Conception et développement de nouveaux microcapteurs

THESE EN CO-TUTELLE
entre
UNIVERSITE BADJI MOKHTAR & UNIVERSITE CLAUDE
ANNABA BERNARD LYON 1
Présentée à
L’Université BAdji Mokhtar ANNABA
Pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université d’ANNABA et de l’Université Claude Bernard Lyon1
Spécialité : Chimie
Présentée et soutenue publiquement le 09 /11/ 2014
Par
SBARTAÏ Amel
Conception et développement de nouveaux
microcapteurs chimiques pour la détection des métaux
lourds dans les eaux
Devant la commission d’examen :
JURY :
Président
Monsieur BOUKHARI Abbas Professeur de l’Université Badji Mokhtar Annaba
Rapporteurs
Monsieur BENOUNIS Messaoud Maître de Conférences HDR de l’Université de Khenchela
Madame COHEN-BOUHACINA Touria Maître de Conférences HDR de l’Université Bordeaux 1
Examinateur
Monsieur ERRACHID Abdelhamid
Professeur de l’Université Claude Bernard Lyon 1
Encadreurs : ----------------------------------------------------- --------------------------------------------
Madame JAFFREZIC-RENAULT Nicole Directeur de recherche à l’Université Claude Bernard Lyon 1
Monsieur HAMLAOUI Larbi Professeur à l’université d’ANNABA

Introduction générale
Partie bibliographie
1
C HAPITRE I
L ES METAUX LOURDS
ET
LES CAPTEURS / BIOCAPTEURS
I.A Les métaux lourds et leurs effets dans l’environnement
3
I.A.1 Généralités sur les métaux lourds 3
I.A.1.1 Préambule : considération sur l’utilisation des termes
« métaux lourds » 3
I.A.1.2 Rappels généraux sur les métaux lourds 4
I.A.1.3 Influence des métaux lourds dans l’environnement et Leurs effets
biologiques 4
I.A.1.4 Origine et distribution des métaux lourds 5
I.A.1.5 Influence du pH 6
I.A.1.6 Influence du potentiel redox E
h
6
I.A.1.7 Influence des anions 7
I.A.2 Généralités sur les métaux utilisés 7
I.A.2.1 Le mercure 7
I.A.2.2 Le plomb 9
I.A.2.4 Le cadmium 11
I.A.2.4 Le Nickel 13
I.B Les capteurs chimiques/biocapteurs 17
I.B.1 Généralités sur les capteurs 17
I.B.1.1 Définition 17
I.B.1.2 Structure d’un capteur 17
I.B.1.3 Grandeurs d'influence 18
I.B.1.4 Paramètres caractéristiques des capteurs 18
I.B.2 Principe des capteurs chimiques 22
I.B.2.1 Différents types d’interaction entre l’espèce chimique et la partie sensible 22

du capteur chimique
I.B.2.2 Différents types de transducteurs électrochimiques utilisés dans la
conception des capteurs chimiques 23
I.B.3 Les biocapteurs 25
I.B.3.1 Définition et domaine d’application 25
I.B.3.2 Généralités 26
I.B.3.3 Historique 26
I.B.3.4 Classification 27
I.B.3.5 Le biorécepteur 2
I.B.3.6 Classification des biocapteurs selon le type de biorécepteur 28
I.C Conclusion
C HAPITRE II
LES TECHNIQUES EXPERIMENTALES
29
II.A Introduction 30
II.B Rappels bibliographiques sur les électrodes de Diamant 30
II.B.1 Le Matériau Diamant – Généralités 30
II.B.2 Propriétés du diamant 32
II.B.3 Synthèse du diamant 33
II.B.4 Types de conductance des matériaux diamant et leur préparation 35
II.B.4.1 Dopants donneurs 35
II.B.4.2 Dopants
accepteurs 35
II.B.5 Les techniques de dopage 35
II.B.5.1 Le dopage par diffusion 36
II.B.5.2 Le dopage par implantation ionique 36
II.B.5.3 La méthode CIRA 37
II.B.5.4 Implantation par CVD 37
II.B.5.5 Recuit HPHT 38
II.C Les techniques voltamétriques 40

II.C.1 Définition 40
II.C.2 La voltampérométrie cyclique
40
II.C.3 Intérêt des techniques pulsées 44
II.C.4 Voltamétrie à impulsion différentielle 44
II.C.5 Principe de la voltampérométrie à ondes carrées 45
II.C.6 Voltamétrie à redissolution anodique 45
II.D Les liquides ioniques 47
II.D.1 Définition, catégories et historique
47
II.D.2 Propriétés du liquide ionique 49
II.D.2.1 Propriétés
physico-chimiques
49
II.D.2.2
Propriétés thermiques
50
II.D.2.3
Propriétés électrochimiques
52
II.D.3 Applications 52
II.E Conclusion 53
C HAPITRE III
E LABORATION DE NOUVELLES MICROCELLULES
BDD MICRO - USINEES PAR LASER FEMTO
SECONDE
III.A Elaboration de nouvelles microcellules BDD micro-usinées pour la
détermination des métaux lourds 54
III.A.1 Introduction
54
III.A.2 Les caractéristiques des électrodes BDD 56
III.A.3 Matériels et méthodes 56
III.A.3.1 Micro-fabrication de la microcellule BDD
56
III.A.3.2 Les avantages de cette technique 57
III.A.3.3 Méthode de mesure électrochimique 58
III.A.3.4 Préparation de la microcellule BDD et conditions de mesures 59
III.A.4 Caractérisation de la microcellule BDD 60

III.A.4.1 Caractérisation morphologique des Microcellules BDD 60
III.A.4.2 Caractérisation électrochimique des Microcellules BDD 61
III.A.5 Résultats et discussions 62
III.A.5.1 Optimisation des conditions de détection : Effet du pH 62
III.A.5.2 Optimisation des conditions de détection : courbes de calibration 63
III.A.5.3 Choix des concentrations des quatre métaux choisis 64
III.A.5.4 Détection simultanée des métaux 65
III.B Analyse des eaux de rejets domestiques et hospitaliers et l’eau du Rhône,
par une langue électronique basée sur une microcellule BDD 66
III.B.1 Analyse des eaux de rejets domestiques et hospitaliers 66
III.B.1.1 Objectif de l’étude 66
III.B.1.2 Méthode de reconnaissance de forme utilisée : ACP 66
III.B.1.3 Origine des eaux de rejets 66
III.B.1.4 Résultats et discussions 67
III.B.2 Analyse de l’eau du Rhône (réelle et synthétique) 69
III.B.2.1 Caractérisation de l’eau du fleuve du Rhône 69
III.B.2.2 Préparation des échantillons 70
III.B.2.3 Résultats et discussions 71
III.C Conclusion 75
C HAPITRE IV
BDD ET AUTRES DETECTIONS
IV.A Détection du plomb dans le liquide ionique et détermination du facteur de
concentration après son extraction 77
IV.A.1 Introduction
77
IV.A.2 Conditions de mesures 78
IV.A.3 Conditions d’extraction 78
IV.A.4 Calculs 78
IV.A.5 Résultats et discussion 79