Confection

La pastille est l'élément sensible du capteur, il est donc important de soigner sa confection. Lors des essais eectués au cours du projet, des dizaines de matrices hydrogels ont été conçus et testés. Il s'agissait tout d'abord de tentatives qui nous ont permis de nous familiariser avec ce qu'on appelle : la cuisine moléculaire. La compréhension du processus de formation des hydrogels (Figure 5.8) et de l'interaction entre les diérents composants de la pastille a permis de dénir un protocole de fabrication adapté aux besoins assignés à ces matériaux. En fait, la prise au piège de molécules uorescentes dans un sol-gel d'alginate dépend fortement de la disponibilité en chaines d'alginates, mais aussi en ions-calcium. L'association de ces deux composants créer des "egg-box", ou encore des pores, qui immobilisent ces molécules. Ceci peut être illustré par le zoom schématisé par la Figure 5.8. Quelques méthodes parmi de dif- férentes techniques de préparation des matrices reportées dans la littérature ont été essayées, seulement, vu les deux critères déterminants à savoir le coût et la facilité. Le procédé retenu fut alors une préparation par extrusion. En résumé, le gel formé par l'alginate était introduit dans une solution riche en Ca2+_{. Dès lors, une réaction rapide s'établit à la surface du gel}

geant ainsi la forme du gel ; une pellicule solide se forme à la paroi. Par la suite, le reste du volume du gel se gélie lorsque le calcium pénètre dans le c÷ur du gel à travers le lm. Il a fallu maîtriser les étapes de la fabrication des pastilles : préparation du "sol", gélication, sé- chage, conguration des formes, stockage, etc. Les caractéristiques du produit nal dépendent beaucoup des paramètres impliqués dans chaque étape. Un travail d'optimisation qui répond

Prise au piège

Pastille ratiométrique Molécules Fluorescentes Chaine d'alginate

Ion calcium

Figure 5.8: Processus de formation des hydrogels de calcium ; le zoom illustre la structure "egg-box" des pastilles ratiométiques.

au mieux aux critères listés ci-dessus, a été fait. La détermination du procédé de confection s'est eectuée en deux étapes. La première s'est intéressée à fournir des pastilles de calcium d'alginate non uorescentes. Cette étape élimine la prise en considération des interactions entre le sol-gel et uorophores. Les propriétés du produit nal sont largement déterminées par les variables de l'alginate, telles que la composition chimique, la masse moléculaire, la densité, et l'homogénéité du gel obtenu. Pour la préparation du "sol", diérentes concentrations du sodium 'alginate ont été initialement préparées 0.5, 1, 2 et 3 wt%. Bien que ces hydrogels puissent gélier pour 0.5 et 1 wt%, il est intéressant d'utiliser la proportion la plus importante pour améliorer les propriétés mécaniques et ainsi faciliter les manipulations. Néanmoins, il n'a pas été possible d'en faire un gel plus ou moins homogène à 2 ou 3 wt%, car son augmentation de viscosité pour cette concentration le rendait impraticable, d'où le recours à l'utilisation des bains à ultrason. Cette pratique a été abandonnée par la suite, et les gels ont été confectionnés avec 1.5 wt%. Il est notable que la préparation des gels inclut essentiellement de l'eau distillée, car l'eau du robinet contient des ions calcium qui interagissent immédiatement avec l'alginate. Pour les applications des hydrogels d'alginate tels que matrices solides, la cinétique de gone- ment et la dissolution du gel sont peut-être plus importantes que leurs propriétés d'équilibre. En règle générale, le taux de gonement, le potentiel de gonement et les fuites de matériau d'alginate dissous augmentent avec l'augmentation de la teneur en M-blocs (chapitre 1). Des études cinétiques ont également révélé que, pour les gels riches en G-blocs, le poids molécu- laire et la taille des pores des matrices semblaient avoir une importance majeure ;Draget et al.

