Tâche 4.3 : Capteurs chimiques innovants

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L’objectif de ce lot est de développer des capteurs chimiques innovants dédiés à la surveillance des composés chimiques dans les eaux naturelles. Parmi les différentes voies possibles, une nouvelle direction des recherches s’orientent vers le développement de capteurs plus respectueux de l’environnement, basés sur le principe de la reconnaissance biomimétique et fabriqués à partir de matériaux bio-sourcés, intégrant la notion d’éco-conception.

Figure 1. Schéma du principe d’un capteur chimique (d’après Suginta et al., 2013 [1])

Deux thèses sont en cours, portant sur :

  • (1) le développement d’un capteur pour la spéciation du bore dans les eaux, le bore étant analysé après sa complexation par un film composé de composés bio-sourcés, la détection se faisant par une microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation d’énergie (Q-Sense instruments);
  • (2) la recherche et le développement d’un capteur innovant pour la détection d’herbicides dans les milieux aquatiques, à l’aide de matériaux bio-sourcés, en respectant les concepts de la chimie verte. Pour ce faire, la technologie mise en œuvre sera basée sur l’utilisation de polymères à empreinte moléculaire (MIP) combinée à une détection par résonance de plasmon de surface (SPR, MP-SPR NaviTM 200 OTSO) et par électrochimie (SP-200 potentiostat, Bio-Logic) dans le but d’obtenir des propriétés mettant en avant la sensibilité, la stabilité et la robustesse, tout en obtenant des capteurs à bas coût

Un microspectroscope Raman (LabRAM HR evolution (Horiba Jobin Yvon SAS), associé à un microscope confocal (BX41), est utilisé pour caractériser les matériaux et étudier les mécanismes d’interactions moléculaires entre les différents matériaux utilisés pour le capteur et les molécules à détecter.

Principe des polymères à emprunte moléculaire (MIP)

Le principe de l’impression moléculaire est similaire à à la reconnaissance moléculaire « anticorps-antigène » en biologie. Pour cela, une synthèse de cette méthode a été rédigée par Yan [2]. Le principe général est résumé dans la Figure 2. La molécule modèle (molécule cible généralement) interagit avec des monomères fonctionnels soit par liaisons covalentes soit par auto-association. Ces monomères sont ensuite polymérisés autour de la molécule cible à l’aide d’un agent réticulant en présence d’un solvant, le plus vert possible. La molécule modèle est ensuite extraite par de nombreux lavages afin de casser les liaisons entre la matrice et les monomères. De ce fait, une mémoire moléculaire est introduite dans le polymère ainsi formé, capable de se lier sélectivement à l’analyte (molécule cible) via la taille, la forme et les groupes fonctionnels [3].

Figure 2. Principe général de l’impression moléculaire [4]

Notre approche

Les membranes à MIP, contenant des sites pour la reconnaissance d’herbicides, sont développées en utilisant la méthode par recouvrement ou par synthèse inductive. La synthèse proposée, respectant les principes de la chimie verte, utilise des composés bio-sourcés (solvant, agents stabilisants, réactifs). La résonance de plasmon de surface et l’électrochimie sont utilisées non seulement pour contrôler la fabrication des membranes MIP mais aussi pour détecter les analytes (Figure 3). L’étalonnage peut être ensuite réalisé pour estimer la concentration de la molécule cible dans différentes matrices telles que les eaux naturelles.

La résonance de plasmon de surface est une propriété optique largement utilisée pour mesurer en temps réel, sans marquage, les interactions moléculaires dans le cas de système biologique. L’appareil utilisé est un système MP-SPR NaviTM 200 OTSO comportant deux faisceaux laser avec des longueurs d’onde 670 nm et 785 nm. Avec un tel système, il est possible de suivre et calculer les cinétiques d’adsorption ainsi que d’autres propriétés, à l’exception de l’épaisseur du film. Cet équipement permet donc d’aider à la compréhension des interactions structure-propriétés des MIP et peut conduire à l’amélioration des technologies de nanofabrication. Associé au potentiostat Bio-Logic SP 200, il sera possible de quantifier les propriétés électrochimiques du capteur en lien avec la conductivité, la capacité et les propriétés diélectriques en utilisant les méthodes électrochimiques telles que la voltammétrie cyclique, la spectroscopie d’impédance électrochimique ou la spectroscopie d’impédance différentielle.

Figure 3. Schéma d’un capteur à empreinte moléculaire couplant la mesure par SPR et par électrochimie

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Références

  1. Suginta, W., Khunkaewla, P., Schulte, A., 2013. Electrochemical biosensor applications of polysaccharides chitin and chitosan. Chem. Rev. 113, 5458-5479.
  2. Yan, M., 2004. Molecularly Imprinted Materials: Science and Technology. Taylor & Francis.
  3. Haupt, K., 2001. Molecularly imprinted polymers in analytical chemistry. Analyst 126, 747-756.
  4. Lofgreen, J.E. Ozin, G.A., 2014. Controlling morphology and porosity to improve performance of molecularly imprinted sol-gel silica. Chem. Soc. Rev. 43, 911-933.
  5. http://www.bionavis.com
  6. http://www.bio-logic.net

Responsables du WP : Philippe Behra et François Prévot

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