Development of an electrochemical platform for the detection of emerging contaminants.
Développement d'une plateforme électrochimique pour la détection de contaminants émergents.
Résumé
This doctoral research work is part of the Captain ADHOC research project (E2S-UPPA 2020-2024), which aims to develop a sensitive and selective electrochemical sensor for the real-time, in situ detection of contaminants such as pesticides and drugs in river water.The objective of this thesis is to design and develop an electrochemical platform for the detection of pesticides by studying two types of sensors for their selectivity and specificity: aptasensors and molecularly imprinted polymer (MIP)-based sensors. To functionalize carbon electrodes with aptamers, two strategies were explored. The first is based on the electrochemical copolymerization of pyrrole and pyrrole-1-propionic acid. Evidence of electrode functionalization and aptamers grafting was provided by X-ray photoelectron spectroscopy. Electrochemical measurements demonstrated the platform's effectiveness with a model aptamer: the anti-thrombin aptamer. However, the same electrochemical platform functionalized by an aptamer specific for a pesticide, the thiabendazole, was ineffective for its electrochemical detection.The second strategy relied on the self-assembly of the dipeptide L-Phenylalanyl-L-Phenylalanine (Phe-Phe) to obtain a stable coating on the electrode surface. After testing various self-assembling conditions and characterizing the uniform deposition of Phe-Phe fibers on carbon electrodes using optical microscopy, surface characterization confirmed the covalent grafting of aptamers on fibers. Finally, different electrochemical techniques, such as cyclic voltammetry or differential pulse voltammetry, demonstrated the sensor's capabilities for electrochemical detection of large molecules like thrombin.Due to the inefficiency of pesticide detection by aptasensors, direct detection methods were considered. Among these, it was possible to detect glyphosate directly on a gold surface. Indeed, the modification of a screen-printed carbon electrode by gold deposition (Au/SPCE) achieved a limit of detection (LOD) for glyphosate of 5 µmol/L. However, this did not reach the French limit for glyphosate concentration in drinking water, fixed at 5 nmol/L. To improve the LOD and reach this legal limit, the Au-SPCE electrode was modified by electrodepositing a thin layer of polypyrrole in the presence of glyphosate, which was then washed to form a molecularly imprinted polymer of glyphosate.The study compared the results of electropolymerization of pyrrole on the Au/SPCE electrode in the presence or the absence of glyphosate. To do this, the structural properties of the electrode were analyzed using scanning electron microscopy. The chemical compositions of the different electrodes were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy and secondary ion mass spectrometry to understand the mechanisms involved in the detection.This approach significantly improved the detection of glyphosate, allowing the detection of glyphosate at picomole per liter levels, below the legal limit in water.
Ce travail de recherche doctorale s'inscrit dans un projet de recherche Captain ADHOC (E2S-UPPA 2020-2024) qui vise à développer un capteur électrochimique sensible et sélectif pour la détection in situ et en temps réel de contaminants tels que les pesticides et les médicaments dans l'eau de rivière.L'objectif de cette thèse est de concevoir une plateforme électrochimique pour la détection de pesticides en étudiant deux types de capteurs par rapport à leurs sélectivités et spécificités : les aptacapteurs et les capteurs à base de polymère à empreinte moléculaire (MIP).Pour fonctionnaliser des électrodes de carbone avec des aptamères, deux stratégies ont été explorées. La première consiste en la copolymérisation électrochimique du pyrrole et de l'acide pyrrole-1-propionique. Des preuves de la fonctionnalisation de l'électrode et du greffage des aptamères ont été établies en utilisant la spectrométrie photoélectronique à rayons X. Les mesures électrochimiques ont montré l'efficacité de la plateforme lorsqu'un aptamère modèle, l'aptamère anti-thrombine, est utilisé. Cependant, la même plateforme électrochimique fonctionnalisée avec un aptamère spécifique pour un pesticide, le thiabendazole, s'est révélé inefficace pour sa détection électrochimique.La deuxième stratégie repose sur l'auto-assemblage du dipeptide L-Phenylalanyl-L-Phenylalanine (Phe-Phe) pour obtenir un revêtement stable à la surface de l'électrode. Après avoir testé différentes conditions d'auto-assemblage et caractérisé les fibres de Phe-Phe déposées uniformément sur les électrodes de carbone par microscopie optique, la caractérisation de surface a permis de confirmer le greffage covalent des aptamères sur les fibres. Finalement, différentes techniques électrochimiques, telles que la voltamétrie cyclique ou la voltamétrie à impulsions différentielles, ont démontré les bonnes capacités du capteur pour la détection électrochimique de grosses molécules telle que la thrombine.En raison de l'inefficacité de la détection des pesticides par les aptacapteurs, des méthodes de détection directe ont été envisagées. Parmi celles-ci, il a été possible de détecter le glyphosate directement sur une surface en or. En effet, la modification d'une électrode de carbone sérigraphiée par un dépôt d'or (Au/SPCE) a permis d'atteindre une limite de détection (LOD) du glyphosate de 5 µmol/L. Cependant, cela ne respectait pas la limite française pour la concentration de glyphosate dans l'eau potable, fixée à 5 nmol/L. Afin d'améliorer la LOD et atteindre cette limite légale, cette électrode Au-SPCE a été modifiée par électrodéposition d'une couche fine de polypyrrole en présence de glyphosate, qui est ensuite lavé pour former un polymère à empreinte moléculaire de glyphosate.L'étude a donc consisté à comparer les résultats de l'électropolymérisation du pyrrole sur l'électrode Au/SPCE en présence ou en l'absence de glyphosate. Pour ce faire, les propriétés structurales de l'électrode ont été analysées à l'aide de la microscopie électronique à balayage. Les compositions chimiques des différentes électrodes ont été caractérisés par spectrométrie photoélectronique à rayon X et spectrométrie de masse des ions secondaires, afin de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la détection.Cette approche a considérablement amélioré la détection du glyphosate, permettant ainsi de détecterdes quantités de glyphosate de l'ordre du picomole par litre, inférieures à la limite légale dans l'eau.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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