Détection du Zinc et de l’urée dans les milieux réels

Capteur électrochimique à électrode de carbone

       L’intérêt porté aux capteurs électrochimiques ne cesse de croître, stimulé par leurs nombreuses applications, surtout dans le domaine de la protection de l’environnement et la détection des polluants. Grâce à leur rapidité, leur simplicité, leurs petites dimensions et leur faible coût par rapport aux techniques « lourdes » d’analyse de l’eau. L’électrode de carbone vitreux a pris un rôle très important pour le développement des capteurs électrochimiques sélectifs et sensibles appliqués à la protection de l’environnement et la détection des polluants, à cause de leur résistance élevée à la flexion, leur faible densité, leur résistance à la corrosion aux agents chimiques exceptionnellement élevée, et leur bonne résistance aux chocs thermiques. Dans cette partie d’étude, une recherche bibliographique approfondie sur les capteurs électrochimiques à base d’électrode de carbone vitreux modifiées pour la détection des ions duZinc. L’électro-greffage du sel de diazonium sur la surface d’électrode de carbone vitreux et la fonctionnalisation de sa surface par l’ETDA pour la détection des ions métalliques ont été étudiés et discutés.

Réduction électrochimique d’un sel de diazonium

        Une méthode employée très souvent pour fonctionnaliser la surface des électrodes de carbone est de réduire les sels de diazonium de façon électrochimique. Elle permet de former une liaisoncovalente entre la couche fonctionnelle et l’électrode de travail. Ces systèmes possèdent une haute stabilité et une grande variété de groupements fonctionnels. Cette méthode a été découverte audébut des années 90 par Delamar et al. [5] et appliquée aux substrats tels que le carbone, les métaux, les semi-conducteurs en milieu aqueux acide mais peut également être réalisée en milieuaprotique [5, 6] tel que l’acétonitrile. Le mécanisme de cet électro-greffage a été éclairci par Andrieux et Pinson [7], ce mécanisme met en jeu un transfert d’électron vers le sel de diazonium ce qui entraine le clivage de l’azote lors de la réduction conduisant a la formation d’un radical aryle, puis la formation d’une liaison covalente carbone-carbone ou carbone-métal. Une couche organique homogène et robuste liée à la surface d’électrode de façon covalente se forme lorsque la réductiondu diazonium se prolonge. Les électrons circulent dans le matériau d’électrode et sont capables de réduire les ions diazoniums présents à proximité de l’électrode.

Application de la spectroscopie d’impédance électrochimique

        La spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) est la catégorie de la spectroscopie d’impédance qui a été largement utilisée dans de nombreux domaines de l’électrochimique, par exemple, pour étudier la cinétique des réactions aux électrodes, la double couche, les batteries, la corrosion, l’électrochimie à l’état solide. La SIE s’est montrée comme une technique intéressante pour la caractérisation, l’analyse et l’étude des piles à combustible [33], l’électrodéposition [34], les batteries [35, 36], et les phénomènes de corrosion [37]. Elle a été largement utilisée comme un outil pour étudier la cinétique d’électrode, les polymères conducteurs, les semi-conducteurs, les tissus d’origine animale et végétale, et le matériel en général [38]. Grâce à sa grande sensibilité pour sonder les propriétés interraciales d’une surface d’électrode et sa capacité pour la caractérisation des interfaces électrode/électrolyte, la SIE a été largement appliquée aux biocapteurs aux cours des dernières années [39- 44]. En plus, de surveiller l’effet du processus de reconnaissance, la spectroscopie d’impédance électrochimique est une méthode utile pour rechercher l’état de la surface de l’électrode après modification [45-47]. Il s’agit d’un pas important dans le développement de différents types de capteurs électrochimiques basés sur des couches polymériques sur des surfaces de matériauxconducteurs [48-54].

