Description

Avec le développement rapide de l’industrie et l’amélioration de l’urbanisation, de plus en plus de substances chimiques sont utilisées dans la vie quotidienne et la production agricole. Des activités industrielles de plus en plus fréquentes, telles que l’exploitation minière, la métallurgie et l’extraction pétrolière, produisent de nombreuses substances toxiques et nocives. Même après un traitement de purification, ces substances laissent souvent des résidus dans le système aquatique naturel, notamment des métaux lourds, des sels inorganiques et des médicaments vétérinaires agricoles, qui polluent et dégradent l’environnement aquatique [1–3]. Contrairement aux polluants organiques, les métaux lourds ne peuvent pas être biodégradés dans des conditions naturelles [4] et sont absorbés passivement par les plantes via l’eau de boisson et l’irrigation, avant d’entrer finalement dans le corps humain par accumulation continue dans la chaîne alimentaire. Le mercure, le cadmium, le plomb, le chrome, le thallium, l’antimoine et l’arsenic sont les polluants métalliques les plus courants. Selon les normes de l’OMS, leur concentration ne dépasse généralement pas 2 ppb.

Les métaux lourds ingérés par l’organisme ont tendance à former des complexes avec des substances biologiques telles que les protéines, les enzymes et les acides nucléiques. La formation de ces complexes modifie la composition moléculaire et le fonctionnement des matières biologiques, entraînant une incapacité à remplir leur fonction physiologique normale ou provoquant des dysfonctionnements [5]. L’accumulation de ces éléments peut causer de graves dommages au système digestif, aux os, au système nerveux central, au foie, aux reins et au système reproducteur. Comme ces éléments ne peuvent pas être éliminés par des méthodes classiques, même de très faibles quantités de métaux lourds constituent une menace sérieuse pour les organismes vivants [6]. Dans ce contexte, la détection des ions métalliques dans l’environnement et les systèmes aquatiques, afin de prévenir la pollution par les métaux lourds dès la source de la chaîne alimentaire, est une nécessité vitale. Ces dernières années, de nombreuses méthodes de détection des ions métalliques ont été développées.

Les méthodes traditionnelles de détection calculent principalement la concentration d’un atome à partir de l’intensité spectrale qui lui est caractéristique, incluant la spectroscopie d’absorption atomique (AAS), la spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), la spectrométrie de fluorescence X (XRF), l’analyse par activation neutronique (NAA) et la spectrométrie d’émission atomique à plasma induit (ICP-AES) [7]. Ces méthodes permettent des analyses qualitatives et quantitatives précises des ions métalliques avec une grande sensibilité, mais elles sont coûteuses et nécessitent un prétraitement laborieux [8]. Il est donc nécessaire de développer une méthode de détection des ions métalliques à la fois rapide, efficace et économique.

Le projet de thèse (Water-on-chip) vise à relever ces défis en développant une plateforme d’apta-capteur électrochimiques automatisée, rapide et portable, capable de détecter simultanément les ions métalliques (Cd²⁺, Pb²⁺, Co²⁺ et Zn²⁺) dans les eaux contaminées. Cette plateforme repose sur des microélectrodes d’or fonctionnalisées avec des aptamères spécifiques, connectées à un potentiostat commercial directement inséré dans un smartphone et contrôlé via l’application Android PStouch. Une nouvelle stratégie d’immobilisation des aptamères sera utilisée, combinant la photopolymérisation suivie de la chimie click sans cuivre. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) sera employée pour l’analyse des échantillons de salive.

Compétences requises

Le candidat recherché doit posséder une formation solide en sciences et technologies, idéalement en chimie, biochimie, électrochimie, nanotechnologie, microfluidique ou disciplines connexes. Une première expérience expérimentale en électrochimie, en microfabrication, ou dans la conception de capteurs serait un atout. Les compétences suivantes sont particulièrement souhaitées : Maîtrise des techniques d’analyse électrochimique (potentiostat, EIS, voltampérométrie, etc.). Connaissances en chimie des surfaces et fonctionnalisation d’électrodes (aptamères, chimie click, photopolymérisation). Expérience en microfabrication, nanotechnologies ou dispositifs microfluidiques. Capacité à analyser et interpréter des données expérimentales. Autonomie, rigueur scientifique et sens de l’organisation pour gérer un projet de recherche complet. Bonnes compétences en communication scientifique, rédaction d’articles et présentation de résultats. La connaissance des logiciels de traitement de données et d’instrumentation (LabVIEW, Matlab, PStouch ou équivalent) sera un plus. Le candidat doit également être motivé par les enjeux environnementaux et la surveillance de la qualité de l’eau, capable de travailler en équipe et ouvert à des collaborations nationales et internationales.

Bibliographie

[1] Sall, M.L. et al., Toxic Heavy Metals: Impact on the Environment and Human Health, and Treatment with Conducting Organic Polymers, a Review. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 29927-29942.

[2] Karaouzas, I. et al., Heavy Metal Contamination Status in Greek Surface Waters: A Review with Application and Evaluation of Pollution Indices. Chemosphere 2021, 263, 128192.

[3] Saravanan, A. et al., Effective Water/Wastewater Treatment Methodologies for Toxic Pollutants Removal: Processes and Applications towards Sustainable Development. Chemosphere 2021, 280, 130595.

[4] Fakhri, Y. et al., Metal Concentrations in Fillet and Gill of Parrotfish (Scarus Ghobban) from the Persian Gulf and Implications for Human Health. Food Chem. Toxicol. 2018, 118, 348-354.

[5] Aragay, G. et al., Recent Trends in Macro-, Micro-, and Nanomaterial-Based Tools and Strategies for Heavy-Metal Detection. Chem. Rev. 2011, 111, 3433-3458

[6] Al Hamouz, O.C.S. et al., Removal of Lead and Arsenic Ions by a New Series of Aniline Based Polyamines. Process Saf. Environ. Prot. 2017, 106, 180-190.

[7] Malik, L.A. et al., Detection and Removal of Heavy Metal Ions: A Review. Environ. Chem. Lett. 2019, 17, 1495–1521.

[8] Harrington, C.F. et al., Atomic Spectrometry Update. Elemental Speciation. J.Anal. At. Spectrom. 2011, 26, 1561.

Mots clés

Capteurs électrochimiques, Aptamères, Métaux lourds , Eaux contaminées , Plateforme portable , Détection multi-ions