Thèse le Doctorant sera Encadré de Manière Régulière au Sein de l'Équipe avec des Réunions Hebdomadaires ou Bimensuelles pour Analyser les Résultats Ajuster les Stratégies et Planifier les Étapes H/F - 69

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1
École doctorale : Chimie de Lyon
Laboratoire de recherche : ISA - Institut des sciences analytiques
Direction de la thèse : Nadia ZINE LOUKILI ORCID 0009000459817848
Début de la thèse : 2026-09-01
Date limite de candidature : 2026-05-21T23:59:59

Avec le développement rapide de l'industrie et l'amélioration de l'urbanisation, de plus en plus de substances chimiques sont utilisées dans la vie quotidienne et la production agricole. Des activités industrielles de plus en plus fréquentes, telles que l'exploitation minière, la métallurgie et l'extraction pétrolière, produisent de nombreuses substances toxiques et nocives. Même après un traitement de purification, ces substances laissent souvent des résidus dans le système aquatique naturel, notamment des métaux lourds, des sels inorganiques et des médicaments vétérinaires agricoles, qui polluent et dégradent l'environnement aquatique [1-3]. Contrairement aux polluants organiques, les métaux lourds ne peuvent pas être biodégradés dans des conditions naturelles [4] et sont absorbés passivement par les plantes via l'eau de boisson et l'irrigation, avant d'entrer finalement dans le corps humain par accumulation continue dans la chaîne alimentaire. Le mercure, le cadmium, le plomb, le chrome, le thallium, l'antimoine et l'arsenic sont les polluants métalliques les plus courants. Selon les normes de l'OMS, leur concentration ne dépasse généralement pas 2 ppb.

Les métaux lourds ingérés par l'organisme ont tendance à former des complexes avec des substances biologiques telles que les protéines, les enzymes et les acides nucléiques. La formation de ces complexes modifie la composition moléculaire et le fonctionnement des matières biologiques, entraînant une incapacité à remplir leur fonction physiologique normale ou provoquant des dysfonctionnements [5]. L'accumulation de ces éléments peut causer de graves dommages au système digestif, aux os, au système nerveux central, au foie, aux reins et au système reproducteur. Comme ces éléments ne peuvent pas être éliminés par des méthodes classiques, même de très faibles quantités de métaux lourds constituent une menace sérieuse pour les organismes vivants [6]. Dans ce contexte, la détection des ions métalliques dans l'environnement et les systèmes aquatiques, afin de prévenir la pollution par les métaux lourds dès la source de la chaîne alimentaire, est une nécessité vitale. Ces dernières années, de nombreuses méthodes de détection des ions métalliques ont été développées.

Les méthodes traditionnelles de détection calculent principalement la concentration d'un atome à partir de l'intensité spectrale qui lui est caractéristique, incluant la spectroscopie d'absorption atomique (AAS), la spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), la spectrométrie de fluorescence X (XRF), l'analyse par activation neutronique (NAA) et la spectrométrie d'émission atomique à plasma induit (ICP-AES) [7]. Ces méthodes permettent des analyses qualitatives et quantitatives précises des ions métalliques avec une grande sensibilité, mais elles sont coûteuses et nécessitent un prétraitement laborieux [8]. Il est donc nécessaire de développer une méthode de détection des ions métalliques à la fois rapide, efficace et économique.

Le projet de thèse (Water-on-chip) vise à relever ces défis en développant une plateforme d'apta-capteur électrochimiques automatisée, rapide et portable, capable de détecter simultanément les ions métalliques (Cd², Pb², Co² et Zn²) dans les eaux contaminées. Cette plateforme repose sur des microélectrodes d'or fonctionnalisées avec des aptamères spécifiques, connectées à un potentiostat commercial directement inséré dans un smartphone et contrôlé via l'application Android PStouch. Une nouvelle stratégie d'immobilisation des aptamères sera utilisée, combinant la photopolymérisation suivie de la chimie click sans cuivre. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) sera employée pour l'analyse des échantillons de salive.

La contamination des ressources en eau par les ions métalliques lourds constitue un enjeu majeur pour la santé publique et l'environnement. Des activités industrielles telles que l'exploitation minière, la métallurgie ou l'agriculture intensive introduisent dans les eaux naturelles des métaux lourds tels que le cadmium, le plomb, le cobalt ou le zinc, qui s'accumulent dans la chaîne alimentaire et représentent un risque toxique important pour les organismes vivants.

La détection rapide et précise de ces ions est essentielle pour prévenir la pollution dès sa source. Les méthodes traditionnelles, telles que la spectrométrie d'absorption atomique (AAS) ou la spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), offrent une grande sensibilité mais restent coûteuses, complexes et peu adaptées à un suivi environnemental sur le terrain.

Les aptamères, oligonucleotides capables de reconnaître spécifiquement des ions ou des molécules cibles, associés à des microélectrodes fonctionnalisées et à des techniques électrochimiques comme la spectroscopie d'impédance (EIS), permettent de développer des capteurs portables, rapides et multi-ions. L'intégration de ces capteurs dans des plateformes connectées à des smartphones offre une solution innovante pour la surveillance environnementale, combinant sensibilité analytique, automatisation et accessibilité sur le terrain.

1. Développement d'une plateforme électrochimique portable : Concevoir et fabriquer un système basé sur des microélectrodes fonctionnalisées par aptamères, connecté à un smartphone, pour la détection rapide des ions métalliques dans l'eau.

2. Détection simultanée de plusieurs ions métalliques : Mettre au point une stratégie permettant l'analyse multi-ions (Cd², Pb², Co², Zn²) pour une surveillance efficace des eaux contaminées.

3. Optimisation de l'immobilisation des aptamères : Développer une méthode innovante combinant photopolymérisation et chimie click sans cuivre pour améliorer la sensibilité et la stabilité des capteurs.

4. Caractérisation électrochimique et validation analytique : Utiliser la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) et d'autres techniques pour valider les performances de détection sur des échantillons réels.

5. Intégration et automatisation du système : Connecter la plateforme à un smartphone via une application dédiée (PStouch) pour permettre un contrôle facile, une acquisition de données automatisée et une analyse en temps réel.

Jalons du projet de thèse :

1. Conception et fabrication des microélectrodes fonctionnalisées

o Microfabrication d'électrodes en or et dépôt nanométrique.

o Fonctionnalisation avec des aptamères spécifiques (Cd², Pb², Co², Zn²).

2. Stratégie d'immobilisation des aptamères

o Mise en place d'une approche combinant photopolymérisation et chimie click sans cuivre pour une fixation stable et orientée.

3. Développement de la plateforme électrochimique

o Intégration des microélectrodes dans une plateforme portable connectée à un smartphone.

o Programmation et contrôle via l'application Android PStouch pour acquisition et traitement des données en temps réel.

4. Caractérisation électrochimique et validation analytique

o Mesure de la réponse des capteurs par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS).

o Validation des performances (sensibilité, sélectivité, limite de détection) sur des échantillons d'eau réels.

5. Optimisation et tests sur le terrain

o Ajustement des paramètres expérimentaux pour maximiser sensibilité et reproductibilité.

o Évaluation de la stabilité et de la durabilité des capteurs dans des conditions environnementales réelles.