Dispositif analytique innovant imprimé en 3D pour l'analyse des métaux lourds avec détection par smartphone – SMART-3D

La contamination des environnements aquatiques par les métaux lourds est un problème majeur dans la communauté scientifique et pour des problèmes sociétaux. Parmi ces métaux lourds, le plomb, le cadmium et le mercure ont reçu le plus d’attention à cause de leur toxicité. Les organismes de régulation ont strictement défini les concentrations limites de ces trois métaux lourds dans différents types d’eau, notamment les eaux potables et les eaux de surface. Les dispositifs portables et mobiles seraient donc des outils précieux pour l’analyse sur site de ces métaux, permettant une évaluation rapide de la contamination d’une eau.
L’objectif du projet proposé est de développer un dispositif analytique pour le plomb, le cadmium et le mercure (concentrations des ions libres et complexés à la matière organique), qui sera développé comme outil potentiellement portable et adapté à des applications sur site (développement jusqu’au TRL 4, validation en laboratoire). Une sélectivité et une sensibilité élevées seront requises pour permettre l’analyse des échantillons visés avec des limites de quantification inférieures à 1 µg L-1 et de faibles interférences (<5%) des autres cations et des composés naturels. Plusieurs innovations vont permettre d’atteindre les caractéristiques désirées :
La sélectivité et la sensibilité proviendront principalement du développement de fluoroionophores portant des groupes donneurs d’électrons spécifiques pour fournir une excellente affinité pour les métaux lourds. La synthèse de trois fluoroionophores sélectifs (un pour chaque métal) basés sur la même partie fluorogénique (afin d’avoir un système de détection optique commun aux trois métaux) sera le principal challenge de cette partie du travail.
Les sondes fluorescentes seront greffées sur une unité microfluidique imprimée en 3D, qui sera utilisée comme module de préconcentration afin d’améliorer la sensibilité de la détection fluorescente conventionnelle en phase liquide. L’obstacle scientifique actuel pour la lecture directe de fluorescence sur une surface solide imprimée en 3D réside dans la fluorescence très élevée des résines d’impression 3D commerciales, due à la composition de la résine. La formulation de résines photosensibles avec une faible fluorescence et un potentiel pour le greffage de capteurs moléculaires sera nécessaire, afin d’imprimer ensuite des unités de préconcentration avec des propriétés de fluorescence adéquates (après greffage des sondes).
La détection et la quantification de la fluorescence générée par la présence des cations métalliques sera ensuite effectuée grâce aux capteurs inclus dans les smartphones. Les smartphones sont en effet portable, facilement accessibles, abordables, faciles d’utilisation, et donc bien adaptés pour servir de plateforme pour la détection sur site. Le dispositif optique visé utilisera la caméra d’un smartphone pour la mesure de la lumière, ainsi qu’une application dédiée et spécialement développé pour la quantification.
Finalement, la détermination sur site des concentrations globales des métaux (comprenant les ions complexés à la matière organique) sera effectuée par le développement d’un module micro fluidique de photo-oxydation portable, qui sera utilisé pour prétraiter l’échantillon avant analyse avec le dispositif décrit précédemment. Le challenge scientifique de cette tâche sera de développer un module portable avec une alimentation basse tension (12-24V) mais suffisamment puissant pour casser la matière organique en un temps raisonnable.
Le produit final comprendra les modules de préconcentration imprimés en 3D et greffés avec les sondes fluorescentes, le système optique pour la détection par smartphone, le module de photo-oxydation portable et un ensemble de pompes péristaltiques miniatures (pour la propulsion des fluides) contrôlés par une interface électronique portable. Tous ces composants seront intégrés ensemble pour fournir un prototype de laboratoire qui sera validé sur échantillons réels.