Développement d’Ultra-Micro-Electrodes (UME) dédiées à l’Analyse des MicroPolluants Organiques de l’Environnement et à leurs Résidus Maxime Pontié*, Professeur des Universités 1 mm *maxime.pontie@univ-angers.fr Fibre de carbone (diamètre = 12 mm) Vue au microscope électronique à balayage (SCIAM Angers, 2009) Septembre 2010

Les travaux de recherche se déroulent en France à Angers dans la Région des Pays de la Loire Angers, Maine-et-Loire

Exemple de collaboration dans le domaine de l’analyse électrochimique des pesticides employés par l’industrie du Coton au Burkina Faso La lutte «chimique» engagée est amplement justifiée, car une perte de près de 15% de production est due dans cette industrie aux différents ravageurs. Les organophosphorés constituent 95% des insecticides employés : Méthylparathion, Diméthoate…

Voies de dégradation du méthylparathion en milieu aquatique Insecticide très toxique qui possède une durée de demi vie faible (instable) Le choix de ce métabolite est basé sur le fait qu’il est le principal composé dosé en biochimie dans le sang Voies de dégradation du méthylparathion en milieu aquatique (d’après Bourquin et coll. 1979)

méthyl-parathion para-nitrophénol MPT PNP Les organophosphorés (OPs) : santé et environnement Le méthylparathion (MPT) : un Inhibiteur de cholinestérase, très toxique pour l’homme et son métabolite principal le para-nitrophenol (PNP) : présente des risques de méthémoglobinémie MPT PNP méthyl-parathion HO para-nitrophénol Groupement NITRO : -NO2 MW 263,23 MW 139,11 Solubilité (à 20°C) : 55 mg/L 11,6 g/L log Kow ; > 4 1,91 Koc ; 1500 < 200 Demi-vie : 1-60 jours 1-3 ans Pour l’eau de boisson (eau brute < 2 mg/L) < 60 mg/L tolérés (EPA, US) < 0,1 mg/L par pesticide (en Europe) < 100 mg/L pour MPT (Brésil) Dans les effluents industriels : l’industrie des plastiques 190 mg/L

« Homemade » Ultra-Micro-Electrode Made in Angers « Homemade » Ultra-Micro-Electrode Fil de cuivre 1 mm Capillaire de verre 8 à 10 cm Laque d’argent Colle «Araldite » 5 mm 0,4 mm Fibre de carbone 12 mm de diamètre

Fabrication et contrôle qualité des UME Test oxydation du Fe(CN)6K3 avant nettoyage Fabrication UME Nettoyage électrochimique au H2SO4/EtOH Observation microscopique Étanchéité ? Rinçage au tampon présence de puit Recollage pas de puit Test oxydation du Fe(CN)6K3 après nettoyage État de la fibre? Répétition du nettoyage électrochimique trop courte trop sale Jeter l’UME Efficacité du nettoyage ? Nettoyage pas efficace Égaliser la longueur de la fibre à 0,4 cm Rinçage au tampon Nettoyage efficace Test électrochimique Possibilités de modifier la surface de la fibre de carbone Rinçage au tampon Efficacité du rinçage ? trop de bruit pas de réponse UME prête à l’emploi Jeter l’UME

Electro-activité des OPs sur microélectrode de carbone Réduction irréversible du groupe nitro (detection directe):   R- F- NO + 4 e - + 4 H + R- F - NHOH + H O 2 2 - Du et al., Electrochimica Acta, 2008 Oxydation réversible de l’hydroxylamine (detection indirecte) :    R - F - N HOH R - F - N O + 2 e - + 2 H +  - Liu, Lin, Electrochem Comm 2005, De Souza Talanta 2006, M. Sbaï et al., Sensors &Actuators B 2007, Du et al. Electrochem Comm. 2008 - Ferreira et al., Anal Chim. Acta, 2008, électrolyte : tampon acétate (pH=5,2 ; 0,1M) vitesse de balayage : 100 mV.s-1 [MPT] = 40 mg.L-1 (2,6 10-4 mol.L-1) Détection ampérométrique basée sur le pic anodique (détection indirecte) 

Techniques électrochimiques impulsionnelles DI S. Trévin and F. Bedioui, Biosensors & Bioelectronics, 13 (1998) 227

Détection du MPT et du PNP par voltammétrie à ondes carrées (VOC) Fréquence E initial Hauteur de pulse Incrément t  Au potentiel d’oxydation de R-NHOH (≈ 0V(ECS) : S S (adsorption et détection anodique) M e O P N HO OH M e O P N O - 2 e - - 2 H + O M e O M e -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 D I / m A E / V(ECS) C M. Sbaï et al., Sensors and Actuators B, 124 (2007) 368-375 Ip MPT à 10 ppm, (pH=5 tampon acétate, Force ionique 0,1 mol/L)