Microélectrodes interdigitées en Or

        Le transducteur utilisé est constitué de deux paires d’électrodes en Or interdigitées fabriquées à l’Institut de Physique des Semi-conducteurs Lashkaryov (IPSL, Kiev, Ukraine), la première constituant l’électrode de référence et la seconde l’électrode de travail, la surface sensible de chaque électrode est d’environ 1 mm2 (épaisseur de la couche d’Or : 150 nm). « Figure IV-1 ». Ces électrodes ont été fabriquées par dépôt sur un substrat en céramique (5×30 mm). Une couche intermédiaire de chrome (0,1 nm d’épaisseur) a été employée pour une meilleure adhérence de l’Or. Chaque doigt de l’électrode est de 20 μm de large et 1mm de long, avec un espacement de 20 μm également entre les doigts. La partie sensible de chacune des deux électrodes est d’environ1×1,5 mm [5].

Activation des nanotubes de carbone

       Les Nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs) ont été fonctionnalisés par oxydationdans des milieux acides, les traitements  adoptés par la plus grande partie des chercheurs sont le plus couramment à base de HNO3 en mélange concentré avec H2SO4 selon un rapport volumétrique HNO3/H2SO4(1:3) sous agitation à une température de 90°C pendant 10 minutes [6, 7]. La fonctionnalisation covalente permet de greffer des molécules aux parois externes et aux extrémités des NTCs via la création de liaisons fortes (covalentes). La formation de ces liaisons a pour conséquence une modification de la structure des NTC et donc de leurs propriétés intrinsèques [8]. Une autre conséquence liée à ces traitements est le greffage de groupements fonctionnels oxygénés sur les parois des NTCs (modification de la structure): il s’agit principalement de groupements carboxyliques [9-11], hydroxyles [12] ou même sulfoniques (SO3H) sur des Nanotube de carbone mono-paroi (SWNTs) oxydés par un mélange HNO3/H2SO4 [13]. Etant donné que ces groupements fonctionnels sont localisés à la fois sur les extrémités des NTCs (au niveau des structures pentagonales), au niveau des défauts des parois mais également sur les Fragments carbonés carboxylés (CCFs) [10-15], il est important de prendre en compte cette information lorsque le traitement oxydant n’est qu’une étape préliminaire à la fonctionnalisation des NTCs. En effet, le nombre de groupements fonctionnels –COOH uniquement greffés sur les parois des NTCs doit être bien inférieur à ce qui peut être attendu [8]. Ensuite, les composés MWCNT fonctionnalisés sont filtrés et rincés à l’eau ultra pure et séchés dans un four à une température de 80 ° C. Après, les MWCNT ont été immergés pendant 90 mindans une solution de PBS (pH 7,4) contenant 0,4 M EDC et 0,1 M NHS, pour attacher par une liaison covalente les groupes COOH activés [16]. Enfin, la décoration des NTCs par des nanoparticules sera abordée.

Principe des mesures conductimètriques

       Les mesures conductimètriques sont basées sur une mesure différentielle entre l’électrode de travail et l’électrode de référence. Grâce à un générateur, un signal d’excitation sinusoïdal de faible amplitude (10 mV) et de fréquence 100 kHz est alors appliqué aux deux électrodes excitatrices. Les signaux de sortie mesurés au niveau des électrodes. Les mesures ont été effectuées à une température ambiante dans une cellule en verre de 5 ml. Le biocapteur a été immergé vigoureusement remué dans le tampon de PBS de concentration de 5 mM et de pH 7,4. Après stabilisation du signal, différentes concentrations de l’urée ont été injectées dans la cellule de mesure sous agitation. Le signal différentiel a été enregistré en utilisant l’amplificateur synchrone SR830 (Stanford Research Systems) permet de fixer la phase à laquelle est mesuré le signal de sortie. En effet, la détection synchrone est utilisée chaque fois que l’on veut isoler un signal sinusoïdal en phase avec une sinusoïde de référence. Ainsi, le signal sinusoïdal de référence généré est transmis à l’électrode excitatrice de chaque paire. Les signaux sont ensuite filtrés par la technique du lock-in. Cette technique permet de filtrer un signal avec une bande passante arbitrairement faible centrée sur la fréquence du signal d’excitation [23]. Les signaux ainsi recueillis sont transmis à la détection synchrone qui fait la différence des deux signaux (électrode de référence et électrode de travail). Cette mesure en mode différentiel permet de neutraliser tous les signaux non spécifiques liés, par exemple, à l’adsorption d’espèces chargées sur l’électrode. La différence de tension (dans notre cas de figure, proportionnelle avec un coefficient 1, à la différence de conductance) est transmise à un enregistreur ou à un ordinateur par l’intermédiaire d’une carte GBIP « Figure