(1997). Ces dépendances deviennent déterminantes pour les propriétés des pastilles étudiées, d'où le choix sodium d'alginate. En phase, solide, les propriétés importantes sont la force du gel, la porosité, le gonement et le retrait, la transparence, la lixiviation de l'alginate des pas-

tilles. Ces derniers paramètres sont en forte liaison avec le micro-environnement des matrices en termes de mise en contact avec le calcium et la concentration en ions réticulant. Sur la base de ces résultats, il a été possible de personnaliser le procédé tenant compte de la morphologie, d'une part. Par exemple, l'épaisseur de la pastille sensible ne doit pas dépasser une épaisseur dénie, soit 2 mm, car la diusion des ions calcium est entravée, et le résultat est matériau mou. Toutefois, une épaisseur moins de 0.2 mm engendre une fragilité accrue qui nuit forcé- ment à la facilité des manipulations, à la reproductibilité, et à la longévité du système. D'autre part, suite à des tests de gonement et retrait certaines préparations ont montré des signes de dégradations plus importantes que d'autres. La deuxième étape consistait à immobiliser les

Figure 5.9: Photo de quelques pastilles uorescentes de calcium-alginate après la préparation. a), b) et c) représentent diérents taux d'incorporation des uorophores. 1 : RhB et 2 : Lc.

uorophores dans ces matrices. Quelques ajustements ont été eectués an de préserver les caractéristiques recherchées et déterminer les proportions adéquates entre alginate, calcium, et solution uorescente. Finalement, un compromis entre les diérents paramètres contrôlés a été atteint pour donner lieu à un processus optimisé d'immobilisation en hydrogel. Figure 5.9

montre diérentes pastilles uorescentes confectionnées selon le procédé décrit par Dhouib et al. (2018a). Le résultat était satisfaisant pour de diérents taux d'incorporation de Lc et RhB avec une bonne marge de souplesse pour les conditions de forme. Une fois les choix pour la préparation et l'optimisation de la confection des pastilles, la principale préoccupation est d'évaluer le comportement à long terme de ces matériaux. En fait, la durabilité de l'élément sensible du capteur conclue systématiquement sur la longévité de l'ensemble du système de détection.

5.3.3.2 Durabilité

Les exigences les plus diciles à satisfaire concernent la stabilité à long terme des pastilles dans des conditions fortement alcalines et dans la plage de pH entre 13 et 9 sur une période d'au moins 25 ans. De plus, le capteur est censé être intégré dans des environnements diciles :

variations de température, d'humidité relative, des cycles de gel-dégel, interactions de plusieurs espèces ioniques. Le dé est de préserver le piégeage des molécules et garder la stabilité de la structure des hydrogels. Les uorophores immobilisés dans des pastilles d'alginate sont libérés par deux mécanismes : (1) la diusion à travers les pores du réseau de calcium d'alginate et (2) sa dégradation. La dégradation d'un hydrogel d'alginate réticulé au Ca2+ _{peut survenir}

par élimination de ces ions. Au fur et à mesure que les ions Ca2+ _{sont éliminés, la réticulation}

diminue et les hydrogels sont déstabilisés voire se dissous complètement. Cela peut entraîner une fuite des uorophores piégés et la solubilisation des chaines d'alginate (Figure 5.8). Les propriétés mécaniques dépendent fortement de la structure de l'hydrogel, en particulier de la densité de réticulation et du degré de gonement ; Anseth et al.(1996). On peut empêcher la dégradation par diminution de réticulation en stockant les pastilles dans un milieu contenant des ions Ca2+ _{libres. Pour les tests sur la pastille en présence de Cl}−_{, des solutions de NaCl}

ont été généralement utilisées. Dans ce cas de gure, il était judicieux de maintenir le rapport Na+_/Ca2+ _{supérieur à 3/1.}

