Conjugated polymers for the elaboration of optical and ohmic sensors for water monitoring

par Xinyang Wang

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Gaël Zucchi.

Le président du jury était Philippe Roger.

Le jury était composé de Gaël Zucchi, Robert Pansu, Laurent Bouteiller.

Les rapporteurs étaient Sabine Ludwigs, Roberto Lazzaroni.

  • Titre traduit

    Polymères conjugués pour l'élaboration de capteurs optiques et résistifs pour l'analyse de l'eau


  • Résumé

    Le but de mon projet est de développer des capteurs moins chers qui sont capables de détecter rapidement les présences des ions métalliques dans l'eau. Deux types de capteurs sont élaborés dans la cadre de ce projet: des capteurs optiques sont développés à partir de polymères conjugués (PCs) avec des ligands spécifiques car ils peuvent amplifier le signal de fluorescence et faciliter la migration des électrons, améliorant ainsi la sensibilité des capteurs1 ; et des capteurs ohmiques qui permettent des mesures in-situ.Concernant les capteurs optiques, deux séries de polymères conjugués avec trois ligands différents sont synthétisés pour étudier l’influence des groupes ligands ainsi les structures des squelettes des polymères sur leur capacité à reconnaître des ions métalliques (Figure 1). Les titrations photoluminescences de ces polymères avec dix ions métalliques (Al3+, Ca2+, Cd2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Hg2+, Mg2+, Ni2+, et Zn2+) ont montré que le polymère nommé P1 est sensible à Cu2+ et Ni2+, et le polymère P6 émet une couleur orange en présence des ions Cd2+ et Zn2+ sous lumière UV (Figure 2). Ces faits permettent d’utiliser les polymères comme capteurs optiques pour ces ions à partir des quantités en ppb (µg/L). Nous avons aussi montré la possibilité d’utiliser ces polymères sous forme solide ce qui permet de recycler ces capteurs en films (Figure 3).Les capteurs ohmiques sont développés en combinant des PCs avec des nanotubes de carbone (NTC) comme éléments de détection2. Une telle combinaison devrait apporter à la fois une sélectivité par une fonctionnalisation chimique adéquate des PC3, et une sensibilité grâce aux propriétés électriques des NTC. En effet, dans les nanohybrides PC/NTC, les squelettes conjugués des polymères sont physisorbés sur les parois du NTC par des interactions d'empilement (Figure 4 - a). La modification électronique induite par l'interaction entre les PC et les analytes devrait être transférée aux NTC, qui agissent comme des transducteurs dans les capteurs, en modifiant leur conductivité. Les polymères synthétisés précédemment sont fonctionnalisés sur les parois de NTC afin de formuler des nanohybrides PCs/NTC pour l’élaboration des capteurs ohmiques. Les nanohybrides PCs/NTC sont caractérisés par des méthodes expérimentales (microscopie électronique en transmission, Raman, etc.) et numérique (simulation, Figure 4 - b) pour confirmer l’interaction entre PCs et NTC. Les nanohybrides sont ensuite déposés sous forme de films sur des puces avec les électrodes (Figure 4 - c) qui servent d’éléments résistif dans les dispositifs. La réponse des dispositifs aux concentrations métalliques est mesurée et étudiée.


  • Résumé

    Different pollutants can be found in water, inorganic material (chloride, chlorine, heavy metal ions…) and organic material (trace of medicament…). Among them, heavy metal ions are of among the most toxic for human and the environment. 
Analysis of water contaminants that are toxic for human being and aquatic life is of primary importance. Especially, the measurements of the quality of drinking water delivered in private dwelling is a significant public health concern. A family of undesired contaminants is heavy metals. An elevated concentration of metal ions in water is mostly due to an intensive human activity (industry, farming, and housing). In small quantities, certain heavy metals (e.g., iron, copper, manganese, and zinc) are nutritionally essential for a healthy life. However, heavy metals show a great trend to form complexes, especially with ligands of biological matter containing nitrogen, sulfur, and oxygen. As a result, changes in the molecular structure of proteins, breaking of hydrogen bonds, or inhibition of enzymes can occur[1]. These interactions, among others, may explain the toxicological and carcinogenic effects of heavy metals. These ions can cause damages to many organs and are responsible of diseases, including Parkinson’s and Alzheimer’s diseases[2-6]{Liu, 2015 #101;Liu, 2015 #101;Kim, 2012 #102;Kim, 2012 #102;Liu, 2015 #101;Kim, 2012 #102;Liu, 2015 #101;Kim, 2012 #102;Liu, 2015 #101}. Respiratory and cardiac problems can be caused by nickel ingestion[7], and accumulation of the Ni2+ ion in the body leads to oxidative stress[8]; Ni2+ and Cu2+ are also noxious to teeth and bones. These negative effects result from the formation of coordination complexes between the metal ions and biological matter.Heavy metals are not biodegradable and therefore they remain in ecological systems and in the food chain indefinitely, exposing top-level predators to very high levels of pollution.Different methods are used to determine their quantity concentration in aqueous phase such as anodic stripping voltammetry (ASV) [4, 6], solid phase extraction combined with inductively coupled plasma optical emission spectrometry ICP-OES[4, 6] and cold-vapor atomic absorption spectroscopy (AAS) method[9]. These methods are well established, but are costly, time consuming, lack portability, and rely on trained personnel because of their complexity[10].Therefore, cheap, portable and real-time response real-time sensors for the determination of heavy metals in aqueous solutions are needed, particularly in sensitive environments, such as drinking water and industrial wastewater effluents. Here we design and elaborate The aim of the project is to develop these kinds of sensors to satisfy the current need. Two kinds of sensors have been elaborated in the project: the first one is optical sensors based on functionalized conjugated polymers (CPs). The second one is a communicating resistive sensors based on conjugated polymers (CPs)/carbon nanotubes (CNTs) nanohybride for the quick detection of pollutants in aqueous water. To our knowledge, no this kind of resistive of sensors has been developed yet. The start of the project focuses onWe start the project for the detection of metal ions, however, it can later be extended to other kinds of pollutants (such as nitrate, chloride, even drugs) using different polymers with the same working mechanism.


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