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Rappels généraux sur les métaux lourds
La détection et l’élimination des métaux lourds sont des procédés importants pour le contrôle de la pollution de l’environnement, la protection des ressources de l’eau et la santé de la population, Les méthodes actuelles, selon la norme ISO, pour la détermination de faibles concentrations de métaux lourds dans l’eau potable sont des techniques de spectrométrie .
Aujourd’hui, la toxicité des métaux lourds a conduit les pouvoirs publics à réglementer les émissions en fixant des teneurs limites. Cette réglementation n’est cependant d’aucun secours pour déterminer sans ambiguïté une liste de métaux à surveiller. Le plomb est l’un des plus graves soucis pour l’environnement ainsi que pour la santé. La surveillance des niveaux de plomb dans l’approvisionnement en eau potable est essentielle pour la santé et la sécurité humaines. Il y a de nombreux problèmes de santé liés à l’exposition à des niveaux élevés d’ions de plomb à cause de leur tendance à s’accumuler dans l’organisme .
Influence des métaux lourds dans l’environnement et Leurs effets biologiques
Bien qu’ils soient largement répandus dans l’environnement, les métaux lourds existent généralement sous une forme inoffensive pour les organismes vivants. En effet, la forme chimique d’un métal conditionne sa disponibilité et donc sa toxicité vis-à-vis des organismes.
En concentration appropriée, de nombreux métaux sont essentiels à la survie. Par contre, en quantité excessive, ils peuvent être toxiques. Même une faible exposition à ces métaux, si elle est chronique, peut avoir de graves répercussions sur la santé. Du fait qu’il est impossible de dégrader ou de détruire les métaux lourds, ils ne sont pas décomposés et s’accumulent dans le corps humain ; ils se concentrent dans le foie, les reins, le cerveau, le squelette et les tissus kératinisés tels que les cheveux et les ongles. L’exposition aux métaux lourds a été liée aux troubles du développement, à divers cancers, à l’atteinte rénale et même, dans certains cas, à la mort. Les organes cibles des métaux lourds sont différents : les ions métalliques se fixent sur les globules rouges (Pb, Cd, CH3Hg). Les métaux s’accumulent dans le foie et les reins (organes très vascularisés), les dents et les os fixent le plomb. D’autre part, les métaux solubles dans les lipides comme le plomb tétraéthyl ou le méthylmercure peuvent pénétrer dans le système nerveux central. Le danger est encore plus grand pour les enfants car chez eux la barrière hémato-encéphalique n’est pas entièrement développée (intoxication au plomb possible). Par diffusion passive et grâce à leur solubilité dans les lipides, le cadmium, le plomb, le nickel, le méthyl-mercure, traversent le placenta et peuvent s’y concentrer.
Origine et distribution des métaux lourds
L’émission de métaux lourds dans l’environnement est d’origine naturelle et anthropique. Les sources naturelles atmosphériques consistent en une émission de particules due aux activités volcaniques, aux feux de forêts ou aux particules du sol emportées par le vent . Pour la plupart des métaux toxiques, le flux naturel est infime comparé aux émissions industrielles . Notons cependant que les émissions atmosphériques de plomb ont diminué récemment grâce au remplacement du plomb tétraéthyl dans les carburants. La plus grande partie des rejets en métaux lourds issus de l’activité humaine se fait dans les eaux et les sols. La source majeure des éléments traces dans des écosystèmes aquatiques est celle des effluents domestiques (notamment As, Cr, Cu, Mn et Ni), des centrales électriques au charbon (As, Hg et Se), des fonderies de métaux (Cd, Cr, Mo, Ni, Pb, Se et Zn en particulier) et des boues des stations d’épuration (As, Mn et Pb ).
Le relargage des métaux toxiques dans les milieux aquatiques entraîne une accumulation de ces éléments dans les sédiments. A ce niveau, ils peuvent être précipités et immobilisés, mais il y a aussi possibilité de mobilisation et de diffusion vers les nappes phréatiques .
Généralités sur les capteurs
Par définition, un capteur est un dispositif électronique capable de transformer une grandeur physique, chimique, biologique… (mesurande) en une grandeur électrique, généralement une tension, une intensité ou un courant. On fait souvent (à tort) la confusion entre capteur et transducteur : le capteur est au minimum constitué d’un transducteur.
Structure d’un capteur : a. Le corps d’épreuve : Le corps d’épreuve est un élément sensible qui réagit à la grandeur à mesurer. Il a pour rôle de transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable.
Le transducteur : Le transducteur est un élément sensible lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.
Le boîtier : Le boîtier est un élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur. L’électronique de conditionnement : C’est un dispositif qui convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande. Il a pour rôle d’amplifier et de faire le traitement du signal électrique.
