur le développement de trois types de capteurs électrochimiques afin d'assurer la détection du pH, de la concentration en ions nitrates et des teneurs en herbicides et en métaux lourds. Ces capteurs doivent ensuite être intégrés sur une plateforme microfluidique de type laboratoire sur disque, afin de produire un système portatif d'alerte précoce à bas coût, autonome et fiable permettant de démultiplier les fréquences et points de mesures et d'orienter vers d'éventuelles analyses complémentaires en laboratoire. Les trois capteurs sont basés sur la même filière technologique ElecCell impliquant la microfabrication, sur substrat silicium, d'une cellule électrochimique à trois électrodes. Le capteur de pH est un capteur potentiométrique basé sur l'oxyde d'iridium IrOx. Le capteur d'ions nitrates NO3- est un capteur potentiométrique à membrane polymérique ionosensible. Une étude a été menée sur l'intégration d'une couche de transduction à base de nanotubes de carbone afin d'en améliorer ses performances. Enfin, le capteur d'herbicides et de métaux lourds est un biocapteur ampérométrique d'oxygène O2 dissous impliquant les métabolismes algaux. En effet, l'activité métabolique photosynthétique et/ou respiratoire des algues étant influencée par la présence de certains polluants, l'échantillon analysé est mélangé à une solution de microalgues vertes et le biocapteur électrochimique se focalise sur la détection du taux d'oxygène consommé et/ou produit. Des études ont donc été menées sur plusieurs herbicides et métaux lourds. Pour terminer, des premiers tests en eau réelle ont été réalisés.

Fresh surface water is the only easily exploitable water resource, whether for agriculture, industry or drinking water. Yet it represents only 0.03% of the Earth's total hydrosphere, making it a precious resource. Unfortunately, it is often the victim of pollution, mainly caused by human activity, and it is therefore necessary to monitor its quality in order to protect it. Conventional laboratory methods have shown their worth in terms of robustness, sensitivity and reliability. However, in addition to costly equipments and qualified manpowers, these methods require samples to be transported from the site to the laboratory, where it may be altered or modified. This imposes strict rules on packaging, conservation, storage and transport, making the monitoring process even more complex, and always leading to a lack of real-time results. Over the last few decades, promising new technologies have been developed to ensure fast, reliable on-site monitoring. This thesis focuses on the development of three types of electrochemical sensors to detect pH, nitrate ions, herbicides and heavy metals. These sensors must then be integrated on a dedicated microfluidic platform (laboratory on disk) to produce a low-cost, autonomous and reliable portable early-warning system, enabling measurement frequencies and points to be multiplied, and pointing the way to possible further laboratory analyses. The three sensors are based on the ElecCell technological platform, implying the microfabrication, on a silicon substrate, of a three-electrode electrochemical microcell. The pH sensor is a potentiometric sensor based on iridium oxide IrOx. The nitrate ion NO3- sensor is a potentiometric sensor with a polymer-based ion-sensitive membrane. A study has been carried out on the integration of a carbon nanotube-based transduction layer to improve its performance. Finally, the herbicide and heavy metal sensor is a dissolved oxygen O2 amperometric biosensor based on algal metabolism. As the metabolic activity of algae is influenced by the presence of certain pollutants (photosynthesis and/or respiration), the analysis sample is mixed with a solution of green microalgae, and the electrochemical biosensor focuses on detecting the rate of oxygen consumed and/or produced. Studies were carried out on several pesticides and heavy metals. Finally, initial tests were carried out in real water samples.