Méthodes analytique novatrice pour la détection du bisphénol A dans les eaux

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DE JIJEL

Faculté des Sciences et de la Technologie

Département de Science et Génie de l’Environnement Mémoire pour l’obtention de Master en Science et Génie de

l’Environnement

Option : Génie des Procèdes de l’Environnement

Réalisé par : M.A.SOUCI Proposé Par : Pr. Ali ZAZOUA

Année universitaire 2018-2019

Thème : Méthodes analytique novatrice pour la

détection du bisphénol A dans les eaux

Remercîments

Avant tous j’adresse mes remerciements a Allah pour la volonté, la santé et la patience qu’il ma donné pour la réalisation de ce travail que j’espère d’être utile.

Aussi pour mon promoteur Mr ZAZOUA Ali Professeur au département de Génie des procédés a

l’’université de Jijel qui a bien dirigé ce travail, pour toutes ces conseils, ses encouragement et la correction du manuel Je remercier également M

Sefari W, Helim R , Boubezari I ,doctorants en génie de l’environnement pour leur disponibilités, son aides, conseils et encouragement au cours de la réalisation de ce travail

Je remercier tous les techniciens et ingénieurs des laboratoires

Je remercier les membres des jurys pour avoir accepté d’examiner et juger ce travail

Et pour tous ce qui me aidés de prés ou de loin un grand merci

Dédicaces

Ma très chère mère ‘Allah yarhamek ‘, je suis sur que vous êtes très fière de ton fils et que vous êtes très heureuse de moi.

Mon cher père, mon bras droit pour ces sacrifices Ma tante Aziza

Mes chers frères et sœurs : Radja, Ramez, Ibrahim, Shada

Ma promotion de Master 2 et mes amis chacun a son nom

A tous ce que j’aime et qui m’aiment, et ceux que ont veillé

de prés ou de lois a l’achèvement de ce travail

détection précise et rapide d’une espèce chimique ou biologique ainsi que l’évaluation de sa qualité et de sa concentration.

Les extraits naturels issus des végétaux contiennent une variété de molécules biologiquement actives. Dans ce contexte nous avons tenté de développer un biocapteur qui permet de détecter le bisphénol A présent dans l’eau.

Cette étude à pour objectif de: caractérisation des composés bioactif (tanin condensé) extraits a partir du thé vert plante Camélia Sinensis, leurs quantification ainsi que la confirmation de l’affinité de bisphénol A vers les tanins condensés étudié par adsorption.

Le criblage phytochimiques et le dosage de ces extraits a révélé la présence des tanins condensés, ce qui confirme que le thé vert est riche en composé bioactif.

Les résultats de détection des bisphénols A sont très satisfaisants. Le capteur réalisé est stable avec une limite de détection de l’ordre de 10^-9 nM.

Mots clés : Bisphénol A, Tanins condensés, adsorption, bio capteurs, molécules actives, thé vert.

UV: Ultra violet IR: Infrarouge nm: Nanométre µl: microlitre g: Gramme

HCl: Acide chlorhydrique FeCl 3: Trichlorure de fer mV: millivolte

SWV: voltamétrie à onde carrée rpm: tour par minute

mM: milli molaire nM: Nano molaire

PBS: phosphate buffered saline

Table des matières

Introduction Générale………. 1

Chapitre I Synthèse bibliographique I. Généralités sur le système endocrinien………... 3

