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Principe de fonctionnement d’un capteur chimique ou biochimique
L’histoire des capteurs électrochimiques a commencé essentiellement avec le développement de l’électrode en verre par Cremer en 1906. Haber et son étudiant Klemensiewicz ont repris l’idée en 1909 et ont mis la base pour les applications analytiques. Ils ont voulu présenter le dispositif sous le nom »Electrode Haber » ce qui a causé les protestations de Cremer. Ce dernier devrait être pleinement apprécié pour son invention de l’électrode en verre, bien que Haber domine la littérature. Aujourd’hui, le capteur électrochimique joue un rôle analytique essentiel dans les domaines de la conservation et de la surveillance de l’environnement, de la prévention des catastrophes, de l’analyse industrielle et des maladies.
Ces capteurs présentent des avantages potentiels tels que le faible coût, les faibles besoins en énergie, la quantification facile du signal, la rapidité, la répétabilité élevée, la simplicité, la miniaturisation de l’instrumentation et la portabilité.
Ils se composent de deux éléments principaux: un élément récepteur ou de reconnaissance, qui reconnaît l’analyte cible, et un élément de transduction de signal (transducteur) qui convertit la réponse chimique en un signal électrique.
Chacun des éléments du capteur et chacune des étapes de la méthode a une influence sur la performance du capteur. Ils peuvent être classés selon la propriété à déterminer comme capteurs électriques et optiques, de masse ou thermiques et ils sont conçus pour détecter et répondre à un analyte à l’état gazeux, liquide ou solide. Par rapport aux capteurs optiques, de masse ou thermiques, Les capteurs électrochimiques sont particulièrement attrayants en raison de leur remarquable détectabilité, simplicité expérimentale et faible coût. Ils ont une position de leader parmi les capteurs actuellement disponibles qui ont atteint la phase commerciale et qui ont trouvé une vaste gamme d’applications dans les domaines des analyses cliniques, industrielles, environnementales et agricoles .
Après avoir défini d’une manière générale les capteurs, nous allons revenir plus en détails sur chacun des éléments, de son architecture, à savoir le récepteur et le transducteur.
Description d’un capteur
Récepteur
Le récepteur est l’élément de reconnaissance d’un capteur chimique ou biochimique qui convertit l’information chimique, par exemple la concentration d’un composé donné, le pH, etc…, en une forme d’énergie qui peut être mesurée par le transducteur. La fonction du récepteur est représentée dans de nombreux cas par une couche mince sensible capable d’interagir avec les molécules d’analyte, de catalyser une réaction sélective ou de participer à un équilibre chimique avec l’analyte Plusieurs types de récepteurs ont été utilisés comme moyen de reconnaissances moléculaires pour le développement de capteurs électrochimiques, parmi ces récepteurs on a choisi la β-cyclodextrine et l’hétéroplyanion de type Dawson.
Transducteur
Le transducteur (semi-conducteur, métal, électrode, etc.) sert à transférer le signal de sortie généré par la réaction chimique au signal électrique qui peut être amplifié et traité par un équipement approprié.
En effet ces transducteurs électrochimiques reposent sur la variation d’un courant, d’une impédance, d’une conductance ou d’un potentiel suite à la reconnaissance moléculaire. Les capteurs électrochimiques opèrent dans les milieux liquides et gazeux de manière continue peuvent être déclinés sous quatre modes de transduction [27-29] comme dans la figure.
