Analyse Optofluidique Des Particules Matières Contaminants De L'eau

par Ahmed Elsayed

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes (laboratoire) depuis le 07-01-2019 .


  • Résumé

    L'eau est non seulement vitale pour toutes les formes de vie, mais elle est aussi une ressource précieuse incontournable dans de nombreux processus industriels. La pollution de l'environnement est un facteur déterminant de la santé publique, qui a conduit l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) à définir la qualité de l'eau en tête de sa liste d'actions prioritaires [1]. Le nombre toujours croissant de polluants endogènes de natures différentes (biologiques, agricoles, pharmaceutiques et cosmétiques) nécessite une surveillance active. Cependant, ce signal d'avertissement contraste beaucoup avec le manque d'instrumentation à faible coût nécessaire pour dépister et quantifier les nombreux polluants de l'eau. Parmi les différents types de polluants, la contamination chimique est assez bien traitée par des capteurs dédiés ou des outils de chimie analytique. Les contaminants biologiques bénéficient également d'outils émergents capables d'identifier des bactéries, par exemple. Dans le cas de l'eau potable, la question de la contamination biologique est également abordée en ajoutant du chlore dans l'eau. Toutefois, lorsqu'on considère les contaminants particulaires, ils sont évalués principalement par des mesures de turbidité, ce qui donne un indicateur global de la matière particulaire. Cette thèse vise à aborder le sujet des contaminants particulaire de l'eau de forms diverses. À cette fin, nous développerons une plate-forme technologique basée sur les technologies optofluidiques, qui incluent les cavités optofluidiques et l'optofluidique numérique. Cela permettra de mettre en œuvre des outils analytiques sur puce, tels que le piégeage des particules [2] et la manipulation pour une analyse plus poussée par spectroscopie optique et réfractométrie [3]. Nous cherchons à étudier les contaminants particulaires au moyen d'une analyse détaillée, qui inclut la taille des particules à l'échelle nanométrique, la nature chimique de ces particules et éventuellement si elles peuvent avoir des propriétés pathogènes ou non. L'accès à une telle variété de paramètres nous donnera une autre occasion de comprendre les mécanismes corrélés ainsi que l'évaluation de l'efficacité des technologies de purification de l'eau, notamment le dessalement de l'eau [4] et la photocatalyse de l'eau [5]. Les aspects fondamentaux de l'optofluidique seront également abordés, notamment la zone fascinante de l'optofluidique désordonnée due au fort couplage optofluidique dans les milieux turbides. [1] World Health Organization (WHO). Sixty-fourth world health assembly: Daily notes on proceedings, 2011. http://www.who.int/mediacentre/events/2011/wha64/journal/en/index5.html. [2] N. Gaber Ali Aboulela, M. Malak Karam, F. Marty, D. Angelescu, E. Richalot, T. Bourouina,Optical trapping and binding of particles in an optofluidic stable Fabry-Pérot resonator with single-sided injection, Lab on a Chip, Royal Society of Chemistry, N°13, Vol.14, pp. 2259-2265, 2014. [3] P.Y. Liu, L.K. Chin, W. Ser, T.C. Ayi, T. Bourouina, Y. Leprince, An optofluidic imaging system to measure the biophysical signature of single waterborne bacteria, Lab on a Chip, Royal Society of Chemistry, N°21, Vol.14pp. 4237-4243, 2014. [4] G. Ni, G. Li, S.V. Boriskina, H.X Li, W.L. Yang, TJ. Zhang & G. Chen, “Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration”, Nature Energy, Nature Publishing Group, 1, 2016, doi: 10.1038/NENERGY.2016.126 [5] I. Azzouz, Y.G. Habba, M. Capochichi-Gnambodoe, F. Marty, J. Vial, Y. Leprince-Wang, T. Bourouina, “Zinc oxide nano-enabled microfluidic reactor for water purification and its applicability to Volatile Organic Compounds”, Microsystems & Nanoengineering, Nature Publishing Group, (2018)

  • Titre traduit

    Optofluidic Analysis of Particulate Matter Water Contaminants


  • Résumé

    Water is not only vital to all forms of life, as it is also an unavoidable precious resource in a wide range of industrial processes Environmental pollution is a well-established major determining factor for public health, which led The World Health Organization (WHO) to set the water quality at the top of its priority action list [1]. The ever-increasing number of endogenic pollutants of different natures (biological, agricultural, pharmaceutical, and cosmetic) requires active monitoring. However, this warning signal is contrasting a lot with the lack in low-cost instrumentation that are required for screening and quantifying the numerous water pollutants. Among the different kinds of pollutants, chemical contamination is quite well addressed by dedicated sensors or analytical chemistry tools. Biological contaminants also benefits from emerging tools that are able to identify bacteria for instance. In drinking water the issue of biological contamination is also addressed through adding chlorine in water. However, when considering, particulate matter contaminants are assessed mainly through turbidity measurements, which gives an overall indicator of particulate matter. This thesis aims to address the topic of particulate water contaminants in various forms. To this end, we will develop a technological platform based on optofluidic technologies, which include optofluidic cavities and digital optofluidics. This will allow implementing analytical tools on chip, such as particle trapping [2] and manipulation for further analysis by optical spectroscopy and refractometry [3]. We aim studying the particulate contaminants through a detailed analysis, which include the particle size down to the nanoscale, the chemical nature of those particles, and eventually whether they may have pathogenic properties or not. Having access to such variety of parameters will give us another opportunity for understanding correlated mechanisms as well as assessment of the efficiency of water purification technologies, which include water desalination [4] and water photocatalysis [5]. Fundamental aspects of optofluidics will be addressed as well, which include the fascinating area of disordered optofluidics due to the strong optofluidic coupling in turbid media. [1] World Health Organization (WHO). Sixty-fourth world health assembly: Daily notes on proceedings, 2011. http://www.who.int/mediacentre/events/2011/wha64/journal/en/index5.html. [2] N. Gaber Ali Aboulela, M. Malak Karam, F. Marty, D. Angelescu, E. Richalot, T. Bourouina,Optical trapping and binding of particles in an optofluidic stable Fabry-Pérot resonator with single-sided injection, Lab on a Chip, Royal Society of Chemistry, N°13, Vol.14, pp. 2259-2265, 2014. [3] P.Y. Liu, L.K. Chin, W. Ser, T.C. Ayi, T. Bourouina, Y. Leprince, An optofluidic imaging system to measure the biophysical signature of single waterborne bacteria, Lab on a Chip, Royal Society of Chemistry, N°21, Vol.14pp. 4237-4243, 2014. [4] G. Ni, G. Li, S.V. Boriskina, H.X Li, W.L. Yang, TJ. Zhang & G. Chen, “Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration”, Nature Energy, Nature Publishing Group, 1, 2016, doi: 10.1038/NENERGY.2016.126 [5] I. Azzouz, Y.G. Habba, M. Capochichi-Gnambodoe, F. Marty, J. Vial, Y. Leprince-Wang, T. Bourouina, “Zinc oxide nano-enabled microfluidic reactor for water purification and its applicability to Volatile Organic Compounds”, Microsystems & Nanoengineering, Nature Publishing Group, (2018)