I.1.Introduction ……….. 3

I.1.1 Définition de système endocrinien………. 3

I.1.2 Les perturbateurs endocrinien………..………... 4

A. Sources et origines des perturbateurs endocriniens ….……...……….... 5

B. Impact sur l’homme ………..……….. 5

C. Mécanismes de perturbation ………..……… 5

I.2 Bisphénol A………...… 6

I.2.1 Histoire de BPA……….……….… 6

I.2.2 Structure et propriétés physico-chimique…….……..………...……….… 6

I.2.3 Sources et utilisation de BPA……….…..……….……….. 8

I.2.4 Réglementation et législation sur BPA………….…….……… 8

I.2.5 Méthodes analytique pour la détection de BPA... 9

I.3 Généralités sur les métabolites secondaires .……….. 10

Introduction ……… 10

I.3.1 les tanins... 10

A. Les tanins hydrolysables ………....……….. 10

B. Les tanins condensés ………....……… 11

I.4 Sources végétales des tanins……….………... 12

I.4.1 Le thé vert : Camélia sinensis………...……….... 12

I.4.1.1 Histoire de Camélia sinensis………...……….………..… 12

I.4.1.2 Description botanique………...…. 12

I.5 Généralités sur l’adsorption………....……….. 15

Introduction………. 15

I.5.1 Types d’adsorption..………....……. 15

I.5.2 Cinétique et isotherme d’adsorption ………...……… 16

A. Isotherme d’adsorption………...………... 16

A.1 Classification des isothermes d’adsorption en phase liquide………...………... 16

 Modèle de Freundlich………..…... 17

 Modèle de Langmuir………..… 18

 Modèle de Temkin……….……… 18

 Modèle d’Elovich………..………. 19

B. Cinétique d’adsorption ... 19

 Modèle pseudo-premier ordre………….……….………... 20

 Modèle pseudo-second ordre………... 20

 Modèle de diffusion intra-particulaire………….………... 21

I.5.3 thermodynamique d’adsorption………..…….……….… 21

I.5.4 Les facteurs influençant l’adsorption……….….… 22

I.6 Généralités sur les biocapteurs……….………... 23

I.6.1 Histoire des biocapteurs………...…………...………... 23

I.6.2 Définition d’un biocapteur………...………...…... 23

I.6.3 Types de biocapteurs... 24

A. Biocapteur d’affinité……….……….…….… 24

B. Biocapteur métaboliques……….……….………...… 24

C. Biocapteur biomimétiques……….………….……..….. 24

I.6.4 Paramètres et caractéristiques des biocapteurs... 25

I.6.5 Méthodes électrochimique de caractérisation…...………..………… 25

I.6.5.1 Techniques voltammétriques……….………...………. 25

I.6.5.2 voltampérométrie cyclique………...……….25

 Système quasi-réversible ……….. 27

I.6.5.3 Voltammétrie à onde carré (SWV)…………..………….……… 27

Chapitre II Partie Expérimentale (Extraction et adsorption) II .Matériel végétale……….………….………..…. 29

