Développement et validation d'un système in-situ d'imagerie par résonance de plasmons de surface pour le dosage d'éléments métalliques en eau douce et en milieu marin

Development and validation of an in-situ surface plasmon resonance imaging system for the detection of metallic elements in freshwater and seawater

• Auteur / Autrice : Lionel Lartigue
• Direction : Michael Canva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - laboratoire Charles Fabry / Biophotonique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude L. Lereu, Jean-Pierre Cloarec, Alexandra Fragola, Olivier Soppera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aude L. Lereu, Jean-Pierre Cloarec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie

Photopolymérisation

Nanostructures

Résonance plasmonique de surface

Appareils et instruments scientifiques

Mots clés libres

Instrumentation optique

Capteur in-Situ

Spr

Nanostructuration

Photopolymérisation

Optical Instrumentation

In-Situ sensor

Spr

Nanostructuration

Photopolymerisation

Résumé

Les ions métalliques provenant de sources na-turelles ou d'activités anthropiques sont présents dansles eaux terrestres des nappes phréatiques jusqu'auxgrands fonds océaniques. Leur influence sur les biotopeset la santé humaine, même à de très faibles concentra-tions, est activement étudiée. Jusqu'à présent, la plupartdes analyses sont effectuées en laboratoire et il y a unbesoin de développer un capteur in-situ pour fournir unmoyen de surveillance de terrain.Les capteurs basés sur la résonance de plasmon desurface (SPR) sont largement utilisés dans le domainede la biodétection pour la surveillance d'espèces chi-miques à des concentrations aussi faibles que le nano-molaires. Le type de capteurs SPR le plus courant estbasé sur la mesure des variations de réflectivité d'un filmd'or, de 50 nm d'épaisseur, lorsqu'une espèce cible estcapturée par des récepteurs chimiques greffés à la sur-face d'or. La capacité d'imagerie de ce type de capteurspermet la détection simultanée de différentes espèceschibles. De plus, leur faible dynamique de mesure inhé-rente peut être surmontée par une interrogation des pro-priétés du plasmon grâce à l'utilisation d'une source delumière multi-spectrale. Ainsi, le film d'or est illuminépar un nombre fini de longueurs d'onde différentes etgrâce à cet ensemble d'images, la position spectrale dela résonance plasmon est calculée sur l'ensemble du filmd'or. L'adsorption d'une espèce chimique sur la surfaceentraîne un déplacement de cette position spectrale quiest proportionnel à la concentration. Cette source mul-tispectrale, ainsi que l'ensemble des capteurs SPR, doitêtre compacte, économe en énergie et robuste, parmisd'autres contraintes liées à l'application sous-marine.Afin de détecter les ions métalliques, les polymèresà empreinte ionique (IIP) ont été choisis comme récep-teurs chimiques spécifiques. La spécificité d'un IIP auxions imprimés provient à la fois de l'interaction électro-statique et de la géométrie des cavités spécifiques figéesdans la matrice de polymère. Une méthode a été dévelop-pée afin de synthétiser et de greffer ces polymères sousforme de couches minces sur la surface d'or et de contrô-ler leur épaisseur à l'échelle nanométrique. La détectiondu cuivre et du zinc a été réalisée à des concentrations del'ordre de 500 nM dans des échantillons contrôlés et enlaboratoire.

Metallic ions coming from natural sources orantropogenic activities are present in the Earth watersfrom phreatic tables to deep oceans. Their influence onthe biotopes and the human health, even at very lowconcentrations, is actively studied. So far, most of theanalyzes are done in laboratories and there is a necessityto develop an in-situ sensor to provide a in-field meansof monitoring.Surface Plasmon Resonance (SPR) based sensors arewidely used in the biodetection field for the monitoringof chemical species at concentration as low as nanomo-lar. The most common type of SPR sensors is based onthe measure of the reflectivity variations, of a 50 nm thickgold film, when a target chemical specie is captured bymolecular probes grafted on the gold surface. The ima-ging capacity of this type of sensors allow the simulta-neous detection of differents chemical species. Moreover,their inherent low working range can be overcome by aninterrogation of the plasmon properties through the useof a multispectral light source. Thus, the gold film is illu-minated by a finite number of different wavelengths andthanks to this set of images, the spectral position of theplasmonic resonance is calculated over the whole goldfilm. The adsorption of a chemical specie on the surfaceleads to a shift of this spectral position which is propor-tional to the concentration. This multispectral source, aswell as the whole SPR sensors, needs to be compact, po-wer efficient and robust, among other constraints relatedto submarine application.In order to detect metallic ions, Ion Imprinted Po-lymers (IIP) have been chosen as specific molecularprobes. The IIP specificity to imprinted ions comes fromboth electrostatic interaction and the geometry of speci-fic cavities frozen in the polymer matrix. A method hasbeen developped to synthetize and to graft these poly-mers as thin films on the gold surface and to control theirthickness at the nanometric scale. Detection of copperand zinc has been achieved at concentrations as low asabout 500 nM in controlled samples and in a laboratoryenvironment.