Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS

Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex

France

llb-sec@cea.fr

28 novembre 2011
Capteurs ultrasensibles de métaux lourds à base de membranes polymères irradiées
Haad Bessbousse, Marie-Claude Clochard et Travis L. Wade (IRAMIS/LSI) logo_tutelle logo_tutelle logo_tutelle 

Traces latentes d'ions lourds révélées.

Les métaux lourds sont des éléments toxiques et des normes de concentration de plus en plus exigeantes sont imposées pour la qualité de l'eau, qui demandent le développement de nouvelles techniques d'analyses performantes. Des capteurs voltamétriques originaux réalisés par une collaboration de chercheurs du LSI, du CIMAP et du LLB, sont constitués d'une électrode sous la forme d'une membrane rendue poreuse par irradiation d'ions lourds, qui permet une concentration des polluants et améliore la sensibilité du détecteur.

 

Capteur connecté, prêt à l'emploi. Le rond gris est la membrane en PVDF fonctionnalisée par irradiation d'ions lourds, dorée et connectée.

Les métaux lourds (par exemple le plomb) sont des polluants nocifs pour la santé. La mise en place de normes de plus en plus basses de concentration maximales de ces métaux lourds dans l’eau, demande de savoir mesurer de très faibles traces, inférieures aux normes que l'on souhaite imposer. Il faut ainsi développer des systèmes d'analyses très sensibles à bas coût, rapides et faciles à mettre en œuvre.

Une méthode pour mesurer ces faibles concentrations est d'utiliser la voltammètrie, méthode électrochimique d'analyse quantitative, où la variation de courant mesurée lors d'un changement de potentiel ente deux électrodes plongées dans une solution est fonction des concentrations des composés présents. La sensibilité de la méthode est toutefois relativement limitée, et une pré-concentration de la solution est indispensable pour atteindre les seuils souhaités.

Par une voie technologique originale, nous avons développé en collaboration avec le CIMAP à Caen, de nouveaux capteurs écologiques de très haute sensibilité pour réaliser des mesures rapides (de l'ordre de l'heure) et sur site. Ces capteurs sont élaborés à partir de membranes nanoporeuses de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF). Dans les pores, un effet d'extraction des composés de la solution à contrôler a été mis en évidence qui permettra d'atteindre les hautes sensibilités requises. La porosité de la membrane est réalisée par la technique d'attaque de traces latentes laissées dans le polymère au cours d'une irradiation au GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) par des ions de Krypton (78Kr31+) d'énergie 10 MeV/uma. Le film de PVDF est ensuite transformé par une attaque chimique, révélant les traces latentes du passage des ions, en membrane nanoporeuse.

Après l’attaque chimique, les cristallites de PVDF contiennent toujours des radicaux piégés, initialement produits lors du bombardement ionique, qui sont capables d’initier une polymérisation en présence de monomères vinyliques. Les pores sont ainsi fonctionnalisés par radio-greffage du poly(acide acrylique) (PAA). Enfin, pour convertir la membrane en électrode voltammétrique , un film mince d'or est évaporé sur chaque face de la membrane fonctionnalisée.

 

Analyse voltammétrique d'une solution ionique, après "sorption" pendant 2 h dans 50 cm3 d’une solution multi-ions avec une concentration de 25 µg/l. La mesure est faite en 4 minutes, après 200 s de pré-concentration à -1.0 V, avec une électrode nanoporeuse réalisée selon le procédé décrit. Le pic associé à l'or correspond à une oxydation de la surface de l'électrode de travail.

L'ensemble constitue un capteur original qui peut être utilisé pour identifier et quantifier le type d’ions adsorbés dans les pores par une analyse potentiométrique. La membrane, qui joue le rôle d'électrode de travail, est tout d'abord plongée pendant 60 à 120 minutes dans la solution à tester. Cette étape dite de "sorption" permet de piéger les ions lourds dans les pores par simple complexation électrostatique. On impose ensuite entre les deux faces dorées du capteur un potentiel négatif de -1,0 V afin de faire migrer les ions des pores jusqu’à la surface de la membrane, où ils sont électrodéposés. La membrane est ensuite utilisée comme électrode de travail, pour la mesure voltammétrique. La dernière étape consiste à balayer le potentiel sur l’intervalle désiré (typiquement -1 V - +1 V), permettant la détection des espèces recherchées [1] (le signal mesurté est lié à la redissolution des ions). L'objectif est atteint puisque capteur réalisé montre une sensibilité ultime de 0,3 µg/l pour le plomb, pour une norme de concentration maximale pour l’eau potable de 7 µg/l.

Référence :

"Functionalized nanoporous track-etched β-PVDF membrane electrodes for lead(II) determination by square wave anodic stripping voltammetry",
H. Bessbousse1, I. Nandhakumar2, M. Decker1, M. Barsbay3, O. Cuscito1, D. Lairez4, M.-C. Clochard1 and T. L. Wade1, Anal. Methods, 2011, 3, 1351-1359   (Version PDF de l'article ).

1IRAMIS/LSI,  Laboratoire des Solides Irradiés, CEA-CNRS-École Polytechnique, Palaiseau (FRANCE),
2School of Chemistry, University of Southampton, University Road, Southampton, S017 1BJ, UK,
3Hacettepe University, Department of Chemistry, Polymer Chemistry, Division, 06800 Beytepe, Ankara, Turkey,
4LLB, CEA-CNRS UMR 12 , CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex (FRANCE).


Contacts LSI : Haad Bessbousse, Marie-Claude Clochard et Travis L. Wade.

 

Maj : 30/11/2011 (1873)

 

Retour en haut