Perméabilité Les réseaux hydrogels sont caractérisés par leur porosité qui est dénie comme le volume de vide rapporté au volume total. Un contrôle rigoureux des paramètres de poro- sité tels que la taille de pore moyenne, leur fraction volumique, et leurs inter connectivités permettrait certainement de mieux caractériser ce matériau et comprendre les mécanismes de sa détérioration. Ce contrôle souvent réalisé au microscope électronique à balayage (MEB) n'était pas disponible durant la période allouée à ce projet, mais qui est bien évidemment envisageable pour de futurs travaux. Seuls des observations, à l'÷il nu, des échantillons ont permis la surveillance de la répartition des pores. Ils ont montré des porosités inférieures à 1 mm. Il est à noter que les pastilles présentent probablement des échelles de porosité vu que leur microstructure varie en s'éloignant du c÷ur de l'échantillon. Les bords restent visiblement homogènes et non poreux. Cette diérence suggère qu'il existe un réseau de polymère plus res- serré à la surface que dans le c÷ur. Ces observations devraient être également appuyées par une caractérisation microscopique. À cause de la contraction du gel pendant la polymérisa- tion, il peut se créer des connexions entre les pores qui rendent le matériau perméable. La grande quantité d'eau absorbée par les pastilles constitue la principale voie de diusion des substances à travers ces hydrogels gonés. Ainsi, la solubilité des uorophores susceptibles de diuser dans la phase aqueuse de ces systèmes aecte considérablement la perméabilité. Le pourcentage en volume d'eau dans une pastille est également un facteur déterminant de la perméabilité. Ce volume est, également, aecté par la concentration de l'agent de réticulation, le calcium. Lorsque cette dernière concentration est susamment élevée, la perméabilité peut impliquer un processus de séparation au lieu d'un transport par diusion. Pour les pastilles uorescentes, le mécanisme de libération peut impliquer une diusion en solution à travers soit la matrice elle-même, soit à travers des pores remplis d'eau. En résumé, plus la pastille est poreuse plus la quantité de molécules uorescentes qu'elle contient augmente. Cependant,

une inter-connectivité de pores élevée accélère les mécanismes de libération, et réduit ainsi la durabilité de la pastille.

Dissolution Lorsque la pastille à base d'hydrogel entre en contact avec une solution aqueuse, on observe ce qui suit :

1. La solution aqueuse diuse dans le matériau. 2. La pastille gone ; elle change de morphologie.

3. La solution de uorophore se dissout et diuse à travers la porosité de la pastille. 4. Les uorophores peuvent être libérés dans le milieu de dissolution.

5. L'hydrogel se dissout à la surface de la pastille. Un mécanisme semblable à une érosion. Pour vérier la stabilité des molécules dans la pastille, de premiers tests ont été instaurés. Ils consistaient à placer une série de pastilles dans de l'eau distillée sur une période de quelques semaines. Les concentrations en molécules uorescentes dans les pastilles étant élevées, si une grande quantité de molécules s'échappent, l'eau se colore. Dans le cas des pastilles de 100% Lc, l'eau reste claire et transparente, ce qui indique probablement que Lc reste bien xée ou que sa fuite est faible et n'est pas visible à l'÷il nu. Tandis que pour les pastilles de 100% RhB, l'eau se colore en rose. Pour d'autres pourcentages de uorophores, la solution de dissolution est toujours rose, mais à des degrés de concentration diérents. Néanmoins pour améliorer la stabilité du capteur, la période de rinçage lors de la confection des pastilles est augmentée de manière à évacuer l'ensemble des molécules non xées sur la matrice. Ces observations montrent que le risque de dissolution est bien réel. En fait, la fuite de l'indicateur (Lc) entraine une diminution de la concentration de l'agent uorescent dans la pastille qui se traduit en une diminution du pic d'émission, sans avoir un changement de la concentration en chlorures.Pour mieux comprendre et contrôler ce phénomène, d'autres essais ont été réalisés dans le but de comparer la uorescence initiale et celle après quelques jours d'immersion de la pastille dans l'eau distillée. Ces résultats sont discutés dansDhouib et al. (2018a).

