Thèse : Développement d’un capteur pour l’analyse environnementale combinant une surface super hydrophobe et des résonateurs plasmoniques.

Résumé

La détection des polluants dans l'eau représente un enjeu pour le contrôle de l'environnement. Même à l’état d’ultratrace (défini comme une concentration inférieure à 1 nmol/L ou 1 µg/L selon l’unité), ces polluants peuvent être nocifs à court ou à long termes pour les organismes vivants. Parmi les techniques de détection, la chromatographie couplée à la spectrométrie de masse se distingue par sa sensibilité de l’ordre du ng/L.

Cependant, son coût élevé et la complexité de sa mise en œuvre limitent son utilisation sur le terrain. Dans ce contexte, la Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS) se présente comme une alternative. La technique SERS repose sur l’amplification du signal Raman de molécules à proximité de nanostructures métalliques, constituant des résonateurs plasmoniques. Cette technique moins coûteuse réalise l’acquisition d’un spectre SERS en quelques secondes et elle est déployable pour des applications de terrain.

Cependant, son principal inconvénient reste sa relative faible sensibilité par rapport à la spectrométrie de masse (de l’ordre du µg/L). Dans ce projet de thèse, nous utiliserons cette technique afin de mettre au point un capteur, combinant une surface superhydrophobe et des résonateurs plasmoniques, capable d’analyser au sein d’un micro-volume liquide des composés organiques présents sous la forme d’ultratraces après évaporation d’une goutte d’eau contenant le composé à détecter. Dans un contexte environnemental, nous souhaitons appliquer cette technologie à l’analyse de l’eau afin de détecter la présence de polluants organiques. L’étude a été menée dans un premier temps sur de l’eau ultrapure puis dans de l’eau potable. Un travail a été effectué sur la fabrication de ce capteur en salle blanche et en technologie Silicium et sur sa reproductibilité. Nous proposons une méthodologie qui permet l’optimisation des étapes de nanofabrication et assure une densité importante de points chauds d’exaltation du signal SERS à la surface de la zone analytique du capteur. Des méthodes expérimentales et d’analyse des spectres ont ensuite été développées pour garantir la fiabilité de la détection et minimiser les erreurs d’interprétation. Parmi ces méthodes figurent la préparation minutieuse des échantillons, la mise en place de témoins multiples mimant étapes de dilutions en cascade, l’analyse des spectres SERS à l’aide de méthodes statistiques, probabilistes et de classification de spectres fondées sur un algorithme de clustering. Nous avons évalué les performances du capteur pour la détection de deux molécules pharmaceutiques (le paracétamol et l’aspirine), un colorant (la Rhodamine B) et un phtalate (acide phtalique). Les phtalates sont des composés chimiques dérivées de l’acide phtalique, dont certains sont reconnus comme étant des 3 perturbateurs endocriniens. La technologie développée couplée à la méthode de traitement des spectres SERS a permis la détection des polluants pharmaceutiques et du phtalate à des concentrations de l’ordre du femtomolaire, et la détection de la Rhodamine B à une concentration de l’ordre de l’attomolaire dans de l’eau ultrapure. Notre méthode a également été utilisé pour détecter le relargage de l’acide phtalique par des tubes en polypropylène, démontrant ainsi son potentiel d’utilisation dans des études de contrôle de la qualité en laboratoire. Finalement, même si nos méthodes ont été validées avec des solutions préparées en laboratoire au sein desquelles les molécules cibles ont été diluées en cascade dans de l’eau ultrapure, les premiers essais de terrain pratiqués sur de l’eau potable mettent en évidence la difficulté de détecter des polluants, comme de la Rhodamine B et aspirine à des concentrations de l’ordre du micromolaire. Ces premiers essais soulignent l’importance d’une étape préalable de purification pour atténuer les effets de matrice qui se traduisent sur notre capteur par un masquage des résonateurs plasmoniques par des cristaux de sels formés lors de l'évaporation.

Abstract

Detection of pollutants in water represents a challenge for environmental monitoring. Even at ultratrace levels (defined as a concentration below 1 nmol/L or 1 µg/L depending on the unit), these pollutants can be harmful to living organisms in the short or long term. Among detection techniques, chromatography coupled with mass spectrometry stands out for its sensitivity on the order of ng/L. However, its high cost and the complexity of its implementation limit its use for the field. In this context, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) emerges as an alternative. The SERS technique relies on the amplification of the Raman signal of molecules near metallic nanostructures, acting as plasmonic resonators. This less expensive technique can acquire a SERS spectrum in a few seconds and is deployable for field applications. However, its main drawback remains its relatively low limit of detection compared to mass spectrometry (on the order of µg/L). In this doctoral project, we will use this technique to develop a sensor combining a superhydrophobic surface and plasmonic resonators, capable of analyzing organic compounds present at ultratrace levels within a micro-volume of liquid after the evaporation of a water droplet containing the compound to be detected. In an environmental context, we aim to apply this technology to water analysis to detect the presence of organic pollutants. The study was initially conducted on ultrapure water and then on drinking water. Work was carried out on the cleanroom fabrication of this sensor using silicon technology and on its reproducibility. We propose a methodology that allows the optimization of nanofabrication steps and ensures a high density of SERS signal enhancement hotspots on the analytical zone of the sensor. Experimental and spectral analysis methods were then developed to guarantee detection reliability and minimize interpretation errors. These methods include careful sample preparation, the use of multiple controls mimicking serial dilution steps, and the analysis of SERS spectra using statistical, probabilistic, and spectral classification methods based on a clustering algorithm. We evaluated the sensor’s performance for detecting two pharmaceutical molecules (paracetamol and aspirin), a dye (Rhodamine B), and a phthalate (phthalic acid). Phthalates are chemical compounds derived from phthalic acid, some of which are recognized as endocrine disruptors. The developed technology, coupled with the SERS spectral processing method, allowed the detection of pharmaceutical pollutants and phthalate at femtomolar concentrations, and the detection of Rhodamine B at attomolar concentrations in ultrapure water. Our method 5 was also used to detect the release of phthalic acid from polypropylene tubes, demonstrating its potential for use in laboratory quality control studies. Finally, although our methods were validated with laboratory-prepared solutions in which the target molecules were serially diluted in ultrapure water, initial field tests conducted on drinking water highlighted the difficulty of detecting pollutants such as Rhodamine B and aspirin at micromolar concentrations. These initial tests emphasize the importance of a preliminary purification step to mitigate matrix effects, which on our sensor induces a masking of the plasmonic resonators by salt crystals formed during evaporation.