Development of SERS nanosensor for detection of water pollution

par Inga Tijunelyte

Thèse de doctorat en Physique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Marc Lamy de la Chapelle.

Soutenue le 26-01-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Université Paris 13 (établissement de préparation) et de Chimie- Structures et Propriétés de Biomatériaux et d'Agents Thérapeutiques / CSPBAT (laboratoire) .

Le président du jury était Virginie Nazabal.

Le jury était composé de Emmanuel Rinnert, Timothée Toury, Nathalie Lidgi, Erwann Guénin.

Les rapporteurs étaient Bernard Humbert, Nordin Felidj.

  • Titre traduit

    Développement de nanocapteur SERS pour la détection de pollution aquatique


  • Résumé

    La pollution des eaux par des composés organiques constitue un problème mondial majeur. Parmi cescomposés, les molécules aromatiques de faibles masses molaires constituent une famille largementrependue dont la toxicité et la cancérogénicité est avérée et bien documentée. La Directive-CadreEuropéenne sur l’eau (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) établit des normes de qualitéenvironnementales ayant pour objectif d’améliorer la qualité des eaux. Dans ce contexte, ledéveloppement d’outils analytiques robustes, permettant de détecter et de quantifier précisément et insitula présence de polluants dans les eaux est d’une importante primordiale. L’objectif principal de cetteétude est l’élaboration de nanocapteurs sensibles, robustes et réutilisables, permettant l’analyse depolluants organiques dans les eaux grâce à la Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS).Tout d’abord, une attention particulière a été portée à la sélection des récepteurs et des différentesstratégies de fonctionnalisation permettant d’élaborer un nanocapteur SERS capable de pré-concentrerles polluants visés. L’utilisation d’antigènes et de fragments d’antigènes (F(ab)2) a montré des résultatsprometteurs pour l’élaboration de nanocapteurs très sélectifs. Une seconde approche basée surl’utilisation de cavitants ou molécules hôtes, telles que les cyclodextrines (CDs), a été développée. Lapré-concentration sélective des polluants grâce à leur taille a été démontrée par spectroscopie Raman etSERS. Enfin, grâce à la possibilité d’identification moléculaire en milieu complexe offerte par laspectroscopie SERS, une approche permettant une pré-concentration non spécifique des polluants a étédéveloppée. Pour ce faire, différents sels de diazoniums (DSs) ont été synthétisés et greffés à la surfacedes nanocapteurs afin de créer une couche hydrophobe permettant la pré-concentration et la détection decomposés apolaires. Les performances de ces nano-capteurs ont été démontrées pour la détection de plusieurs PAHs apolaires.


  • Résumé

    Environmental water pollution by organic compounds is in continues worldwide concern. Low molecular mass aromatic molecules consisting in benzene rings have received considerable attention due to a documented significant toxicity and carcinogenicity. Within the objectives of the European Water Framework Directives (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) aiming in water quality improvement, the development of analytical tools allowing in-situ accurate and sensitive detection is of primary importance and would be a meaningful innovation. With this regard, the main scope of this study was to design sensitive, reproducible, specific and reusable nanosensor for the detection of organic pollutants in environmental waters using Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).During this study the main attention was paid to the selection of suitable receptors and strategies for SERS nanosensor surface functionalisation in order to preconcentrate targeted pollutants. The application of antibodies and antigen binding fragments (F(ab)2) for surface decoration was found to be promising approach for highly selective nanosensor design. Another strategy exploited during this study was related with an application of cyclodextrins (CDs). Using Raman and SERS spectroscopies the size selective encapsulation of analytes was demonstrated. Finally, taking advantage of molecular identification in the complex environments offered by SERS technique, nanosensors providing non-specific molecular pre-concentration was considered. For this purpose several diazonium salts (DSs) were studied and applied to the surface functionalisation to create highly hydrophobic coating layer. The performance of such nanosensor was evaluated by detection of aromatic pollutants.


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