Microsystèmes pour la détection optique de gaz toxiques : de la fabrication aux exemples de détection

Lab-on-chip optical detection of toxic gas : from manufacturing to detection examples

• Auteur / Autrice : Estéban Guittet
• Direction : Martine Mayne-L'Hermite, Laurent Mugherli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 19/05/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Gros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Belleville, Stéphane Le Calvé, Sophie de Monredon-Senani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Belleville, Stéphane Le Calvé
• DOI : 10.70675/8e507c47z9894z48d7zab4bza59d4f6c43ad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Microtechniques

Matériaux

Capteurs optiques

Mots clés libres

Capteur chimique

Microsystème

Matériaux

Détection optique

Chemical sensor

Lab-on-chip

Materials

Optical detection

Résumé

Au quotidien, les toxiques sous forme de gaz sont de plus en plus présents. En effet, ces gaz peuvent par exemple apparaître par des phénomènes de combustions avec les moteurs thermiques, par l’évaporation de composés volatils depuis des matériaux de construction ou lors de procédés de fermentation. Ils peuvent être présents en quantités importantes préférentiellement dans les lieux clos et les zones de production ou d’utilisation tels que les industries chimiques, les zones agricoles ou encore les lieux domestiques. Au-delà d’un certain seuil, ils peuvent présenter un danger pour les personnes exposées et pour l’environnement. En parallèle de ces composés toxiques, des armes chimiques peuvent être présentes dans des environnements, notamment dans les zones de combat ou lors d’actes terroristes. Il est alors nécessaire de qualifier et de quantifier les toxiques présents dans l’air à l’aide de capteurs. Ce projet de thèse s’inscrit ainsi dans le domaine des capteurs chimiques colorimétriques. Les objectifs de cette thèse ont été d’améliorer la fabrication d’un microsystème de détection colorimétrique, d’évaluer son intérêt pour la détection de toxiques en phase gazeuse, et de mieux comprendre les phénomènes qui se produisent dans ces microsystèmes. Le cœur du travail a été le développement de matériaux poreux miniaturisés dopés avec des molécules capables d’induire un changement de couleur par interaction avec le composé cible. Pour produire ces matériaux, un procédé sol-gel a été utilisé en intégrant des sondes chromogènes dans leur structure, et grâce à une technologie microfluidique, il a été possible de produire une centaine de billes colorimétriques par cm² pour former un microsystème. Nos travaux ont effectivement permis d’améliorer la robustesse du procédé en modifiant certains paramètres. Des expositions ont été effectuées pour démontrer la capacité à détecter des toxiques gazeux. Les microsystèmes ont été exposés aux gaz toxiques par différents moyens et les changements de couleur obtenus analysés. Enfin, grâce à l’étude de certaines étapes clés se produisant dans le microsystème, nous avons amélioré notre compréhension concernant le procédé de fabrication et les réactions en milieux confinés.

In everyday life, toxic gases are increasingly present. Indeed, these gases can be generated for instance by combustion processes in internal combustion engines, by the evaporation of volatile compounds from building materials, or by fermentation processes. They can be present in significant quantities, particularly in enclosed spaces and production, or use areas such as chemical industries, agricultural areas, or domestic premises. Above a certain threshold, they become hazardous for exposed people and for the environment. Alongside these toxic compounds, chemical warfare agents can be present in various environments such as battlefields or during terrorist attacks. It is then necessary to qualify and quantify these different toxic substances in the air by using adequate chemical sensors. This thesis project is in the field of colorimetric chemical sensors. The aims were to improve the manufacturing of a colorimetric sensor-based microsystem, to evaluate its suitability for the detection of toxic gases, and to gain a better understanding of the phenomena that occur in these microsystems. The main goal was the development of miniaturized porous doped materials with molecules able to induce changing color by interacting with the target compound. To produce these materials, a sol-gel process was used with the integration of chromogenic probes into the structure. Using microfluidic technology, it was possible to produce a hundred colorimetric beads per square centimeter to form a microsystem. Our work has improved the robustness of the process by modifying some parameters. Exposures were carried out to demonstrate the ability to detect toxic gases. The microsystems were exposed to the hazardous gases by various means, and the obtained color changes were analyzed. Finally, by studying some of the key steps occurring in the microsystem, we have improved our understanding of the manufacturing process and the reactions in confined environments.