CONCLUSION GÉNÉRALE

       Nos travaux de thèse ont été consacrés au développement des capteurs électrochimiques sélectifs pour la détection du Zinc dans les matrices réelles et de biocapteurs conductimètriques appliqués à la détection de l’urée dans le sang. Ce travail a été réalisé principalement au Laboratoire des Capteurs, Instrumentations et Procédés (LCIP) de l’Université de Khenchela en collaboration avec le laboratoire de Génie de L’Environnement (Université de Annaba), le laboratoire de Physique et Chimie des Interfaces (Université de Monastir, Tunisie) et le laboratoire de sciences analytiques (Université de Claude Bernard Lyon 1). Deux types de capteurs ont été développés. Le premier est un capteur électrochimique de carbone vitreux à base d’EDTA sélectif aux ions de Zinc. Ce capteur a été modifié électrochimiquement par un greffage de sel de diazonium et d’EDTA sur la surface d’électrode de carbone vitreux. La sensibilité et la sélectivité du nouveau capteur élaboré pour la détection du Zinc ont été étudiées et testées dans des solutions aqueuses et dans des eaux de surface à pH 4,5. En plus du Zinc, trois métaux lourds ont été utilisés pour les mesures d’interférence (le cuivre, le plomb et le cadmium). La ville d’Annaba qui est une zone industrielle a été choisie pour tester le nouveau capteur sélectif élaboré. En conséquence, ce nouveau capteur de zinc montre une haute sensibilité, une meilleure sélectivité aux ions de zinc comparé aux autres ions étudiées ( Cu2+, Pb2+ et Cd2+ ), une faible limite de détection d’environ 3,74 × 10-11 g L-1 et une large zone dynamique de 2,50×10-12 à3,74×10-11 g L-1. Cependant, ce nouveau capteur électrochimique de carbone vitreux à base d’EDTApeut être appliqué avec succès et une bonne précision à la détermination sélective des ions de zinc dans les eaux de rivières. Le deuxième est un nouveau biocapteur enzymatique conductimètrique à base d’enzyme d’uréase appliqué à la détermination de l’urée dans des milieux biologiques. Ce biocapteur a été élaboré à base de nanotubes de carbone décorés par des nanoparticules d’or avec une immobilisation de l’enzyme de l’uréase sur la surface de micro électrode d’or. Le biocapteur élaboré est caractérisé par un faible temps de réponse de 6 secondes, une basse limite de détection (LOD) de 2 µMet une haute sensibilité de 10,5 μS/mM avec une large zone linéaire de 0,01 mM à 6 mM. En outre, ce biocapteur élaboré pour la détermination de l’urée permet une détection directe avec un temps de mesure très court. Ce biocapteur à base d’enzyme d’uréase a été appliqué à la quantification de l’urée dans des échantillons de sang. Ce qui démontre le bon fonctionnement du biocapteur proposé pour des applications pratiques dans l’analyse médicale. Ces résultats promoteurs ouvrent la voix à plusieurs perspectives notamment pour améliorer les performances des capteurs élaborés : le mode de fonctionnalisation électrochimique et la coréticulation, développer des outils d’analyse rapide, avec une bonne stabilité de stockage, et Il faudra encore utiliser les nanomatériaux pour la conception des capteurs électrochimiques. Pour conclure, nos résultats montrent clairement que les deux capteurs électrochimiques et biocapteur élaborés, que ce soit pour la détection du zinc dans l’eau ou de l’urée dans le sang, peuvent être appliqués avec succès à l’environnement et à la santé.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
