Multidisciplinary approach to heavy metal ion sensing in aquatic environments

La gestion de l’eau douce est un problème majeur partout dans le monde. Les activités anthropiques liées à l’industrie, à l’agriculture et à l’implantation humaine sont les principales sources de pollutions de l’eau. Afin mettre en place des politique de prévention de la pollution, de réhabilitation des environnements aquatiques ou de recyclage des eaux usées, il est nécessaire d’acquérir des données massives sur la qualité de l’eau. Or, les méthodes actuelles de suivi des contaminants présentent des coûts élevés et de faibles débits de mesure du fait de leur incompatibilité avec un déploiement sur le terrain. Ces deux freins majeurs ne permettent pas de suivre les concentrations en polluant et notamment en métaux lourds dans les milieux aquatiques à des échelles spatiales et temporelles pertinentes. Plusieurs organisations internationales, dont l’ONU, ont de ce fait recommandé le développement de nouvelles méthodes analytiques plus performantes. Nous proposons ici une technique de mesure des contaminants métalliques lourds basée sur la diffusion Raman exaltée de surface (SERS). Le SERS présente de nombreux avantages pour l’analyse environnementale dont la sensibilité, la spécificité,la rapidité de mesure, l’adaptabilité aux matrices complexes ainsi que le coût modéré d’un instrument portable. Nous détaillerons donc la construction de la sonde SERS dédiée à la quantification de l’ion métallique lourd cible Zn2+, ainsi que les traitements de données nécessaire à l’établissement d’une quantification. Puis, nous examinerons la robustesse de la méthode de quantification vis-à-vis des sources de variabilités qui seront inévitablement rencontrées dans les eaux naturelles.Freshwater management is a major problem all over the world. Anthropogenic activities related to industry, agriculture and human settlements are the main sources of water pollution. In order to makes policies for pollution prevention, rehabilitation of aquatic environments or waste water recycling, it is necessary to acquire massive data on water quality. Current contaminant monitoring methods have high costs and low frequency of measurement due to the incompatibility with field deployment. These two major brakes do not make it possible to monitor pollutant and especially heavy metal concentrations in aquatic environments at relevant spatial and temporal scales. Several international organizations, including the United Nations, have therefore recommended the development of new and better analytical methods.We propose here a technique for measuring heavy metal contaminants based on Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), which would allow a large scale deployment in the field.SERS has many advantages for environmental analysis including sensitivity, specificity, speed of measurement, adaptability to complex matrix and the moderate cost of portable instrument. We will therefore detail the construction of the SERS probe dedicated to the quantification of the target heavy metal ion Zn2+, which is a geochemical marker of anthropogenic contamination, as well as the data processing necessary for the establishment of quantification. Then, we will examine the robustness of the method of quantification with respect to the sources of variability that will inevitably be encountered in natural waters, when used directly in the fiel