Élaboration de capteurs fluorescents pour la quantification de traces de métaux lourds dans l'eau

par Yogesh Chandrasekaran

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Mireille Blanchard-Desce.

Soutenue en 2012

à Rennes 1 .


  • Résumé

    L'exposition au plomb, cadmium, mercure et arsenic constitue un des risques important en termes de santé humaine. Ces métaux lourds sont à l'origine de problèmes pour l'environnement et la santé en raison de leur bioaccumulation. Bien qu'il existe de multiples méthodes analytiques permettant des mesures quantitatives précises, la plupart de ces méthodes souffrent de certaines limitations relatives à la sélectivité, la sensibilité, le coût élevé ou le temps de réponse. En particulier le développement de méthodes robustes, ultrasensibles, transposables sur le terrain et permettant un suivi en temps réel demeure un enjeu. L'utilisation de senseurs fluorescents incorporés dans des microsystèmes constitue pour ce faire une piste intéressante en raison de la possibilité de combiner sensibilité, sélectivité, portabilité et rapidité. L'objectif de ce travail est de mettre en place une telle méthodologie à travers le développement de senseurs fluorescents sélectifs permettant une détection ultra-sensible et une quantification de traces de métaux lourds dans l'eau. L'approche proposée repose sur la combinaison de l'utilisation de fluoroionophore (pouvant être excité aussi bien à un photon dans le visible que par excitation à deux photons dans le proche IR) et d'un processus d'extraction-concentration dans une phase organique non-miscible à l'eau. Le processus de l'extraction liquide-liquide des sels métalliques dans l'eau par des liquides ioniques en présence d'un agent chélatant se caractérise par des coefficients de Nernst élevés. Il est toutefois limité par le retour possible du complexe ionique (agent de chélatant + ion) dans la phase aqueuse, ce qui diminue le rendement d'extraction. Ce problème a été contourné en immobilisant la fonction de chélation des sels d'onium (conduisant à des sels d'onium à tâche spécifique ou SOTS) qui sont ensuite dissouts dans des liquides ioniques (conduisant ainsi à des Liquides Ioniques à Tache Spécifiques Binaires ou LITSB). Le groupement chélatant utilisé est un fluoroionophore (jouant à la fois le rôle de complexant et de sondes fluorescentes des sels de métaux lourds) fixé par un lien covalent à un sel d'onium. Dans ce contexte, différents fluoroionophores originaux de type push-pull (absorbant dans le proche UV-visible et présentant des sections efficaces d'absorption à deux photons élevées dans le proche IR) et visant la détection sélective du plomb, cadmium et mercure ont été synthétisés et supportés sur sels d'onium. Leur propriétés de fluorescence, d'excitation à deux photons et leur capacité d'extraction/complexation ont été étudiées. Ces SOTS visent à être intégrés, après immobilisation dans une phase liquide ionique hydrophobe stationnaire, dans des dispositifs microfluidiques afin de permettre une quantification en temps réel de la présence de traces de métaux lourds dans les eaux.


  • Résumé

    The main threats to human health from heavy metals are associated with the exposure to lead, cadmium, mercury and arsenic. These heavy metals cause adverse environmental and health problems because of their tendency to bioaccumulate. Although many analytical methods offer precise quantitative measurements, they suffer from several drawbacks, including selectivity, sensitivity, response times and high cost. There is a real need to develop fast, cheap and real-time monitoring methods for heavy metals detection. The process of liquid-liquid extraction by ionic liquids in the presence of a chelating agent offer very high Nernst coefficients, but suffer from limitations like possible return of the ionic complex (chelating agent + ion) into the aqueous phase, thereby decreasing the extraction efficiency. The problem is solved by supporting the chelating functions on the ionic liquids in order to form Task Specific Ionic Liquids (TSILs). We decided to graft a special functional group, fluoroionophore onto the onium salt, so that fluorogenic and chelating properties can be integrated. Herein, we adopted this concept of binary task specific ionic liquids (BTSILs), where there is immobilization of TSOS (Task Specific Onium Salt) containing selective and sensitive fluoroionophores, in an ionic liquid stationary phase. This should ensure both efficient extraction of the heavy metal ions from the aqueous phase and sensitive detection. Such immobilization of the metal binding unit in a hydrophobic IL would also greatly decrease the risk of loss into the aqueous phase compared to the classical ligands. Thus, we report the synthesis and characterization of task specific onium salts bearing metal ion specific fluoroionophores. The final goal is to incorporate these TSOSs in a microfluidic system to perform extraction concentration and detection for continuous real time monitoring of heavy metal cations in water. Keywords: Heavy metals, Fluoroionophore, Task specific ionic liquids, Chelating agent.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (167 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Rennes I. Service commun de la documentation. Section sciences et philosophie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TA RENNES 2012/151
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