Le glyphosate, classé comme cancérigène probable pour l’Homme, est l’herbicide le plus largement utilisé en agriculture dans le monde aujourd’hui. Comme tous les pesticides, la concentration en glyphosate est strictement réglementée dans les eaux potables : la limite autorisée est de 0,1 µg/L (0,6 nM) en Europe et de 700 µg/L (4142 nM) aux États-Unis. En raison de ses propriétés physico-chimiques, la détection du glyphosate passe tout d’abord par des prélèvements suivis d’une analyse au laboratoire. Cette analyse prend du temps, nécessite des personnes qualifiées, ce qui engendre des coûts importants. Pour cette raison, il est particulièrement intéressant de développer une technologie basée sur des capteurs physico-chimiques comme technique analytique alternative pour la surveillance in-situ du glyphosate dans l’eau.
L’objectif principal de la thèse est de développer un capteur chimique et optique pour détecter cet herbicide. Différents types de couches de détection à base de chitosane ont été étudiés au moyen de la technologie de résonance plasmonique de surface (SPR).
Dans une première approche, des films minces de chitosane (CS) et de nanocomposites, comme les systèmes chitosane/oxyde de zinc (CS/ZnO) et chitosane/oxyde de graphène (CS/GO) sur un couche d’or comme matériau plasmonique du transducteur du capteur, ont été préparés en utilisant un procédé de revêtement par enduction centrifuge. Les couches minces ont été caractérisées par spectroscopie infrarouge à transformées de Fourier (FTIR), microscopie à force atomique (AFM), et mesure d’angle de contact. Les performances de détection du glyphosate ont été étudiées pour plusieurs conditions de préparation (réticulation, propriétés de la phase mobile) par des mesures SPR. Les résultats ont montré que la couche mince de composite CS/ZnO offrait la plus grande sensibilité pour la détection du glyphosate dans la gamme de 0,03 à 0,60 µM et avec une limite de détection de 0,008 µM. De plus, la sélectivité de la sorption du métabolite du glyphosate (acide aminométhylphosphonique, AMPA), du glufosinate ainsi que de l’acide 3-(méthylphosphinico) propionique (MPPA) a été étudiée.
Dans une seconde étape, la technique d’impression moléculaire a été utilisée pour améliorer la sensibilité et la sélectivité de la couche de chitosane en présence de glyphosate comme molécule matrice. Les conditions physico-chimiques de la préparation du capteur, c’est-à-dire la réticulation, l’extraction de la matrice, le pH et la concentration en sel, ont été optimisées. La morphologie des films a été étudiée et caractérisée par les mêmes méthodes que lors de la première approche. Pour des conditions expérimentales optimales, le capteur montre une réponse linéaire en fonction de la concentration en glyphosate (0,003-0,295 µM). Les limites de détection et de quantification ont été estimées à 0,001 µM et 0,003 µM, respectivement. La sélectivité a été évaluée avec des polymères non imprimés SPR et d’autres composés. À la même concentration, la réponse du capteur au glyphosate était 1,5 fois plus élevée que celle du MPPA, ce capteur ne preséntant aucune sensibilité vis-à-vis du l’AMPA et du glufosinate.
En conclusion, les études menées avec les deux types de couche sensible pour la détection du glyphosate par la méthode SPR ont montré que l’introduction de la technique d’impression moléculaire augmentait la sensibilité et la sélectivité, ce qui devrait permettre de développer un futur capteur pour détecter cet herbicide dans l’eau. |
Glyphosate, classified as probably carcinogenic to humans, has being the world's most widely applied herbicide in agriculture. Therefore, glyphosate concentration is strictly regulated in drinking water: the permissible limit is 0.1 µg/L (0.6 nM) in Europe and 700 µg/L (4142 nM) in USA. Due to its physical-chemical properties, the detection of glyphosate at a laboratory scale is rather costly, time-consuming, and requires highly skillful persons. Consequently, the sensor technology has been proposed as an alternative analytical technique for glyphosate in-situ monitoring in water.
The main objective of the thesis was to develop an optical chemical sensor for glyphosate detection. Different kinds of sensing layers based on chitosan were studied by means of surface plasmon resonance (SPR) technology.
In a first approach, thin films of chitosan (CS) and its nanocomposites as chitosan/zinc oxide (CS/ZnO) and chitosan/graphene oxide (CS/GO) on the Au-layer as plasmonic material of the sensor transducer were prepared using a spin coating method. The thin films were characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), atomic force microscopy (AFM), and contact angle measurement. The performances toward glyphosate sensing were studied in several conditions (crosslinking, mobile phase properties) by SPR measurement. Results showed that the thin-film of CS/ZnO composite provided the highest sensitivity for glyphosate sensing in the range of 0.03-0.60 µM and the detection limit of 0.008 µM. Furthermore, selectivity was investigated towards the sorption of glyphosate metabolite (aminomethylphosphonic acid, AMPA), glufosinate, and 3-(methylphosphinico) propionic acid (MPPA).
In a second step, the molecular imprinting technique was used to improve sensitivity and selectivity of the chitosan layer in the presence of glyphosate as the template molecule. The physical-chemical conditions of sensor preparation, i.e. cross-linking, template extraction, pH and salt concentration, were optimized. Morphology of the films was investigated and characterized as during the first approach. For the optimal experimental conditions, the sensor showed a good linear response vs. glyphosate concentration (0.003-0.0295 µM). The limit of detection and limit of quantitation values were estimated to be 0.001 µM and 0.003 µM, respectively. The selectivity was evaluated with non-imprinted polymers SPR and other compounds. At the same concentration, the sensor response of glyphosate was higher 1.5 times than the one of MPPA, while the sensor was not sensitive to AMPA and glufosinate.
In conclusion, the confrontation of the two types of sensitive layer for the detection of glyphosate by using the SPR method showed that the introduction of molecularly imprinting technique increased the sensitivity and selectivity, which should make it possible to develop a future sensor for the detection of this herbicide in water. |