Thèse de doctorat en physico-chimie, science des matériaux (h/f)

Capteur optique pour la détection et l'immobilisation des pesticides organophosphorés


Contexte de travail

Le travail sera pour moitié effectué à l'Institut de Physique de Nice (INPHYNI, Université Côte d'Azur, CNRS UMR 7010, 17 rue Julien Lauprêtre, 06200 Nice), dans l'équipe "Magnetorhéologie et nanomatériaux". Cet institut Niçois compte 175 chercheurs, enseignants- chercheurs, ingénieurs, techniciens et doctorants dont l'activité est organisée en 3 axes et 11 équipes de recherche en photonique, ondes et physique quantique, ainsi qu'en physique non linéaire, fluides complexes et biophysique.
Description du projet de doctorat

Les composés organophosphorés (OP) sont une classe de substances chimiques contenant des atomes de phosphore liés à des groupes organiques et à l’oxygène. Ces composés sont largement utilisés en agriculture comme pesticides, ainsi que dans des applications industrielles, notamment comme retardateurs de flamme, plastifiants et lubrifiants. Hautement toxiques, ils peuvent provoquer une neurotoxicité en inhibant l’activité de l’enzyme acétylcholinestérase. De plus, les OP sont persistants dans l’environnement, contaminant souvent le sol, l’eau et l’air, ce qui peut entraîner des dommages écologiques à long terme.

Traditionnellement, l’analyse des composés OP repose sur des techniques chromatographiques complexes, coûteuses et longues (HPLC, GC), nécessitant l’envoi d’échantillons à un laboratoire spécialisé, ce qui pose des problèmes de conservation et de préservation des échantillons et empêche toute mesure in situ. Pour pallier cette limitation, le développement de méthodes de détection suscite un vif intérêt, notamment pour la conception de dispositifs portables et à faible coût permettant une détection rapide et sur site des composés OP. Parmi ces méthodes, l’utilisation d’enzymes (acétylcholinestérase, phosphatase alcaline, hydrolase des organophosphorés, etc.) comme capteurs pour la détection des pesticides a été largement étudiée. Cependant, ces approches ne peuvent pas remplacer les analyses chromatographiques en raison de leur sensibilité et sélectivité limitées. De plus, l’efficacité des capteurs enzymatiques est influencée par le pH, la température et l’humidité, ce qui les rend inadaptés à certaines applications.

Les capteurs électrochimiques non enzymatiques suscitent un intérêt croissant en raison de leur faible coût, de la rapidité d’analyse et de leurs limites de détection très basses. La sensibilité de ces capteurs dépend principalement des propriétés conductrices du matériau utilisé. Parmi ces matériaux, le graphène, les nanotubes de carbone, les nanoparticules métalliques et d’oxydes métalliques, les nanopolymères, les structures organométalliques (MOF) et les polymères à empreinte métallique (MIP) ont été étudiés, mais des améliorations restent nécessaires, notamment pour optimiser la sensibilité, la sélectivité et la stabilité des performances électrochimiques .

Les signaux optiques issus des nanomatériaux ont également été explorés comme une alternative puissante pour la détection des OP. La biosurveillance optique basée sur les enzymes repose sur la mesure du signal optique d’un substrat (nanomatériau) en présence et en absence d’OP. En l’absence d’OP, le substrat se dégrade par hydrolyse et génère une réponse optique. En présence d’OP, l’activité enzymatique est inhibée, empêchant ainsi l’hydrolyse du substrat et produisant une réponse optique opposée. Selon le substrat utilisé, différentes techniques peuvent être exploitées : photoluminescence, fluorescence, chimiluminescence, électrochimiluminescence ou colorimétrie .

L’objectif de cette thèse est de développer une sonde optique pour la détection rapide des OP avec une sensibilité au moins comparable aux méthodes actuelles, souvent longues et contraignantes. Il est prévu de concevoir un détecteur optique basé sur une fibre optique co-fonctionnalisée avec des structures organométalliques (MOFs) en tant qu’absorbeurs et/ou des nanoparticules d’or, d’argent ou d’autres métaux pour l’amplification du signal Raman plasmonique. L’utilisation de méthodes colorimétriques dans la gamme de spectroscopie UV-Vis est également envisagée. Un autre objectif est de comprendre la nature des interactions entre certaines molécules OP et les substrats de type MOF, les nanoparticules métalliques et/ou la fibre optique.
Plan du projet :

Sélection des composés OP et des matériaux de type MOF

Synthèse des MOF avec et sans nanoparticules métalliques, puis imprégnation avec des OP

Détermination des propriétés physico-chimiques pour choisir la méthode de détection

Étude des interactions entre les OP testés et les substrats

Mesure, analyse et évaluation des performances des capteurs fabriqués

Méthodes expérimentales envisagées :

Diffraction des rayons X (XRD)

Spectroscopie IR/Raman

Spectroscopie électronique (absorption, émission)

Chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS)

Techniques microscopiques (SEM)

Analyse élémentaire

Potentiel zêta

Résonance magnétique nucléaire du phosphore 31 (RMN ³¹P)

Analyse de la surface spécifique (BET)

Ce projet vise à proposer une alternative innovante et performante pour la détection rapide et fiable des pesticides organophosphorés, en intégrant des technologies avancées de capteurs optiques et nanomatériaux.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.


Contraintes et risques

Dans le cadre d’un contrat financé par Horizon Europe dans le cadre des appels Doctoral Networks des actions Marie Sklodowska-Curie, le doctorant sera encadré par deux tuteurs académiques de deux universités différentes et par un mentor, un partenaire industriel. Pour cette offre de thèse, d'une durée de 4 ans, le doctorant effectuera pour moitié son travail de thèse à l'Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, en Pologne sous la supervision Dr Maciej Ptak. Le mentor industriel est KLEARIA (France), le doctorant sera amené à travailler auprès de cet industriel. Deux séjours de 1 mois sont également prévus au cours de la thèse, le premier à l'Université de Tampere (Finlande) et le second à l'Université de Nazarbayev (Kazakhstan).