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Capteurs chimiques de polluants atmosphériques

Les impacts de la pollution atmosphérique sur l’environnement et sur la santé et en particulier les risques d’exposition à long terme à de faibles teneurs de polluants sont loin d’être connus et compris. Pour une meilleure compréhension de ces effets, il est nécessaire de corréler des études épidémiologiques aux mesures d’exposition individuelle et à celles des teneurs des divers polluants dans l’atmosphère et dans les habitats ou lieux de travail. Or, mesurer des concentrations de l’ordre du ppb pour les polluants les plus toxiques tels que le benzène, le dioxyde d’azote, l’ozone, le monoxyde de carbone, le formaldéhyde etc. par d’autres méthodes que la chromatographie en phase gazeuse demeure une gageure. C’est un défi que nous cherchons à relever avec les capteurs chimiques pour répondre à la demande croissante d’une métrologie rapide des polluants à coût modique et à maintenance réduite.

Pour atteindre ces objectifs, nous utilisons le procédé Sol-Gel pour élaborer des matériaux nanoporeuxà taille de pores modulable pour le piégeage des polluants. La sélectivité est obtenue en dopant ces matériaux de molécules-sonde capables de réagir de manière sélective avec le polluant-cible. Pour obtenir un temps de réponse rapide, nous utilisons des méthodes optiques d’analyse.

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Principe d’un capteur chimique

Le principe de fonctionnement d’un capteur chimique couplé à un transducteur optique (thermique ou acoustique) est schématisé ci-dessous. La couche sensible, partie essentielle du capteur, est un matériau qui peut être de nature organique, inorganique ou hybride organique-inorganique. Elle présente intrinsèquement ou par l’incorporation de molécules-sonde des propriétés physico-chimiques particulières (conductivité, absorbance, fluorescence…) qui sont modifiées lorsqu’elle est en présence de l’espèce à détecter. Ce système de reconnaissance moléculaire est en général basé sur une interaction ou une réaction spécifique entre l’analyte à détecter et le matériau sensible. Cette interaction est ensuite traduite par l’intermédiaire d’un transducteur en un signal physique mesurable (optique, électrique, piézoélectrique…) proportionnel à la concentration des espèces à détecter.

 
Quel capteur chimique ?
Caractéristiques recherchées

Quel capteur chimique ?
Caractéristiques recherchées

Quelle couche active ?



La couche active est un polymère inorganique ou hybride organique-inorganique nanoporeux élaboré selon le procédé Sol-Gel. Les réactions ont lieu en solution à température ambiante. Le sol est un mélange de précurseurs, les alkyloxysilanes (TMOS = tétraméthoxysilane, TEOS = tétraéthoxysilane etc..), d’alcool (solvant) et d’eau servant à l’hydrolyse. Le polymère inorganique est formé en deux étapes :

 1.Hydrolyse des précurseurs
(RO)3-Si-OR + H2O    →     (RO)3-Si-OH + ROH

 2.Condensation
(RO)3-Si-OR + HO-Si-(RO)3   →    (RO)3-Si-O-Si-(RO)3+ ROH

 La polycondensation induit la formation d’un réseau de polymère tridimensionnel : le sol devient un gel qui se rétracte par expulsion des solvants résiduels volatils. On obtient une matrice nanoporeuse dont la distribution de tailles de pores (8 à 20 Å) dépend des conditions de synthèse et de séchage.
Pour obtenir des matrices nanostructurées, on peut rajouter au Sol un surfactant, le bromure de cétyltriméthyl-ammonium (CTAB) dont les molécules forment des micelles organisées. La polycondensation des particules de silicium a lieu à la surface des micelles. On obtient un film organisé de polymère par trempage d’un substrat dans le Sol. Après calcination des parties organiques (micelles de CTAB), le film mince de polymère contient des cavités organisées de 25 Å de diamètre.

 
Films minces nanoporeux élaborés selon le procédé sol-gel

Films minces nanoporeux élaborés selon le procédé sol-gel
 
Dopage des matrices nanoporeuses
Quelles molécules-sonde ?

Dopage des matrices nanoporeuses
Quelles molécules-sonde ?
Plusieurs modes de dopage sont utilisés au laboratoire. Le « one pot » correspond à l’addition de la molécule-sonde dans le sol de départ alors que la diffusion en phase gazeuse ou liquide ainsi que le post-greffage sont réalisés sur la matrice finale.
 
Le choix des molécules-sonde est primordial pour l’obtention de la sélectivi

Le choix des molécules-sonde est primordial pour l’obtention de la sélectivité du capteur. Un exemple est ici donné pour la détection du BF3, polluant dans l’industrie des semi-conducteurs (brevet 2004).

Exposition du capteur aux polluants

 

 
Dispositif de mesures optiques

Dispositif de mesures optiques

Détection des polluants et Analyse du signal



Détection du BF3 (brevet 2004)
Le dibenzoyle méthane (DBM) incorporé dans le film mince nanoporeux réagit avec le BF3 gazeux avec formation du difluorure de dibenzoyle méthanotobore (DBMBF2).
 
La réaction peut être suivie soit par la mesure de la variation d’absorbance

La réaction peut être suivie soit par la mesure de la variation d’absorbance entre 260 et 430 nm qui correspond à l’absorption du DBMBF2, (figure de gauche), soit par la mesure de l’intensité de fluorescence du DBMBF2 (figure de droite)