Développement et optimisation de capteurs de gaz à base de silicium : analyse des composés organiques volatils contenus dans l’air expiré par les patients atteints d’insuffisance cardiaque

par Selim Boudjaoui

Thèse de doctorat en Chimie

Soutenue le 06-07-2018

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Sciences Analytiques (laboratoire) .


  • Résumé

    Les travaux développés dans ce manuscrit de thèse entrent dans le cadre du projet européen intitulé « Hearten », « A co-operative mHealth environment targeting adherence and management of patients suffering from Heart Failure (HF) ». Les acteurs de ce projet cherchent à développer une plateforme réseau multi compétences dont le but est le diagnostic précoce et le suivi des patients atteints d'insuffisance cardiaque. Elle permet l'enregistrement de différents paramètres vitaux de ces patients, comme la pression artérielle, le poids, les biomolécules contenus dans les biofluides, et leur consultation immédiate par les différents acteurs en charge du suivi des patients. L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce manuscrit est de développer un capteur de gaz conductimétrique portable et miniaturisé, permettant la mesure en temps réel des VOCs caractéristiques du syndrome HF dans l'air expiré par les patients. La molécule d'acétone, connue dans la littérature pour être l'un des biomarqueurs les plus discriminants d'HF, a été particulièrement ciblée. Le capteur ainsi conçu est formé de paires de microélectrodes interdigitées (µIDEs) en or déposées sur substrat de silicium. La partie sensible du capteur consiste en une membrane polymérique électro-déposée à la surface du capteur qui est sensible à l'acétone. Les paramètres géométriques des µIDES ont été analysés et optimisés au cours de ces travaux afin d'améliorer la réponse et la sensibilité du capteur. Une plateforme d'analyse des gaz contenant l'ensemble de l'instrumentation associée à notre capteur a été développé. Les paramètres de l'instrumentation ont également été analysés et optimisés dans le même but. Nous avons ainsi étudié deux types de membranes polymériques sensibles à l'acétone. La première couche sensible développée est basée sur la co-polymérisation d'un polymère et de nanomatériaux dopants, le chitosan et les zéolites. La seconde couche sensible développée est quant à elle basée sur la co-polymérisation de polypyrrole et de métallophthalocyanines. Le capteur développé présente des performances optimales pour ce projet, dont notamment une limite de détection de l'ordre du ppm, ainsi que des temps de réponse et de recouvrement très courts. L'utilisation de ce capteur dans le cas de mesures cliniques est ainsi très prometteuse puisqu'il permet d'analyser plusieurs échantillons en temps réel, et ceux sur une durée de fonctionnement de plus d'une semaine. Le diagnostic rapide et la prise en charge du patient est donc facilité grâce à ce dispositif, dont les couts de fabrication sont très réduits

  • Titre traduit

    Development and optimization of gas sensors based on silicon substrate : analysis of volatile organic compounds contained in exhaled breath of patients with heart failure


  • Résumé

    The work presented in this manuscript is part of the European project « Hearten », « A co-operative mHealth environment targeting adherence and management of patients suffering from Heart Failure (HF) ». The actors of this project are seeking for developing a multi-competence network platform whose goal is the early diagnosis and follow-up of patients with heart failure. It allows the recording of various vital parameters of these patients, such as blood pressure, weight, biomolecules contained in biofluids, and their immediate consultation by the different actors in charge of patient follow-up.The objective of research presented in this manuscript is to develop a portable conductometric gas sensor, allowing the measurement of characteristic VOCs of HF syndrome in exhaled air by patients. Acetone molecule, known in the literature as one of the most discriminating biomarkers of HF, has been particularly targeted. The sensor thus designed is based on pairs of gold interdigitated microelectrode etched on a silicon substrate. The sensitive part of the sensor consists of a polymeric membrane sensitive to acetone and electro-deposited on the surface of the sensor. The geometrical parameters of the µIDES have been analyzed and optimized during these works to improve the response and sensitivity of the sensor. A gas analysis platform including all the instrumentation associated with our sensor has been developed. The instrumentation parameters have also been analyzed and optimized for the same purpose.We studied two types of polymeric membranes sensitive to acetone. The first sensitive layer developed was based on the co-polymerization of a polymer and doping nanomaterials, chitosan and zeolites. The second sensitive layer developed was based on the co-polymerization of polypyrrole and metallophthalocyanines. The developed sensor provides optimal performance for this project, including a detection limit in the order of ppm level, as well as very short response and recovery times. The sensor can therefore be considered in the case of clinical measurements.The use of this sensor in the case of clinical measurements is very promising because it allows to analyze several samples in real time, and those over a period of operation of more than one week. Rapid diagnosis and patient management is therefore facilitated by this device, whose manufacturing costs are very low


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