Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Ngoc Mai DUONG effectuée sous la direction de Gaëlle Charron (MSC) et Pascal Hersen (Institut Curie).

Soutenance le mercredi 7 septembre 2022 à 10h00 dans l’amphithéâtre Pierre Gilles de Gennes, Bâtiment Condorcet, Université Paris Cité, 10 rue A. Domon et L. Duquet, 75013 Paris.

Développement d’une plateforme microfluidique pour la surveillance en continu des contaminants aquatiques en eau douce

Résumé : Dans le contexte de la pollution environnementale mondiale, l’eau est l’un des principaux vecteurs qui stocke et transmet les contaminants entre les régions et vers la vie humaine. Par conséquent, l’identification des sources de polluants et l’évaluation de l’état de la pollution nécessitent des mesures de la qualité de l’eau à une fréquence et à une résolution spatiale pertinentes. Cette collecte de données peut aider à appliquer de meilleures politiques de gestion et des actions de prévention. Cependant, les méthodes de surveillance actuelles sont coûteuses et principalement basées sur la manipulation d’analystes bien formés, ce qui les rend inappropriées pour des mesures sur le terrain à grande échelle et à haute fréquence. Pour cette raison et l’aggravation du statut de polluant, les agences internationales telles que l’ONU, l’Unicef et l’OMS appellent à développer de nouveaux outils de surveillance de la qualité de l’eau. Dans ce travail, nous avons développé une plateforme microfluidique automatisée intégrant la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour la surveillance des ions métalliques dans les eaux douces. Dans la première partie, nous avons examiné une stratégie pour effectuer une analyse quantitative basée sur SERS sans avoir besoin d’étalonnage, qui est la partie de l’analyse la plus longue et la plus coûteuse. La méthode réinvestit une procédure de titrage colorimétrique pour déterminer la dureté de l’eau mais implique de surveiller la progression du titrage à travers le signal SERS d’un indicateur complexométrique. Trois eaux minérales dont les concentrations en métaux divalents varient d’un facteur 25 ont été titrées avec succès de cette manière, avec une justesse moyenne de 93 % et une précision moyenne de 2%. Dans la deuxième partie, nous avons développé une plateforme microfluidique qui automatise le précédent titrage complexométrique basé sur SERS. La plateforme a généré une chaîne de gouttelettes SERS actives avec des conditions de titrage bien contrôlées et a collecté les signaux SERS. En utilisant les trois mêmes eaux minérales que précédemment, la plateforme a fourni des résultats comparables au protocole manuel précédent, avec une justesse moyenne inférieure de 82 % et une précision moyenne supérieure de 7 %. En contrepartie, cette plateforme a permis de réduire le travail humain grâce à l’automatisation, de diviser par quatre au moins le temps d’acquisition des données, d’avoir un coût instrumental modéré et de consommer moins de réactifs de près de deux ordres de grandeur. En plus, avec sa convivialité et sa robustesse, la plateforme microfluidique développée peut être considérée comme une base solide pour une station de surveillance environnementale sur le terrain.

Abstract : In the context of global environmental pollution, water is one of the principal vectors that stores and transmits contaminants between regions and into human life. Consequently, identifying pollutant sources and evaluating pollution status requires water quality measurements at relevant frequency and spatial resolutions. This data collection can help enforce better management policies and prevention actions. However, current monitoring methods are high cost and mainly based on well-trained analyst manipulation, making them inappropriate for in-field measurement at large-scale and high frequency. For this reason and the worsening of the pollutant status, international agencies such as the UN, Unicef, and WHO are calling to develop new tools for monitoring water quality. In this work, we developed an automated microfluidic platform integrating with Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for monitoring metal ions in freshwaters. In the first part, we examined a strategy to perform SERS quantitative analysis without the need for calibration, which is the most time-consuming and high-cost analysis part. The method reinvests a colorimetric titration procedure to determine water hardness but involves monitoring the progression of the titration through the SERS signal of a complexometric indicator. Three mineral waters spanning divalent metal concentrations varying by a factor of 25 were successfully titrated in this way, with mean trueness of 93 % and mean precision of 2 %. In the second part, we developed a microfluidic platform that automated the previous SERS-based complexometric titration. The platform generated a chain of SERS-active droplets with well-controlled titration conditions and collected the SERS signals. Using the same three mineral waters as before, the platform provided comparable results to the previous manual protocol with a lower mean trueness of 82 % and a larger mean precision of 7 %. In exchange, this platform reduced human labour work through automation, reduced data acquisition time by at least four times, has a moderate instrumental cost and consumed less reagent by almost two orders of magnitude. In addition, with its user-friendliness and robustness, the developed microfluidic platform can be considered a solid foundation for an on-field environmental monitoring station.