Optimisation des paramètres de la VOC Tampon acétate, pH = 5,2 ; 0,1M [MPT] = 50mg.L-1 E 60 Hz -1,1V/(ECS) Fréquence E initial Hauteur de pulse Incrément 10 mV 60 mV t Récapitulatif : -1,1 V/ECS 60 Hz; 10 mV; 60 mV

Modification de l’Ultra-Micro-Electrode par un film de phtalocyanine de nickel électroformé  Catalyseur redox : (NiIiI/NiII) Formation de ponts oxo : -Ni-O-Ni - G ≈ 4 10-9 mol.cm-2 50 cycles à 0,1 V.s-1 NaOH 0,1 M Epaisseur du film ≈ 60 nm M. Pontié et al. Sensors and Actuators B 56 (1999) 1. A. Goux et al. Electroanalysis 15 (2003) 969

Rôle du film de p-NiTSPc sur la sensibilité de l’électrode au MPT  Au potentiel d’oxydation de R-NOH (≈ 0V(ECS) : S S (détection anodique indirecte) M e O P N HO H M e O P N O + 2 e - + 2 H + O M e O M e UME Sensibilité* (mA.L.mg-1) Ep (mV(ECS)) LD (mg.L-1) C 70 80 1,0 C/ p-NiTSPc 100 0,1 * Gamme : 10 mg/L – 10 mg/L Mesures optimales à pH ≈ 5 (DEp=30 mV) M. Sbaï et al., Sensors and Actuators B, 124 (2007) 368-375

Effet du film de p-NiTSPc sur la rugosité de surface de l’électrode Le microscope à force atomique utilisé est un Thermomicroscope autoprobe CP-research (Veeco, Dourdan, France). Tous les échantillons ont été analysés en mode contact avec des leviers ULCT-AUMT-AB (pointe en nitrure de silicium), une vitesse de balayage de 1 Hz et une force d’appuie de 10 nN. Fenêtre d’analyse de 2x2 mm2; échantillons secs. C CFME type C (unmodified) C/ p-NiTSPc(50) Ra (nm) (±5) 81 47 C/ p-NiTSPc Intérêt de diminuer la rugosité pour limiter l’adhérence de matières encrassantes

Amélioration de la sensibilité aux PNP et MPT en présence de p-NiTsPc (/ECS) Amélioration de la résolution et gain d’intensité (effet électro-catalytique)

Modification de l’Ultra-Micro-Electrode de carbone par une membrane de para-phénylène diamine (PPD) électroformée  Élaboration d’un film barrière PPD B. Fays, et al., J. Mol. Structure (Theochem) 638 (2003) 177

Evolution de la rugosité de surface de l’électrode p-NiTSPc/p-PPD C/p-NiTSPc C/p-NiTSPc/p-PPD CFME type C (unmodified) C/p-NiTSPc50 C/p-NiTSPc50/p-PPD20 Ra (nm) (±5) 81 47 52

I. Tapsoba et al., Electroanalysis, 21 (10), 1167-1176 Amélioration de la sélectivité entre PNP et MPT en présence du film barrière 1,00E-07 3,00E-07 5,00E-07 -0,5 -0,3 -0,1 0,1 0,3 0,5 Potential/ECS (V) Current (A) C/p-NiTSPc50 C/p-NiTSPc50/pPDA20 I. Tapsoba et al., Electroanalysis, 21 (10), 1167-1176

Dispositif « Portable » « mobile » M. PONTIE, Brevet Français n°10/02386, (2010) intitulé : Nouvelles ultramicroélectrodes à fibre de carbone, leur procédé de préparation et leur application à la détection de pesticides, notamment organophosphorés et leurs résidus

Analyseur en ligne e- Mélange de Composés à analyser Détection des composés par un capteur électrochimique Traitement de l ’échantillon Reconnaissance Capteur e- T 6: Sur cette diapositif je présente la procédure d’analyse d’un échantillon contenant un mélange de composés et qui consiste à traiter dans un premier temps la solution afin de la préparer à l’étape de détection des composés électroactifs présents. Cette détection s ’effectue via un capteur électrochimique (UME) sensible aux réactions d’oxydo-réduction. En fin, le signal mesuré est analysé par un système informatique. Échantillon à analyser Signal électrique exploitable Quantification

ANNEXES

Nettoyage périodique de l’UME avec H2SO4/EtOH en présence de MPT Bonne efficacité du nettoyage électrochimique pour palier aux phénomènes de passivation I. Tapsoba et al., Electroanalysis, 21 (10), 1167-1176