Principe des capteurs chimiques
La reconnaissance chimique est en général basée sur une interaction ou une réaction spécifique entre l’espèce à détecter et la partie sensible. Cette interaction est ensuite traduite par l’intermédiaire d’un transducteur en un signal physique mesurable (optique, électrique, piézoélectrique…) proportionnel à la concentration des espèces à détecter.
Les capteurs chimiques sont destinés à la détection et/ou à l’analyse de la concentration d’espèces chimiques ou biochimiques, gazeuses ou liquides en général. L’analyse d’espèces solides, bien que moins évidente, peut cependant être envisagée. Contrairement aux autres types de capteurs, les capteurs chimiques ont connu un succès limité sur le plan commercial, malgré la forte demande de nombreux secteurs de l’économie, tels que les industries chimique, métallurgique, automobile, électronique, agro-alimentaire, l’environnement, le domaine médical, les biotechnologies, etc… Ce fait est vraisemblablement lié à la difficulté technique de transformer une grandeur telle que la concentration d’une espèce chimique dans un liquide ou un gaz en signal électrique, tout en assurant simultanément reproductibilité, sensibilité et sélectivité.
Les divers types de capteurs chimiques fonctionnent suivant des principes physico-chimiques très variés. La thermodynamique, la physique des semiconducteurs et l’électrochimie interviennent cependant dans de nombreux cas, à savoir : capteurs à électrolyte solide, capteurs à oxyde semiconducteur .capteurs ampérométriques, capteurs capacitifs d’humidité.
Les biocapteurs enzymatiques
Un capteur enzymatique peut être considéré comme la combinaison de tout type de transducteur avec une fine couche enzymatique destinée, ‘’en général’’ à mesurer la concentration d’un substrat. La réaction enzymatique assure la transformation du substrat en produits de réaction détectables par le transducteur.
La surface sensible du transducteur est mise en contact avec la couche enzymatique. On suppose qu’il n’existe pas de transfert de masse à travers cette interface. La face externe de la couche enzymatique est trempée dans une solution contenant le substrat à doser. Ce substrat va migrer vers l’intérieur de cette couche et sera décomposé en produit de réaction dès qu’il entrera en contact avec l’enzyme immobilisée. Pour assurer une mise en équilibre rapide des concentrations, la membrane enzymatique doit être aussi fine que possible et la solution bien agitée pour assurer un apport constant en substrat.
Table des matières
Introduction générale
Partie bibliographie
CHAPITRE I : LES METAUX LOURDS ET LES CAPTEURS/BIOCAPTEURS
I.A Les métaux lourds et leurs effets dans l’environnement
I.A.1 Généralités sur les métaux lourds
I.A.1.1 Préambule : considération sur l’utilisation des termes « métaux lourds »
I.A.1.2 Rappels généraux sur les métaux lourds
I.A.1.3 Influence des métaux lourds dans l’environnement et Leurs effets biologiques
I.A.1.4 Origine et distribution des métaux lourds
I.A.1.5 Influence du pH
I.A.1.6 Influence du potentiel redox Eh
I.A.1.7 Influence des anions
I.A.2 Généralités sur les métaux utilisés
I.A.2.1 Le mercure
I.A.2.2 Le plomb
I.A.2.4 Le cadmium
I.A.2.4 Le Nickel
I.B Les capteurs chimiques/biocapteurs
I.B.1 Généralités sur les capteurs
I.B.1.1 Définition
I.B.1.2 Structure d’un capteur
I.B.1.3 Grandeurs d’influence
I.B.1.4 Paramètres caractéristiques des capteurs
I.B.2 Principe des capteurs chimiques
I.B.2.1 Différents types d’interaction entre l’espèce chimique et la partie sensible du capteur chimique
I.B.2.2 Différents types de transducteurs électrochimiques utilisés dans la conception des capteurs chimiques
I.B.3 Les biocapteurs
I.B.3.1 Définition et domaine d’application
I.B.3.2 Généralités
I.B.3.3 Historique
I.B.3.4 Classification
I.B.3.5 Le biorécepteur
I.B.3.6 Classification des biocapteurs selon le type de biorécepteur
I.C Conclusion
CHAPITRE II : LES TECHNIQUES EXPERIMENTALES
II.A Introduction
II.B Rappels bibliographiques sur les électrodes de Diamant
II.B.1 Le Matériau Diamant – Généralités