Photo-blanchiment Dans le cadre de cette étude, le phénomène de photo-blanchiment, comme déni enchapitre 1, nuit bien évidemment à la durabilité des pastilles. À une excitation intensive,Dhouib et al.(2018a) montre que l'intensité de uorescence diminue au l du temps et que la uorimétrie ratiométrique joue un rôle important à écarter cette nuisance, lors des mesures de concentration de chlorures. L'étalon interne (RhB) se comporte de la même manière, vis-à-vis des phénomènes de photoblanchiment, que l'indicateur de chlorures (Lc). De cette manière, lorsqu'il survient un phénomène de photoblanchiment, les intensités des spectres d'émission et de référence diminuent proportionnellement. En revanche si uniquement le spectre d'émission décroît tandis que le spectre de référence reste stable, il s'agit bien d'un eet d'inhibition de la uorescence de la (Lc) par des chlorures. Cependant, même si ce photo- blanchiment ne vient plus fausser les mesures, il réduit systématiquement la durée de vie de la pastille. Pour pallier ce problème, deux solutions ont été testées :

1. Mesures en continu avec une faible intensité lumineuse de LED. Cette disposition permet d'utiliser le spectromètre en mesure automatique à intervalle régulier. Néanmoins, en diminuant l'intensité lumineuse, on diminue le spectre d'émission aussi. Pour visualiser le signal, il est alors nécessaire d'augmenter le temps d'intégration du spectromètre. Pour un même signal lumineux, le prolongement du temps d'intégration permet d'augmenter l'intensité des spectres visualisés. Toutefois, augmenter le temps d'intégration a pour eet d'augmenter le bruit du signal. Il faut donc trouver la juste intensité de la LED qui permette d'avoir un signal clair sans qu'il n'apparaisse de phénomène de photo- blanchiment.

2. Mesures en discontinu avec intensité lumineuse de LED constante (LED est allumée uniquement lors des enregistrements de mesures). Dans ce cas, la puissance de la LED n'est pas modiée, mais la pastille est soumise au ux lumineux seulement ponctuelle- ment lors des phases de mesure. La LED doit être allumée manuellement pour procéder à un enregistrement. Une automatisation des enregistrements à intervalle régulier n'est plus envisageable. Pour mettre en évidence le phénomène de photoblanchiment, l'expé- rience a été reconduite. Dans un premier temps et jusqu'à la stabilité, la LED est éteinte entre chaque mesure. Après l'obtention d'une certaine stabilité du signal de mesure, on maintient la LED allumée pour visualiser si on constate une décroissance rapide. La uorescence met une journée entière pour se stabiliser. À partir de l'allumage de la LED en continu, on observe une régression très rapide de la uorescence. À la n de l'essai, on peut observer sur la pastille une absence de coloration à l'endroit où étaient appliquées les bres de la LED. Il est à noter que cette tache blanche disparait les jours suivants du fait de l'homogénéisation de la concentration en uorophore dans l'ensemble de la pastille.

Ces deux modes opératoires ont permis d'améliorer la stabilité du capteur. Dans ces deux cas, on ne peut pas garantir que le phénomène de photoblanchiment ne survient plus. En eet, en diminuant l'intensité ou en limitant l'exposition de la pastille, le phénomène est réduit, mais à long terme il peut poser un problème. Ceci étant dit, une solution de uorophore (RhB + Lc) a été conservée, depuis le début du projet, dans un milieu opaque. Son signal réponse a été comparé sur une période de plus d'un an. Seulement, près de 1% de ce signal a été perdu. En attendant des résultats de tests in situ, on peut supposer que la stabilité des uorophores dans le béton serait acceptable à long terme.

