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Détection d’espèces polluantes par fluorescence

De la synthèse de molécules fluorescentes à la microfluidique

La détection de façon sensible et sélective de cations demeure d'un intérêt croissant dans des domaines aussi divers que la biochimie clinique, l'environnement et la biologie. Parmi les différentes méthodes de détection possibles (spectroscopie d'absorption atomique, spectroscopie d'emission atomique, spectrométrie de masse), l'utilisation de la fluorescence offre de nombreux avantages en termes de sensibilité, de sélectivité, de temps de réponse et d'observation locale via l'utilisation des techniques d'imagerie. Les cibles ont été d'une part des cations alcalins (Na+, K+) pour des applications dans le domaine biomédical et d'autre part des cations polluants pour l'environnement (Hg2+, Pb2+, Cs+).

Sondes fluorescentes moléculaires : fluoroionophores
En vue de détecter des cations en solution, il est nécessaire de concevoir, de synthétiser et d'étudier des sondes fluorescentes appelées fluoroionophores, possédant une entité complexante (l'ionophore) liée de façon covalente à une entité fluorescente (le fluorophore). Le système doit être conçu de telle sorte que la complexation du cation par l'ionophore induise des modifications les plus importantes possibles des propriétés photophysiques du fluorophore.

Schéma de principe d'un fluoroionophore
Principe d'un fluoroionophore

Le choix de l'entité de reconnaissance (ionophore), qui relève de la chimie supramoléculaire, conditionne la sélectivité et la sensibilité du système. La nature des atomes donneurs participant à la complexation ainsi que la géométrie de l'entité de reconnaissance influencent considérablement les propriétés de complexation. Les modifications photophysiques du fluorophore lors de la présence du cation dans l'entité de reconnaissance sont dues à une perturbation d'un phénomène photoinduit qui peut être de plusieurs types : PET (transfert d'électron photoinduit), PCT (transfert de charge photoinduit), transfert d'énergie et formation d'excimères conduisant à des changements des propriétés photophysiques du système (déplacement des spectres d'absorption, d'émission et/ou variations du rendement quantique de fluorescence).

Détection sélective de cations alcalins
En raison de la très bonne affinité des calixarènes-couronnes pour les cations alcalins, nous avons entrepris la synthèse de fluoroionophores à base de calixarène-couronnes comportant des fluorophores respectivement de type bodipy et coumarine. D'importants changements des propriétés photophysiques ont été observés lors de la complexation du fait de la perturbation par le cation du transfert de charge intervenant au niveau du fluorophore. Ces deux composés présentent une très bonne sélectivité respectivement pour le potassium et pour le césium.

fluoroionophores sélectifs des alcalins

Détection sélective de métaux lourds
En raison de la très bonne sélectivité des calixarènes fonctionnalisés par des groupes sulfonamide vis-à-vis des métaux lourds, de nouveaux composés comportant des fluorophores de type dansylamide ont été synthétisés. Le Calix-DANS4 complexe très sélectivement le plomb. Des mesures ratiométriques de l'intensité de fluorescence conduit à une limite de détection de 4,2 mg L-1 de plomb. Cette valeur est parfaitement compatible avec les teneurs en plomb admissibles pour les eaux de boisson. En raison de la très grande sélectivité des oxydes et des sulfures de phosphine pour les métaux lourds, nous avons envisagé de réaliser des fluoroionophores comportant cette entité complexante, et pour lequel les fluorophores sont des phénylacétylènes liés aux oxydes de phosphine et substitués par des groupes donneurs.

fluoroionophores sélectifs des métaux lourds

Deux nouveaux fluoroionophores à base de chélates d'oxyde de phosphine et de sulfure de phosphine ont été synthétisés. Dans le cas des chélates de types oxyde de phosphine, un important déplacement des spectres d'absorption et d'émission a été observé lors de la complexation des cations (Pb2+, Cd2+) du fait du renforcement du caractère accepteur de l'oxyde de phosphine lors de la complexation. Les dosages effectués ont permis de déterminer la stoechiométrie et les constantes de stabilité des différents complexes obtenus (ML2, ML, M2L). Dans le cas des composés de type sulfure de phosphine, des déplacements bathochromes des spectres d'absorption ainsi qu'une inhibition de la fluorescence ont été observés lors de la complexation avec les ions Hg2+ en milieu organo-aqueux (CH3CN/H2O). En outre, une très bonne sélectivité vis à vis du mercure a été obtenue avec une très bonne sensibilité (limite de détection 3.8 nM-0.75 microg/L).

Intégration des fluoroionophores dans un dispositif microfluidique
Pour détecter les cations en milieu réel, la démarche adoptée consiste à utiliser les fluoroionophores dans des dispositifs de type microfluidique. Le microréacteur a pour rôle de mélanger le substrat à doser et le réactif, afin de procéder ensuite à l'analyse in situ de la fluorescence. Le schéma de principe de ces microréacteurs avec détection de la fluorescence est représenté  ci-dessous. Le microcircuit comportant une zone de mélange est réalisé par moulage en PDMS et collage sur substrat de verre. La zone de mélange à base de chevrons permet une réaction efficace entre le substrat à analyser (Pb2+) et le fluoroionophore calix-DANS4. La fluorescence, générée par une diode luminescente (LED), est mesurée directement dans le circuit microfluidique au moyen d'une fibre optique. La mesure est effectuée par détection synchrone afin de s'affranchir de la lumière parasite. L'ensemble du dispositif a été conçu et réalisé au laboratoire. La figure ci-dessous présente la courbe de calibration obtenue avec ce dispositif dans le cadre de la détection du plomb dans l'eau.

Principe d'un microréacteur avec détection par fluorescence
Principe d'un microréacteur avec détection par fluorescence.

Photographie du microréacteur en Y (PDMS sur verre)
Photographie du microréacteur en Y (PDMS sur verre).

Courbe de calibration en présence de traces de Plomb 2
Courbe de calibration en présence de traces de Pb2+

Publications récentes:



Une liste des publications de ce thème peut être trouvée ici.



Participants

Permanents:

Chercheur associé:

  • Minh-Huong HA-THI (Maître de conférences, Laboratoire ISMO)

Non-permanents:

Mots-clefs

Sonde fluorescente
Métaux lourds
Capteurs
Microfluidique