II.B.2 Propriétés du diamant
II.B.3 Synthèse du diamant
II.B.4 Types de conductance des matériaux diamant et leur préparation
II.B.4.1 Dopants donneurs
II.B.4.2 Dopants accepteurs
II.B.5 Les techniques de dopage
II.B.5.1 Le dopage par diffusion
II.B.5.2 Le dopage par implantation ionique
II.B.5.3 La méthode CIRA
II.B.5.4 Implantation par CVD
II.B.5.5 Recuit HPHT
II.C Les techniques voltamétriques
II.C.1 Définition
II.C.2 La voltampérométrie cyclique
II.C.3 Intérêt des techniques pulsées
II.C.4 Voltamétrie à impulsion différentielle
II.C.5 Principe de la voltampérométrie à ondes carrées
II.C.6 Voltamétrie à redissolution anodique
II.D Les liquides ioniques
II.D.1 Définition, catégories et historique
II.D.2 Propriétés du liquide ionique
II.D.2.1 Propriétés physico-chimiques
II.D.2.2 Propriétés thermiques
II.D.2.3 Propriétés électrochimiques
II.D.3 Applications
II.E Conclusion
CHAPITRE III : ELABORATION DE NOUVELLES MICROCELLULES BDD MICRO-USINEES PAR LASER FEMTO SECONDE
III.A Elaboration de nouvelles microcellules BDD micro-usinées pour la détermination des métaux lourds
III.A.1 Introduction
III.A.2 Les caractéristiques des électrodes BDD
III.A.3 Matériels et méthodes
III.A.3.1 Micro-fabrication de la microcellule BDD
III.A.3.2 Les avantages de cette technique
III.A.3.3 Méthode de mesure électrochimique
III.A.3.4 Préparation de la microcellule BDD et conditions de mesures
III.A.4 Caractérisation de la microcellule BDD
III.A.4.1 Caractérisation morphologique des Microcellules BDD
III.A.4.2 Caractérisation électrochimique des Microcellules BDD
III.A.5 Résultats et discussions
III.A.5.1 Optimisation des conditions de détection : Effet du pH
III.A.5.2 Optimisation des conditions de détection : courbes de calibration
III.A.5.3 Choix des concentrations des quatre métaux choisis
III.A.5.4 Détection simultanée des métaux
III.B Analyse des eaux de rejets domestiques et hospitaliers et l’eau du Rhône, par une langue électronique basée sur une microcellule BDD
III.B.1 Analyse des eaux de rejets domestiques et hospitaliers
III.B.1.1 Objectif de l’étude
III.B.1.2 Méthode de reconnaissance de forme utilisée : ACP
III.B.1.3 Origine des eaux de rejets
III.B.1.4 Résultats et discussions
III.B.2 Analyse de l’eau du Rhône (réelle et synthétique)
III.B.2.1 Caractérisation de l’eau du fleuve du Rhône
III.B.2.2 Préparation des échantillons
III.B.2.3 Résultats et discussions
III.C Conclusion
CHAPITRE IV : BDD ET AUTRES DETECTIONS
IV.A Détection du plomb dans le liquide ionique et détermination du facteur de concentration après son extraction
IV.A.1 Introduction
IV.A.2 Conditions de mesures
IV.A.3 Conditions d’extraction
IV.A.4 Calculs
IV.A.5 Résultats et discussion
IV.A.5.1 Détection DPASV du plomb dans le RTIL
IV.A.5.2 Extraction du plomb dans RTIL
IV.A.6 Conclusion
IV.B Microcellules BDD modifiées par électrodéposition de l’acide 6-O-palmitoyl-L-ascorbique pour la détection de l’uranium
IV.B.1 Introduction
IV.B.2 Mesures électrochimiques
IV.B.3 Préparation des échantillons et analyse de l’uranium
IV.B.4 Résultats et discussions
IV.B.4.1 Interaction des ions U (VI) avec la surface modifiée
IV.B.4.2 Optimisation des paramètres
IV.B.4.3 Performances analytiques
IV.B.4.4 Taux de recouvrement
IV.B.5 Conclusion
IV.C Détection du taux de mauvais repliement des protéines (prion) par voie électrochimique
IV.C.1 Introduction
IV.C.2 Principe de la détection électrochimique de protéines anormales PrPsc (multimer)
IV.C.3 Détection électrochimique de l’activité HRP
IV.C.4 Résultats et discussions
IV.C.4.1 Effet de la concentration en tétra-butylcatechol sur le signal électrochimique
IV.C.4.2 Détection sur échantillons réels
IV.C.5 Conclusion
CHAPITRE V : LES PERFORMANCES ELECTROCHIMIQUES DES FILMS DE DIAMOND LIKE CARBON LA DETECTION DU PB (II) DANS L’EAU DU ROBINET
V.1 Introduction
V.2 Fabrication des électrodes sérigraphiées en DLC
V.3 Préparation des échantillons
V.4 Résultats et discussion
V.4.1 Caractérisation électrochimique
V.4.2 Détection des ions Pb (II) par DPASV
V.4.3 Détection des ions Pb (II) par DPASV
V.5 Conclusion
Conclusion générale