II.1 Macération et extraction………...…….……….. 29

II.2 Rendement d’extraction………...….………...… 30

II.3 Test phytochimique………..……….…... 31

A. Tanins totaux ……….……… 31

B. Tanins catéchiques……….……… 31

C. Tanins galliques……….….... 32

II.4 Dosage des tanins condensés……….………...………....…… 33

II.5 Traitement de gélification……….………...…… 34

II.5.1 Protocole de gélification………..………….………... 34

II.6 Caractérisation de bio adsorbant ……….……….……… 34

II.6.1 Caractérisation par infrarouge FTIR……….……….. 34

II.6.2 Le pH de point de charge nulle (pH pzc)……….……….…………...…. 35

II.7 études d’adsorption………..…..……….……….... 36

II.7.1 Méthodes de dosage………..……….……….... 37

II.7.1.1 Spectrophotométrie d’absorption UV- Visible………..………. 37

II.7.2 Préparation des solutions étalon………..……….... 37

II.8 Etude de la cinétique d’adsorption………...………..… 38

II.8.1 Influence de la masse de bio adsorbant……….……..………. 38

II.8.2 Influence de la concentration initiale du BPA………..………...…… 39

II.8.3 influence de pH ...39

II.8.4 Influence de la température...……. 39

III.1 Rendement d’extraction………...……….. 40

III.2 Tests phytochimiques……….…………. 40

III.3 Dosage des tanins condensés………..…. 41

III.4 Etude de l’adsorption du BPA sur le bio adsorbant…...………. 41

III.4.1 Etude des paramètres………..………... 41

III.4.2 Effet de masse sur la quantité adsorbé………..…..………...… 41

III.4.3 Influence de la concentration initiale du BPA………..…..………...… 42

III.4.4 Influence de pH………..……… 43

III.4.5 Influence de la température……….……… 44

III.5 Modélisation de la cinétique d’adsorption……….... 45

III.5.1 Modèle de réaction de surface………..……….. 45

 Modèle de pseudo premier ordre ……….……..………. 45

 Modèle de pseudo second ordre ……….…….………... 45

III.5.2 Modèle de diffusion………...…..………...…...……… 47

 Modèle de diffusion intra-particulaire…………...………...……….. 47

III.6 Type d’isotherme……….……….………...… 48

III.6.1 Modélisation des isothermes d’adsorption……..………...………... 49

III.6.1.1 Modèles de Langmuir et Freundlich…………...………...……….……. 49

III.6.1.2 Modèles Temkin , Elovich………..……….………... 51

III.7 Etude thermodynamique………..……...……….. 53

IV. Introduction……….…..….……. 55

IV.1 Transducteur……….…………... 55

IV.2 Préparation des électrodes et construction du capteur……….…….…….. 55

IV. 2.1 Nettoyage des électrodes……….…….……. 55

IV.3 Caractérisation électrochimique de l’électrode tanin-agar/Au…...….………….. 55

IV. 4 Partie expérimentale ………..…....……. 57

IV.4.1 Elaboration du capteur tanins-agar/Au………....…….. 57

IV.4.2 Caractérisation électrochimique………...………...…….. 58

IV.4.3 Efficacité de nettoyage des électrodes... 58

IV.4. 4 Sensibilité du capteur tanin-agar/Au………...……… 59

IV.4. 4.1 Caractérisation de l’électrode tanin-agar/Au par la méthode voltamétrie cyclique après l’injection de différentes concentration du BPA…………..………..………… 59

IV.4. 4.2 La courbe de calibration de la voltametrie cyclique…...……….. 60

IV.4. 4.3 Voltamètrie à ondes carrées SWV après l’injection de différentes concentration du BPA ……….……… 61

IV.4. 4.4 La courbe de calibration de la voltamètrie à ondes carrées SWV…..………… 62

Conclusion et perspectives………. 63

Figure I-1 : Anatomie de système endocrinien corps humain……….……… 3

Figure I-2 : Structure chimique de Bisphénol A (BPA)……….……….. 6

Figure I-3 : Formation de Bisphénol A (BPA)……….……… 7

Figure I-4 : Potentielles sources d’exposition au BPA……….………. 9

Figure I-5 : Les différentes formes chimiques des tanins hydrolysables………....… 10

Figure I-6 : L’unité basique des tanins condensés et les différentes structures………... 11

Figure I-7: Structure chimique de multi-unités des tanins condensés……...……… 11

Figure I-8 : La plante Camellia sinensis...………...…... 13

Figure I-9: Classification des polyphénols ……...……...……...………...… 13

Figure I-10 : Différentes structures chimique des monomères des tanins condensés présent dans le thé vert ……….. 14

Figure I-11 : Classification des isothermes d’adsorption selon Giles et al………... 16

Figure I-12 : Schéma de principe de fonctionnement d’un biocapteur………..…………. 23

Figure I-13 : les différents types des biorécepteurs……….………... 24

Figure I-14 : Signal potentiel- temps typique de la voltampérométrie cyclique……...…… 26

Figure I-15 : Exemple d'un voltampérogramme cyclique………...……….… 27

Figure I-16 : Voltampérogramme résultant d'une impulsion «ondes carrées »………..….. 28

Chapitre II : Partie expérimentale (Extraction et adsorption) Figure II-1 : Protocol d’extraction des tanins condensés………... 30

