Etude des propriétés diélectriques à haute fréquence d'un polymère végétal : le gluten de blé, et utilisation comme biocapteur de marqueurs environnementaux de la qualité des aliments dans des systèmes RFID passifs

par Fabien Bibi

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Nathalie Gontard.


  • Résumé

    L’identification par radio fréquence (RFID) connectée à des capteurs est une technologie grandissante pour les emballages intelligents. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude des propriétés électriques (impédance et capacité) et diélectriques (permittivité diélectrique et pertes) des protéines notamment le gluten de blé, en fonction des molécules environnementales connues comme des marqueurs de dégradation des denrées alimentaires. Les effets de ces molécules (eau, dioxyde de carbone et éthanol) sur les propriétés électriques et diélectriques du gluten de blé ont été analysés. Dans le but d’effectuer des mesures dans des conditions optimales, plusieurs étapes ont été mises en place:Le développement d’une méthode, permettant une haute exposition du gluten de blé à l’atmosphère environnant, afin d’acquérir des mesures électriques et diélectriques du gluten de blé dans des conditions contrôlées de température, vapeurs et de gaz ;L’analyse des effets des vapeurs et gaz sur les propriétés diélectriques du gluten de blé, ainsi que la détermination de différents paramètres tels que la sensibilité et l’hystérésis, propres aux capteurs ;L’enduction du gluten de blé sur une étiquette RFID, testée en fonction de l’humidité et dans des conditions réelles d’utilisation. Les effets sur la distance de lecture de l’étiquette RFID ont été analysés.Les résultats obtenus sont prometteurs au vu des modifications de la permittivité diélectrique et des pertes, indiquant une modification structurelle de la protéine, qui aurait un impact sur la réponse RFID. La permittivité diélectrique a été augmenté de 5.01±0.06 à 9.22±0.06, de 7.81±0.07 à 12.02±0.03 et de 6.66±0.01 à 11.77±0.01, pour une croissance de 20% à 95% de l’humidité relative, de 0% à 40% de dioxyde de carbone et de 0% à 0.1% d’éthanol respectivement, aboutissant à une sensibilité de 26.70±0.13fF/%RH,31.38±0.06fF/%CO2 et 25.50±0.05pF/%éthanol pour les 3 vapeurs et gaz. Les propriétés diélectriques du gluten et sa sensibilité aux vapeurs et aux gaz offrent de nouvelles perspectives sur la conception de capteurs à bas coûts et écologiques, connectés à des étiquettes RFID passives pour les emballages intelligents et pour le contrôle de la chaîne alimentaire.

  • Titre traduit

    Study of dielectric properties at high frequency of plant polymer : the case study of wheat gluten proteins to be used as sensing materials of environmental markers of food quality in passive RFID systems


  • Résumé

    Radio frequency identification (RFID) interfaced to sensors is a growing technology for intelligent packaging. The present thesis work is based on the study of the electrical (impedance and capacitance) and dielectric properties (dielectric permittivity and loss) of proteins principally wheat gluten, as a function of environmental molecules known as markers of food degradation. The impacts of those molecules (water, carbon dioxide and ethanol), usually found in food packages, on the electrical and dielectric properties of wheat glutenhave been investigated. In order to perform measurements in the optimum conditions, several steps have been set up:The development of a methodology, allowing a high exposure of wheat gluten to the surrounding atmosphere, offering the possibility to perform electrical measurements and identify dielectric properties of wheat gluten in controlled conditions of vapors and gases ;Analyzing the impact of vapors and gases on the dielectric properties of wheat gluten, and the determination of several parameters such as sensitivity and hysteresis, specific to sensors ;The coating of wheat gluten on a RFID tag, tested as a function relative humidity and in real conditions of use. The subsequent impacts on the reading range of the RFID tag have been analyzed.The results obtained are promising according to modifications of the dielectricpermittivity and loss, indicating a structural modification of the protein, sought to have an impact on the RFID response. The dielectric permittivity was increased from 5.01±0.06 to 9.22±0.06, from 7.81±0.07 to 12.02±0.03 and from 6.66±0.01 to 11.77±0.01, for an increase in relative humidity from 20% to 95%, in carbon dioxide from 0% to 40% and in ethanol from 0% to 0.1%, respectively, resulting in a sensitivity of 26.70±0.13fF/%RH, 31.38±0.06fF/%CO2 and 25.50±0.05pF/%ethanol for the 3 vapors and gases. The dielectric properties of wheat gluten and its sensitivity to vapors and gases offer new insights on theconception of low cost, eco-friendly sensors sought to be interfaced to passive RFID tags for intelligent packaging for food and supply chain monitoring.

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