Micro-opto-fluidique pour l'analyse rapide des contaminants micro-plastiques de l'eau

Micro-opto-fluidics for fast analysis of micro-plastics contaminants of water

• Auteur / Autrice : Ahmed Amr Eweis Elsayed
• Direction : Tarik Bourouina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Bruno Tassin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tarik Bourouina, Cédric Ayela, Abdel Elabed, Aiqun Liu, Johnny Gasperi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Ayela, Abdel Elabed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Microplastiques

Eau -- Analyse

Spectroscopie

Mots clés libres

Spectroscopie optique

Analyse de l'eau

Microplastiques

Particules Matières

Optical Spectroscopy

Water Analysis

Microplastics

Particulate Matter

Résumé

La présence de particules microplastiques dans l'eau a été identifiée récemment comme une menace potentielle sur l'environnement, sur la santé humaine et celle des écosystèmes marins. Les techniques actuellement utilisées pour identifier et compter ces microplastiques sont chronophages; elles s'appuient sur le filtrage des échantillons sur des filtres de grande surface, puis sur leur inspection visuelle et l'analyse spectroscopique à l'aide de microscopes FTIR/Raman. Dans cette thèse, notre objectif est d'accélérer ce processus grâce à une approche basée sur une plateforme Micro-Opto-Fluidique que nous proposons. Des puces microfluidiques sont utilisées pour piéger les microplastiques dans de petits réservoirs dédiés, facilitant l’observation et l'analyse in situ et les rendant plus efficaces en termes de temps, de coût et de main-d'œuvre. Différentes conceptions de puces sont proposées, simulées, fabriquées et testées avec des particules de plastique modèles. Des techniques spectroscopiques, notamment la spectrométrie/microscopie Raman et la microscopie FTIR, sont utilisées pour prouver avec succès le concept. En outre, une étude détaillée sur l'utilisation de spectromètres Raman compacts pour l'analyse de microplastiques est présentée, afin d'évaluer la limite inférieure de détection d'une seule particule microplastique. La plate-forme micro-optofluidique proposée est également utilisée pour obtenir des résultats préliminaires sur de vrais échantillons d'eau en bouteille, étude entreprise sur deux marques d'eau minérales populaires en France. Enfin, la cytométrie en flux est une technique importée de la biologie et utilisée ici comme une autre technique de référence, car elle peut fournir des statistiques précises sur les propriétés physiques des microparticules dans un échantillon d'eau, même si elle ne peut pas déterminer leur nature chimique en vue de leur identification

The presence of microplastic particles in water has recently been identified as a potential threat to the environment, the human health and that of marine ecosystems. Techniques currently used to identify and count these microplastic particles are time-consuming; where they rely on filtering samples on large-area filters, then doing visual inspection and spectroscopic analysis using FTIR/Raman microscopes. In this work, our aim is to speed-up this process thanks to an enhanced approach that is named Micro-Optofluidic Platform. Microfluidic chips are used to trap microplastics in dedicated small reservoirs, facilitating the in-situ analysis and making it more time-, cost- and labor-efficient. Different chip designs are proposed, simulated, fabricated and tested with model plastic particles. Spectroscopic techniques including Raman spectrometry/microscopy and FTIR microscopy are used to successfully prove the proposed concept. Also, a detailed study on using compact Raman spectrometers for the analysis of microplastics is presented, this study aims to assess the lower-limit of detection of a single microplastic particle. This study includes measurements of particles of different sizes supported with ray-optics simulations. The proposed Micro-Optofluidic platform is also used to obtain preliminary results for real bottled-water samples, conducted on two popular water brands in France. Last, flow cytometry is a technique imported from biology and used here as another reference technique, as it can provide accurate statistics about the physical properties of microparticles in a water sample, even though it cannot determine their chemical nature for the purpose of their identification