5.3.4 Calibration de l'optode

Grâce aux résultats prometteurs publiés dansDhouib et al.(2018b,a), l'instabilité du capteur, vis-à-vis les problèmes de photo-blanchiment, de gonement de la pastille ou de perte d'agent uorescent, ou encore la variation des paramètres d'exposition du capteur a été examinée, voire palliée. Dans ce paragraphe, seulement la calibration des optodes ratiométriques est exploitée. Pour ce faire, un certain nombre d'optodes ont été préparées et testées en laboratoire. Des

Optode

Solution saline

Fibres optiques

Support

Figure 5.10: Schéma illustrant le mode opératoire pour les mesures en solutions aqueuses

courbes de calibration ont été développées pour chaque optode et les congurations les plus prometteuses ont été utilisées pour générer une moyenne ; une courbe d'étalonnage permettant d'établir une loi entre l'intensité de uorescence mesurée et la concentration en chlorures. 5.3.4.1 Mode opératoire

Une fois, l'optode est assemblé, elle est plongée dans une solution aqueuse dans laquelle on rajoute progressivement des chlorures. Le mode opératoire pour ces essais de calibration est illustré par la Figure 5.10. Premièrement, il s'agit de vérier si l'optode et la pastille uo- rescente assemblées ont un spectre d'émission d'intensité constante dans une solution sans chlorure. Dans un deuxième temps, il s'agit d'évaluer l'inuence de l'ajout de chlorures sur l'intensité du pic d'émission puis d'établir la relation de Stern-Volmer, ainsi que vérier sa linéarité. Troisièmement, connaissant le coecient de Stern-Volmer de l'optode, il s'agira de vérier si notre capteur arrive à retrouver les concentrations en chlorure de diérentes solutions. Ces essais ont été réalisés dans un environnement contrôlé de façon à limiter au maximum les paramètres qui pourraient inuencer la mesure. En fait, le dispositif de mesure (Figure 5.10) a été placé dans une enceinte calorifugée de façon à avoir une température constante et une humidité contrôlée. Une fois en place, à l'aide de repères, on s'assure ne pas se déplacer l'en- semble lors de l'essai. L'optode est placée, dans un premier temps dans un volume xé d'eau déminéralisée (qu'on supposera sans chlorures) avec un pH aux alentours de 7. Pour cinq concentrations diérentes de Cl−_{, une quinzaine de mesures d'intensité distinctes en intervalle}

de temps ont été enregistrées par le spectromètre. À chaque changement de concentration en Cl−_{, une nouvelle pastille prenait place de l'ancienne, après que quatre pastilles ont été}

déjà testées à la même concentration. Presque, une valeur de 300 mesures a été exécutée pour aboutir à une courbe de calibration.

5.3.4.2 Résultats

Par dénition, l'étalonnage d'un capteur chimique fournit une ou plusieurs relations entre les paramètres chimiques analysés et la réponse du capteur. La relation est souvent spécique à l'instrumentation utilisée et peut jouer un rôle important dans la mesure de la sensibilité. Explicitement, ce calibrage permet de limiter un intervalle de mesure dans lequel la concen- tration de l'analyte est plus ou moins détectable. L'ensemble des mesures a été exploité an

(a) (b)

Figure 5.11: (a) Courbe de calibration avec détermination de la limite de linéarité ; (b) Variation du ratio d'intensité de uorescence en fonction des cinq concentrations de chlorures testés.

de tracer une courbe de calibration décrivant l'intensité de la lumière uorescente en fonction de la concentration en chlorures. Cette concentration varie de 0 à 0.7 M. Cette plage couvre la concentration en chlorures présents dans l'eau de mer ; Huber et al.(2000) parle de 559 mM. Elle semble raisonnable pour les valeurs pouvant être mesurées dans la solution inertielle d'un matériau cimentaire et à une exposition considérablement sévères. La abilité de ces mesures vient du fait que chaque mesure était obtenue par ratiométrie parce que même si des eorts ont été fournis pour assurer l'élimination des paramètres d'interférence, quelques mesures avaient uctué.

La linéarité du ratio d'intensité uorescente en fonction des concentrations (Figure 5.11), qui permet d'établir la relation de Stern-Volmer, est plus respectée dans la zone de faibles concen- trations inférieures à 0.45 M. Au-delà de cette valeur (Figure 5.11(b)) les mesures perdent leur concordance. Il est à noter que pour des concentrations importantes les spectres d'émis- sion de uorescence présentaient des amplitudes très faibles au point de ne plus distinguer les