I. CHAPITRE : CAPTEURS ÉLECTROCHIMIQUES À ÉLECTRODES DE CARBONE VITREUX MODIFIÉES ET BIOCAPTEURS CONDUCTIMÈTRIQUES
I.1. Capteur électrochimique à électrode de carbone
I.1.1. Définition d’un capteur
I.1.2. Classification des capteurs électrochimiques
I.1.3. Fonctionnalisation de la surface d’électrode de carbone vitreux
I.1.4. Synthèse d’ion diazonium
I.1.5. Modification de l’électrode par EDTA
I.2. Biocapteurs conductimètriques
I.2.1. Description du biocapteur
I.2.2. Techniques d’immobilisation des enzymes
I.2.3. Electrodes Enzymatiques
I.2.4. Nanotechnologie et biocapteurs
I.3. Conclusion
II. CHAPITRE 2 :TECHNIQUES D’ANALYSES ÉLECTROCHIMIQUES
II.1. Introduction
II.2. Techniques d’analyses électrochimiques
II.2.1. Voltampérométrie cyclique (VC)
II.2.2. Expressions mathématiques des courants et des potentiels de pic dans un transfert de charge
II.2.3. Critères d’analyse et discrimination des différents systèmes
II.2.4. Facteurs influençant la vitesse de la réaction électrochimique
II.2.5. Application de la voltampérométrie cyclique dans le domaine de capteur chimique
II.3. Spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE)
II.3.1. Généralités
II.3.2. Théorie
II.3.3. Equilibre du système
II.3.4. Impédance de différents phénomènes pouvant se produire à l’interface électrode/électrolyte
II.3.5. Application de la spectroscopie d’impédance électrochimique
II.4. Voltampérométrie différentielle à onde carrée (SWV)
II.4.1. Application de la voltampérométrie différentielle à onde carrée
II.5. Conclusion
III. CHAPITRE 3 : ÉLABORATION D’UNE NOUVELLE ÉLECTRODE SÉLECTIVE À BASE D’EDTA APPLIQUÉE À LA DÉTECTION DES IONS DE ZINC DANS LES MATRICES RÉELLES D’ANNABA
III.1. Introduction
III.2. Procédure expérimental
III.2.1. Matériel électrochimique
III.2.2. Méthodes électrochimiques
III.2.3. Préparation de l’électrode de carbone vitreux
III.2.4. Synthèse du sel de diazonium
III.2.5. Modification de la surface de l’électrode de carbone vitreux
III.3. Résultats et discussions
III.3.1. Caractérisation de la surface de CV-EDTA par VC et SIE
III.3.2. Effet du pH de l’électrolyte support
III.3.3. Sensibilité et limite de détection du capteur
III.3.4. Étude de la sélectivité du capteur de zinc
III.3.5. Application du capteur EDTA-CV à l’analyse réelle
III.4. Conclusion
IV. CHAPITRE 4 : ÉLABORATION D’UN NOUVEAU BIOCAPTEUR CONDUCTIMÈTRIQUE À BASE DES NANOTUBES DE CARBONE DÉCORÉS PAR DES NANOPARTICULES D’OR SENSIBLE À L’URÉE
IV.1. Introduction
IV.2. Procédure expérimental
IV.2.1. Matériels et méthodes
IV.2.2. Elaboration d’un biocapteur conductimètrique pour la détection de l’urée
IV.2.3. Caractérisation conductimètrique du biocapteur enzymatique
IV.3. Résultats et discussions
IV.3.1. Temps de réponse
IV.3.1. Performances du biocapteur
IV.3.2. Application de biocapteur pour la détection de l’urée dans des échantillons de sang
IV.4. Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
ANNEXE

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