Figure II-2 : Test phytochimique des tanins totaux………...……… 31

Figure II-3 : Test phytochimique des tanins catéchiques………....……….. 32

Figure II-4 : Test phytochimique des tanins galliques……….. 32

Figure II-5 : Protocol de dosage des tannins condensé…………...………... 33

Figure II-7 : Point de charge nulle de bio adsorbant préparé………..………. 36

Figure II-8 : Schéma explicatif de la loi d’absorption de la lumière…………..……….. 37

Figure II-9 : Variation de l’absorbance en fonction de la concentration de BPA... 38

Chapitre III : Discussion des résultats (Extraction et adsorption) Figure III-1 : Effet de masse sur le rendement d’adsorption………. 41

Figure III-2 : Evolution de la quantité adsorbée de BPA par le bio adsorbant en fonction de temps de contact a différentes concentrations ……….42

Figure III-3 Rendement d’adsorption du BPA par le bio adsorbant en fonction de pH ………... 43

Figure III.4 Diagramme de distribution des espèces pour le BPA………. 44

Figure III-4 : Evolution de rendement d’adsorption du BPA par le bio adsorbant en fonction de la température………...44

Figure III-5 : Représentation linéaire du modèle cinétique pseudo premier ordre…..……45

Figure III-6 : Représentation linéaire du modèle cinétique pseudo second ordre………...46

Figure III-7 : Représentation linéaire du modèle cinétique de diffusion intra-particulaire (Weber et Morris) ………47

Figure III-8 : Isotherme d’adsorption du BPA ………….……….48

Figure III-9 : linéarisation du modèle de Langmuir 1, 2, 3, 4, 5 .……….49

Figure III-10 linéarisation du modèle de Freundlich…………...………..…50

Figure III-11 linéarisation du modèle de Temkin………..………51

Figure III-12 linéarisation du modèle d’Elovich………..……….51

Figure III-13 Variation de la constante d’adsorption en fonction de 1/T..………....53

Chapitre IV : Application capteur Figure IV-1: Schéma du dispositif expérimental pour les mesures électrochimique…..…... 55

Figure IV-2 : Schéma de la cellule électrochimique à trois électrodes………..……… 56

Figure IV-3 : Montage expérimentale……….……….. 57 Figure IV-4 : Voltammogramme du couple redoxde l’électrode nue...…... 58

Figure IV-5 Voltamogrammes cycliques pour différentes concentrations en BPA, … dans 50 mM de PBS (pH 7)……… 59 Figure IV-6 Voltamogrammes cycliques cathodique et anodique zoom…………....…. 60 Figure IV-7 Réponse anodique et cathodique du capteur en fonction de log(C) BPA... 60

Figure IV-8 Voltamogrammes à ondes carrées pour différentes concentrations en BPA, dans 50 mM de PBS (pH 7)………... 61

Figure IV-9 Réponse du capteur en fonction de la concentration d’analyte BPA….…… 62

Chapitre I : Synthèse bibliographique

Tableau I-1 : Propriétés physico-chimiques du BPA……….. 7

Tableau I-2 : comparaison physisorption chimisorption……… 15

Chapitre III : Discussion des résultats (Extraction et adsorption) Tableau III-1 rendement d’extraction………. 40

Tableau III-2 tests phytochimiques de l’extrait de thé vert………. 40

Tableau III-3 Paramètres caractérisant la cinétique d’adsorption du BPA Pseudo premier et second ordre………46

Tableau III-4 Paramètres caractérisant la cinétique d’adsorption du BPA Intra- particulaire………. 47

Tableau III-5 Paramètres caractérisant les modèles de Langmuir ………..… 50

Tableau III-6 Paramètres caractérisant le modèle de Freundlich ……….50

Tableau III-7 Paramètres caractérisant le modèle de Temkin ………..52

Tableau III-8 Paramètres caractérisant le modèle d’Elovich ………52

Tableau III-9 Paramètres thermodynamiques de l’adsorption du BPA sur le bio adsorbant………. 53

