Nanobiosensors for micropollutant detection

La surveillance des polluants environnementaux nécessite des approches complémentaires aux méthodes physico-chimiques actuels pour pallier le manque de données sur la contamination des cours d'eau et évaluer les risques pour la santé publique et la sécurité environnementale. Les biocapteurs peuvent constituer une solution pertinente car ils sont dotés d’excellentes performances analytiques. C’est dans ce contexte, que s’inscrivent les travaux de cette thèse.L’objectif de ce travail consiste en la mise au point de biocapteurs électrochimiques de micropolluants organiques et de métaux lourds. Au cours de cette étude nous avons porté un intérêt particulier à la détection de deux micropolluants de nature chimique différente ; l’ampicilline qui est un antibiotique à large spectre, et le plomb. Pour ce faire, diverses stratégies pour élaborer ces biocapteurs ont été adoptées tenant compte d’une part le transducteur et d’autre part les biorécepteurs. Ainsi, pour le transducteur, des électrodes imprimées ont été modifiées par des nanocomposites formés de nanoparticules de polymères organiques conducteurs : le polypyrrole et de nanomatériaux inorganiques semi-conducteurs de type 2D : les nanofeuilles MoS2. Le but est de démontrer l’effet synergétique de leurs propriétés respectives sur les performances analytiques du biocapteur.Selon l’applications envisagées, différents biorécepteurs oligonucléotidiques ont été utilisés. Nous avons ainsi développé trois types de biocapteurs. Les premiers sont des biocapteurs à base d’aptamère qui est capable de se lier spécifiquement à l’ampicilline. Le deuxième est un capteur à base de l’ADNzyme qui s’hydrolyse en présence de l’ion plomb (II). Le dernier biocapteur est formé avec un nouveau système biologique proposé au cours de ce travail, ce dernier se base sur la combinaison de l’aptamère avec un ADNzyme pour former un aptazyme en vue de réaliser la détection simultanée des deux micropolluants. Des approches pour obtenir une détection ampérométrique ont été également étudiées en jouant sur le choix de la sonde redox et la stratégie de son introduction dans le système de détection. Selon leur mode de fonctionnement, différentes sondes redox ont été synthétisées permettant le suivi de la bioreconnaissance. Les résultats obtenus montrent le potentiel remarquable des nanomatériaux hybrides organique/inorganique pour la réalisation des systèmes de détection électrochimique sensibles, sélectives et stables. Par ailleurs ces travaux ouvrent la voie à plusieurs perspectives vers l’intégration dans des dispositifs fluidiques en vue de les utiliser comme station de contrôle de contaminants métalliques dans les effluents ainsi que la construction de portes logiques.The monitoring of environmental pollutants requires complementary approaches to current physico-chemical methods to address the lack of data on water contamination and to assess risks to public health and environmental safety. Biosensors can be a relevant solution as they have excellent analytical performances.The aim of this thesis is based on the development of electrochemical biosensors for organic micropollutants and heavy metals detection. We have shown a particular interest in the detection of two micropollutants with different chemical structure; ampicillin which is a broad-spectrum antibiotic, and lead. For this purpose, various strategies were adopted for the design of biosensors taking into consideration the choice of both the transducer and the bioreceptors. Thus, for the transducer, screen-printed carbon electrodes have been modified by nanocomposites made of nanoparticles of conductive organic polymers: polypyrrole and 2D semiconducting inorganic nanomaterials: MoS2 nanosheets. This study demonstrates the synergistic effect resulting from the use of nanocomposites, on the biosensor’s analytical performances.Different oligonucleotide bioreceptors have been used in this work. We have thus developed three types of biosensors. The first is an aptamer-based biosensor that is capable to bind specifically the ampicillin. The second is a DNAzyme based sensor that is cleaved in the presence of lead (II). The last biosensor is formed with a new biological system, proposed in this work, which is based on the combination of an aptamer with a DNAzyme to form an aptazyme in order to perform the simultaneous detection of both micropollutants. According to the bioreceptor behavior, different redox probes have been synthesized allowing the monitoring of the biorecognition. The results obtained show the remarkable potential of organic/inorganic hybrid nanomaterials for the conception of sensitive, selective, and stable electrochemical detection systems. Moreover, this work paved the path to several perspectives with their integration in microfluidic devices in order to use them as a control station for metallic contaminants wastewater as well as the construction of logic gates