Capteurs SERS universels pour le suivi à haut débit des eaux douces – UnivSERS

Les installations humaines, les activités industrielles et les exploitations agricoles contaminent continuellement les ressources aquatiques avec métaux lourds, composés organiques de synthèse et micro-organismes pathogènes. Dans les pays émergents, 80% des eaux usées et environ 300 à 400 millions de tonnes de déchets industriels par an sont directement déversés dans les eaux de surface. Les conséquences de la pollution aquatique sont dramatiques. En Europe, zone qui bénéficie de stations d’épuration et de systèmes d’assainissement des eaux, plus de 40% des espèces de poissons d’eau douce sont en danger d’extinction imminente. Du fait de consommation d’eau non potable, chaque année 1.8 millions de personnes meurent de maladies diarrhéiques, ce qui en fait la première cause de mortalité infantile à travers le monde, loin devant la malaria et le sida.
Pourtant à ce jour, nous ne disposons pas d’estimations fiables des flux de contaminants aquatiques à l’échelle mondiale, ce qui signifie que nous n’avons pas d’estimation des risques et dangers liés à ces contaminations. En effet, la complexité et l’hétérogénéité des matrices aquatiques, la diversité des contaminants et le gigantisme de la tâche de surveillance (à la fois géographiquement et temporellement) soulèvent des défis métrologiques colossaux, tout particulièrement dans les pays aux ressources technologiques modestes.
Les méthodes actuelles de quantification des contaminants en environnements aquatiques sont trop coûteuses, trop fastidieuses et présentent des débits de mesures trop faibles pour fournir des données à échelle globale, avec une résolution temporelle pertinente pour les actions de santé publique ou l’étude des processus écologiques et géochimiques. Dans ce contexte, les plus grandes agences de développement international (Nations Unies, OMS) ont appelé au développement d’outil de surveillance de la qualité de l’eau plus performants, plus accessibles et délivrant de plus gros volumes de données.
Ce projet vise à adresser ce besoin en développant des capteurs de terrain basés sur la diffusion Raman exaltée de surface, ou effet SERS. La spectroscopie SERS présente usuellement de très hautes sensibilités, compatibles avec la détection de traces dans les milieux aquatiques. La très haute spécificité de ses signaux la rend particulièrement adaptée à l’analyse de mélanges complexes. Les mesures SERS peuvent être menées à l’aide de spectromètres portables coûtant moins qu’une petite voiture et peuvent être automatisées dans des dispositifs fluidiques. Enfin, l’effet SERS étant universel, elle s’adapte à priori à tout contaminant. Nous démontrerons l’universalité de notre approche en nous focalisant sur trois contaminants typiques : un ion métallique lourd, un pesticide et une bactérie pathogène.
Nos capteurs combineront des méthodes et des concepts de synthèse de nanomatériaux, de reconnaissance moléculaire, de traitement statistique des données et de microfluidique à la pointe pour s’assurer des caractéristiques essentielles pour la délivrance de données massives : (i) ils fonctionneront directement sur le terrain et sur des échantillons d’eau bruts ; (ii) ils seront faciles à utiliser, soit manuellement, soit dans un dispositif fluidique automatisé ; (iii) ils utiliseront des matériaux abondamment disponibles et des instruments à coûts modérés pour permettre un déploiement sur le terrain à grande échelle. De par ces propriétés, nos capteurs constitueront de véritables outils opérationnels capables de générer les très grands volumes de données sur la qualité de l’eau qui font tant défaut à ce jour.