Molécules conjuguées pour l'élaboration de capteurs optiques pour l'analyse de l'eau

Conjugated molecules for the elaboration of optical sensors for water monitoring

• Auteur / Autrice : Christian Murga Cotrina
• Direction : Gaël Zucchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] / LPICM
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Leray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Zucchi, Rachel Méallet-Renault, Mourad Elhabiri, Damien Aureau, Grégory Danoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Méallet-Renault, Mourad Elhabiri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement -- Qualité

Bioconjugués

Photophysique

Mots clés libres

Synthèse

Photophysique

Molécules conjuguées

Capteurs optiques

Synthesis

Photophysics

Conjugated molecules

Optical sensors

Résumé

L'activité anthropique a eu la conséquence de modifier profondément les conditions environnementales sur Terre. L'une des principales causes de cet effet est le rejet inconsidéré de produits chimiques dans l'air, le sol et l'eau, qui perturbe les écosystèmes et pose également un problème de santé publique important. En particulier, la mesure de la qualité de l'eau du robinet reçue par le grand public est un problème qui doit être traité de manière efficace.Les métaux lourds et les pesticides sont deux familles de produits chimiques qui ont des effets toxiques sur l'homme. Si la plupart des métaux lourds sont essentiels à la vie en très petites quantités parce qu'ils régulent des processus enzymatiques dans le corps, ils deviennent extrêmement dangereux lorsque leur concentration dépasse certains seuils. De plus, ils forment dans l’eau des aqua-ions stables, ce qui favorise une biodisponibilité accrue et leur absorption par les plantes ou les animaux en est grandement facilitée. Par ailleurs, la dissémination non méthodique de pesiticides dans le sol et l'eau a favorisé leur présence, voire leur accumulation, à des concentrations représentant un danger pour la santé humaine. En particulier, l'herbicide glyphosate, répandu principalement en Amérique du Nord et en Europe, a été l’objet d’études particulières au cours de la dernière décennie.Outre ces familles de produits chimiques nocifs, il en existe d'autres dont la présence est généralement le signe d'un environnement sain. L'anion hypochlorite, par exemple, est utilisé comme désinfectant des canalisations, ce qui signifie que sa présence est considérée comme une garantie à l’absence de bactéries dans les systèmes d'eau domestique. Néanmoins, sa concentration doit être contrôlée car il peut produire des composés toxiques en réagissant avec la matière organique. La quantité d’oxygène dissout est un autre paramètre important à contrôler/surveiller car il témoigne de la capacité du milieu à soutenir correctement la vie aquatique.Il existe plusieurs techniques analytiques pour détecter et surveiller les espèces susmentionnées et elles sont principalement basées sur des mesures spectroscopiques telles que la GC-MS ou la HPLC. Ces techniques offrent une grande sensibilité, leurs limites de détection pouvant atteindre le niveau du ppb, mais elles nécessitent des instruments lourds et coûteux, ainsi que du personnel hautement qualifié pour les utiliser.Il est donc nécessaire de développer des techniques simples et rapides qui permettent d'atteindre les mêmes objectifs, et l'une des plus puissantes est la spectroscopie de luminescence. Cette technique présente plusieurs avantages par rapport aux techniques classiques : elle n'est pas invasive, elle ne consomme pas le fluorophore ou l'analyte si l'interaction est réversible, elle ne nécessite pas de références, elle permet des réponses rapides et un suivi in situ en temps réel, elle est facile à utiliser, elle est très sensible et, surtout, elle peut être sélectif en fonction des groupes chimiques présentes dans les molécules.L'objectif de ce travail est de concevoir et de synthétiser de nouvelles molécules conjuguées ayant des propriétés optiques adéquates à la reconnaissance sélective d’entités parmi celles énumérées ci-dessus. Ces molécules sont telles que, en interagissant avec un analyte cible, elles peuvent modifier leur fluorescence ou leur phosphorescence de manière à permettre l’identification et/ou la quantification de ces espèces.Dans le cadre de ce travail de thèse, 11 nouveaux composés dotés de capacités de détection ont été développés à partir des familles chimiques pyrène, benzazole, coumarine et porphyrine. Les études de luminecence ont montré qu'ils peuvent détecter efficacement les ions Al3+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, OCl-, le glyphosate et O2 dissous dans des environnements aqueux, ce qui en fait des candidats intéressants pour l'évaluation de la qualité de l'eau dans la vie réelle.

Anthropogenic activity has had the consequence of deeply modifying the environmental conditions on Earth. One of the main causes of this effect has been the indiscriminate release of chemicals into the air, soil and water that disturbs ecosystems and also poses a significant public health concern. In particular, measuring the quality of tap water that is received by individuals is a problem that needs to be tackled effectively and efficiently.A first family of chemicals that has toxic effects on humans are heavy metals. While most of them are essential to life in very small quantities because they regulate enzymatic processes in the body, they become extremely dangerous when their concentration exceeds certain thresholds. Moreover, they form stable aquo-ions which promotes an increased bioavailability and their intake by plants or animals is greatly facilitated.A second family of contaminants are pesticides. It is not possible to neglect the enormous societal and economic benefits of using these chemicals; however, it is their unmethodical release in soil and water that has promoted them to be found at concentrations that represent a danger to human health. In particular, the herbicide glyphosate, widely widespread in North America and Europe, has been subject to scrutiny in the last decade.Besides these families of harmful chemicals, there are compounds which presence is generally indicative of a healthy environment. The hypochlorite anion, for example, is used as a pipeline disinfectant, meaning that its presence is taken as a guarantee of bacterial absence in household water systems. Nonetheless, its concentration must be controlled as it can produce toxic compounds when reacting with organic matter. Finally, dissolved oxygen is another parameter of importance to be controlled as it is a testament of a healthy aquatic life.Evidently, several analytical techniques exist to detect and monitor the aforementioned species and they are mostly based on spectroscopic measurements like GC-MS or HPLC. These techniques provide great sensitivity as their detection limits can reach the ppb level, but they require heavy and expensive instrumentation, and highly skilled people to operate them.Hence, there is a need for developing simple and fast techniques that accomplish the same goals, and one of the most powerful ones is luminescence spectroscopy. this technique provides several advantages over the classic techniques such as being not invasive, it either does not consume the fluorophore or the analyte if the interaction is reversible, nor requires any references, it allows real-time in-situ mesuremets thanks to the portability of the devices, it can be sensitive enough, and, very importantly, luminesent molecules can be designed to specifically interact with the targeted species.The main goal of this project is thus to design and synthesize novel conjugated molecules with adequate optical properties. These molecules are such that, upon interacting with a target analyte, a change in their emission is observed in a way that identification and/or quantification of such species can be made.Within the scope of this thesis work, 11 new compounds with sensing capabilities have been developed using molecules belonging to the pyrene (compounds M1, M2 and M3), benzazole (compounds M4, M5 and M6), coumarin (compound M7) and porphyrin (compounds M8-Pd, M8-Pt, M9-Pd and M9-Pt) chemical families. Sensing studies with these compounds have shown that they can effectively detect Al3+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, OCl-, glyphosate and dissolved O2 in aqueous environments, making them interesting candidates for real-life water quality assessment.