Table des matières
Remerciements
ملخص
Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations et nomenclatures
Introduction générale
Références bibliographiques
Chapitre I : Aperçu bibliographique
Introduction
I.1 Crésols
I.1.1 Définition
I.1.2 Sources et applications
I.1.3 Propriétés physico-chimiques des crésols
I.1.4 Effet sur l’environnement et la santé
I.1.5 Méthodes de détection des crésols
I.2 Les capteurs électrochimiques
I.2.1 Généralités
I.2.2 Description d’un capteur
I.2.2.1 Récepteur
I.2.2.2 Transducteur
I.2.3 Les caractéristiques métrologiques des capteurs
I.2.3.1 La sensibilité
I.2.3.2 La sélectivité
I.2.3.3 Limite de détection (LDD)
I.2.3.4 Reproductibilité
I.2.3.5 Domaine de linéarité
I.2.4 Récepteurs chimiques utilisés
I.2.4.1 β-Cyclodextrine
I.2.4.2 Les hétéropolyanions
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre II : Les méthodes analytiques de caractérisations
Introduction
II.1 Théorie de la double couche électrique
II.1.1 Modèle de helmholtz
II.1.2 Modèle de gouy et chapman
II.1.3 Modèle de stern
II.2 Mesures capacitives et potentiel de bande plate : VBP
II.2.1 Interface électrolyte/isolant/semi-conducteur
II.2.2 Phénomènes de surfaces : électrolyte/semi-conducteur
II.2.2.1 Effet de charge
II.2.2.2 Effet capacitif
II.3 Spectroscopie d’impédance électrochimique
II.3.1 Principe
II.3.2 Théorie du calcul de l’impédance
II.4 La voltammétrie cyclique
II.4.1 Principe
II.4.2 Critères d’analyse et de discrimination des trois systèmes
II.4.3 Avantages de la voltammétrie cyclique
II.5 Méthodes de caractérisation morphologique
II.5.1 Microscope optique
II.5.2 Microscopie électronique à balayage
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre III : Développement des capteurs électrochimiques à base de β-cyclodextrine pour
détection du m-crésol
Introduction
III.1 Matériel
III.1.1 Réactifs utilisés
III.1.2 Appareillage électrochimique
III.2 Méthodes
III.2.1 Nettoyage des transducteurs
III.2.2 Fonctionnalisation par les membranes polymères
III.2.2.1 Elaboration des membranes
III.2.2.2 Méthode de dépôt et séchage des membranes
III.3 Résultats et discussion
III.3.1 Caractérisation par la méthode capacitive C(V)
III.3.1.1 Sensibilité de semi-conducteur Si/SiO2 nu
III.3.1.2 Sensibilité de semi-conducteur Si/SiO2 modifié
III.3.1.3 Effet de la concentration de m-crésol sur la réponse de capteur
III.3.2 Caractérisation par la spectroscopie d’impédance
III.3.2.1 Optimisation du potentiel
III.3.2.2 Modélisation et analyse des spectres d’impédance à différents potentiel
III.3.2.3 Réponse de l’électrode nue et modifiée
III.3.2.4 Étude de la réponse du capteur Pt/PVC+DOP/β-CD
III.3.2.5 Sélectivité du capteur élaboré
III.3.2.6 Etude de la durée de vie
III.3.2.7 Caractérisation de la surface de la membrane modifiée avant et après immersion dans dans une solution de m-crésol
III.3.2.8 Influence de l’ajout d’une membrane additionnelle à base de Nafion .
Conclusion
Références bibliographiques .
Chapitre IV : Capteur ampérométrique à base d’HPA pour la détection du m-crésol
Introduction
IV.1 Conditions de mesure de la voltammétrie cyclique
IV.2 Résultats et discussion
IV.2.1 Influence de la vitesse de balayage
IV.2.2 Effet des HPAs sur la détection du m-crésol
IV.2.2.1 L’hétéropolyanion (K10P2W12Mo5O61, 18H2O)
IV.2.2.2 L’hétéropolyanion (K10P2W17O61, 16H2O)
IV.2.2.3 L’hétéropolyanion (H6P2W12Mo6O62, 14H2O)
IV.2.3 Étude des performances de capteur élaboré
IV.2.3.1 Reproductibilité de la réponse du capteur
IV.2.3.2 Sélectivité et sensibilité
IV.2.3.3 Etude de la stabilité à long terme du système
IV.2.4 Caractérisation avec le MEB
Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale
Perspectives
