Chapitre I : Etude Bibliographique
II. Les Capteurs électrochimiques
Les objectifs de la DCE visant à obtenir un bon état chimique et écologique des eaux, il est important de pouvoir assurer un contrôle fréquent couvrant de nombreux sites. Comme nous l’avons précédemment dit, les contrôles sont actuellement assurés par des analyses en laboratoires par ICP-MS, AAS, … . Les objectifs fixés nécessitent de multiplier les contrôles et le nombre de sites, décuplant ainsi le nombre de prélèvements à réaliser et le nombre d’échantillons à analyser, cela étant impossible à assurer à travers les solutions actuelles car elles sont beaucoup trop coûteuses.
L’utilisation de capteurs directement implantés sur site devient donc appropriée afin de compléter les analyses effectuées en laboratoire. Rapides, simples et peu onéreux, ces dispositifs peuvent être portatifs et utilisés pour des analyses sur site visant la nature et la concentration d’éventuels polluants. Les capteurs présentent l’avantage de permettre un contrôle in situ en temps réel et sont aussi capables d’identifier des pollutions ponctuelles.
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Fonctionnalisation électrochimique de matériaux carbonés : application à la détection de micropolluants métalliques : nickel et plomb
David PALLY
II.2. Qu’est-ce qu’un capteur chimique ?
Un capteur chimique est un dispositif qui transforme une information chimique comme la concentration ou la nature d’une espèce en un signal exploitable pour l’analyse. Un capteur chimique est constitué d’un matériau récepteur sensible au polluant visé et d’un transducteur choisi en fonction des propriétés du micropolluant cible. Parmi les modes de transduction les plus courants concernant les capteurs chimiques, on peut citer la transduction optique (UV-visible), les capteurs à effet de masse (piézoélectriques), à ondes acoustiques de surface… ou encore les capteurs électrochimiques.
II.3. Les capteurs électrochimiques II.3.1. Définition
Les capteurs électrochimiques sont basés sur la variation de paramètres électriques stimulés ou spontanés dus à la présence de l’analyte. Le principe decessystèmes d’analyse peutêtre schématisé sur la figure I-2 :
Figure I-2 : schéma d’un capteur électrochimique
L’élément clé du capteur électrochimique est le récepteur, l’électrode, matériau conducteur, fonctionnalisé ou non, qui a pour fonction de venir assurer l’interface entre l’analyte (le polluant) et le reste du capteur, constitué du transducteur et du système assurant le traitement du signal.
II.3.2.Le transducteur : mode de mesure
Le transducteur a pour rôle de traduire un signal physique en un signal électrique. Il existe plusieurs modes de transduction pour les capteurs électrochimiques reposant sur des principes différents. Les méthodes potentiométriques sont basées sur la loi de Nernst reliant le
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potentiel de l’électrode et la concentration du polluant appartenant à un couple d’oxydoréduction [46]. Ces méthodes sont basées sur la différence de potentiel entre l’électrode de travail et l’électrode de référence. Les capteurs conductimétriques consistent à étudier la variation de la conductivité de la solution générée par la présence des ions en solution. Ils donnent donc une réponse globale caractérisant la concentration totale en ions de la solution.
Les capteurs voltampérométriques sont basés sur la réponse en courant à l’application d’un potentiel entre une électrode de travail et une contre électrode. Le potentiel imposé provoque une oxydation ou une réduction de l’espèce électro-active analysée qui entraîne l’apparition du courant mesuré [47]. Cette dernière est toutefois limitée à la détection des polluants électro-actifs en milieu aqueux. Dans cette étude, nous avons choisi d’étudier des capteurs voltampérométriques connus pour leurs grandes sensibilités d’analyse donnant accès à la concentration des micropolluants présents en solution. Ceux-ci s’oxydant à différents potentiels d’oxydo-réduction leur étant propres.
Les performances analytiques de ces capteurs sont intrinsèquement liées au récepteur, à la nature des matériaux d’électrodes, à leur géométrie [48], mais aussi au choix de la méthode électro-analytique et notamment de la technique électrochimique associée (vitesse de balayage, technique pulsée, …).
II.3.3. Le récepteur : Matériau d’électrode
Le récepteur dans le cas des capteurs électrochimiques ampérométriques est généralement composé d’un matériau d’électrode et d’une couche fonctionnelle.
Le matériau de l’électrode a une importance capitale puisque celui-ci influencera en grande partie les propriétés du capteur. Une conductivité élevée, un large domaine d’électro-activité, une cinétique de transfert de charge rapide (qui dépend certes de la réaction considérée donc du micropolluant cible mais aussi de la nature de l’électrode) sont les caractéristiques requises par le matériau d’électrode constituant le capteur. Il est aussi nécessaire de prendre en compte la robustesse du matériau vis-à-vis des contraintes qui lui seront imposées pendant son utilisation. Il doit de plus posséder une bonne inertie chimique et une résistance mécanique suffisante qui lui permettra de conserver son intégrité pendant un séjour prolongé dans le milieu d’analyse.
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La couche fonctionnelle, quant à elle, a pour but de pré-concentrer le polluant cible à la surface de l’électrode. Si elle est sélective, elle pourra aussi limiter les interférences avec d’autres espèces chimiques présentes dans le milieu. Elle permet donc d’améliorer les performances analytiques des électrodes en augmentant à la fois leur sensibilité et leur sélectivité. Il faut noter que les couches fonctionnelles doivent aussi être robustes et inertes vis-à-vis des milieux d’analyse.
Le choix du matériau d’électrode est donc primordial les plus couramment utilisés dans la littérature étant l’or, le platine, ou le carbone, on peut se référer aux revues récentes sur les avancées dans ce domaine [29,49].
II.3.4. Les autres constituants du capteur
Parmi les autres composants du capteur que présente le schéma de la figure I-2, on retrouve le traitement du signal et l’information.
Le traitement du signal, permet d’amplifier le signal du transducteur lors de la dernière étape très importante pour la sensibilité du capteur. La mesure, gérée par la microélectronique et les logiciels associés, est traduite en un message compréhensible pour l’opérateur. Un courant peut, par exemple, être traduit en une valeur numérique de concentration un étalonnage préalable du capteur est généralement nécessaire.