Mise en oeuvre de biocapteurs en vue de la détection de pesticides dans l'eau par diffusion Raman exaltée

Implementation of biosensors for the detection of pesticides and pollutants in water by exalted Raman scattering

• Auteur / Autrice : Amal El Alami
• Direction : Philippe Daniel, Fabienne Lagarde, Mimouna Baitoul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/04/2017
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec Université Sidi Mohamed ben Abdellah (Fès, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acétylcholinestérase

Nanoparticules d'or

Raman, Effet augmenté en surface

Eau -- Pollution par les pesticides

Biocapteurs

Mots clés libres

Nanoparticules d'or

Diffusion Raman Exaltée de Surface

Biocapteur

Acétylcholinestérase

Diffusion Dynamique de la Lumière

Pesticides

Organophosphorés

Carbamates

Gold nanoparticles

Surface Enhanced Raman Scattering

Biosensor

Acetylcholinesterase

Dynamic Light Scattering

Organophosphorus

Résumé

La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) est utilisée pour la mise au point d’un biocapteur capable de détecter des pesticides dans l’eau, en se basant sur le suivi de l’activité enzymatique de l’Acétylcholinestérase (ACHE). Les nanoparticules d’or sont utilisées comme substrats SERS actifs. Le signal Raman exalté de l’analyte est optimisé en testant plusieurs types de nanoparticules.Le Raman SERS a permis la détection directe du Paraoxon (PO) et du carbaryl (CA) et la possibilité de suivi de l’activité de l’ACHE. En absence d'inhibiteurs, la molécule d’acétylcholine (ATC) est transformée en acide acétique et en choline par l’enzyme ACHE. La mesure de l’activité de l’ACHE repose sur le suivi des concentrations en ATC car sa transformation est inhibée en présence de pesticides. Il a été ainsi possible d’établir une relation linéaire entre la concentration de pesticides et l’exaltation du signal Raman de l’ATC non transformé. La méthode a permis la détection du PO et du CA, avec une limite de détection beaucoup plus faible que la détection directe. Ce biocapteur basé sur l’activité de l’ACHE a ensuite été utilisé pour l'évaluation d’autres polluants (inhibiteurs d’ACHE) comme les additifs contenus dans les plastiques notamment. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mesurer l’activité de l’ACHE en utilisant la diffusion dynamique de la lumière. En effet, nous avons montré que les paramètres physicochimiques (agrégation) des AuNPs en contact avec certaines molécules, sont fortement influencés par l’activité enzymatique de l’ACHE. C’est ce phénomène d’instabilité qui nous a permis de distinguer entre les deux cas : absence et présence de PO.

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) was used to develop a biosensor for the detection of pesticides through the monitoring of the enzymatic activity of acetylcholinesterase (ACHE). Gold nanoparticles (AuNPs) were used as an active SERS substrate. The enhanced Raman signal of the analyte is optimized by testing several types of nanoparticles. Raman SERS allowed the direct detection of Paraoxon (PO) and carbaryl (CA) pesticides and the possibility of follow-up of the activity of the ACHE. In the absence of inhibitors, the acetylcholine (ATC) is transformed into acetic acid and choline by the enzyme ACHE. The measurement of ACHE activity is performed through the monitoring of ATC concentrations because its transformation is inhibited in the presence of pesticides. Results showed a linear correlation between the concentration of pesticides and the SERS signal of the untransformed ATC. The method was optimized for the quantification of paraoxon and carbaryl with a limit of quantification much lower than the one obtained with a direct detection. Their identification was also possible using chemometrics. This biosensors, based on the ACHE activities, was applied to the evaluation of emergent pollutants: additives of commercial polymers. Our results suggested that most of the tested polymers contained molecules that act as inhibitors of the ACHE. Finally, we propose another very simple approach to measure the ACHE activity using dynamic light scattering measurements. We found that the physicochemical parameters (aggregation) of AuNPs were strongly influenced by the enzymatic activity of ACHE when in contact with specified molecules, allowing to detect the presence of PO.