Introduction Générale

1

Introduction Générale

On observe depuis plusieurs années, une augmentation de l’apparition de pathologies liées au système de reproduction chez l’homme. Les pathologies liées au système de reproduction mâle ont d’ailleurs été regroupées sous le terme de « syndrome de dysgénésie testiculaire ». Plusieurs études suggèrent que l’apparition de ce syndrome pourrait être due à la présence de plus en plus importante des polluants environnementaux dans notre vie quotidienne.

En effet, plusieurs produits utilisés en tant que plastifiants dans des objets de consommation courante sont incriminés en tant que perturbateurs endocriniens.

Les perturbateurs endocriniens sont des composés chimiques capables d’interférer avec les hormones naturelles et d’en altérer la fonction. Parmi les plastifiants les plus produits dans le monde, le bisphénol A fait l’objet de nombreuses études concernant les caractères toxiques dans différents organes, et notamment dans les organes de la fonction de reproduction.

L’établissement d’un plan de surveillance permettant l’analyse et l’évaluation de la contamination en BPA dans les aliments et les eaux de bouteilles devient une priorité incontournable.

Les méthodes d’analyse doivent obéir à certains critères dont le faible coût, la rapidité de réponse, la facilité d’utilisation, l’applicabilité sur site mais bien sur également la fiabilité.

Les techniques analytiques habituellement utilisées pour le dosage de BPA, telles que la spectrométrie de masse ou la chromatographie liquide, sont certes des méthodes sensibles et précises, mais elles sont relativement lourdes à mettre en œuvre, coûteuses et nécessitent du personnel hautement qualifié. Il existe donc à l’heure actuelle une forte demande pour des méthodes alternatives permettant de répondre à ces critères.

Parmi les dispositifs potentiels figurent les biocapteurs électrochimiques qui associent l’extraordinaire pouvoir de reconnaissance de biomolécules (enzymes, anticorps,..) à la sensibilité et la sélectivité de la transduction électrochimique (ampèrométrie, potentiométrie,..). Des progrès énormes ont été réalisés ces dernières années en matière de miniaturisation de transducteurs, permettant d’envisager une réduction importante de la quantité de biomolécules nécessaires à l’élaboration des biocapteurs, mais également leur intégration dans des systèmes compacts multi-détection utilisables sur site.

C’est dans cet esprit, que nous avons essayé d’utiliser les tanins condensé extraits des plantes et plus précisément du thé vert après un procédé de gélification dans la conception de la partie sensible d’un biocapteur. En effet, Le tanin condensé a été déposé sur une électrode en or afin de tester sa sensibilité envers certains analytes. Nous avons pris le bisphénol A comme référence, car sa détection et son analyse quantitative et qualitative constituent une importance capitale dans le domaine de toxicologie environnementale.

Nous avons réalisé, par conséquent, toute une étude d’optimisations et de caractérisations.

2

Le manuscrit est composé de trois chapitres :

 Le premier chapitre est consacré à un recueil bibliographique donnant une présentation générale sur le bisphénol A et sur les plantes faisant l’objet de cette étude. Elle décrit aussi les différentes classes des tanins et des généralités sur le phénomène d’adsorption ;

 Le deuxième chapitre met le doigt sur quelques méthodes expérimentales utilisées dans le travail à savoir : la méthode d’extraction, de gélification et l’analyse structurale des tanins condensés par IR et l’étude des phénomènes de rétention en l’occurrence l’adsorption.

 Le but de troisième chapitre est l’étude cinétique d’adsorption de BPA par le bio adsorbant ainsi que l’étude de d’influence de certains paramètres opératoires tels que la concentration initiale de polluant, la masse d’adsorbant et d’autres paramètres sur la rétention des BPA dans les tanins condensés.

 Et le dernier chapitre est une application capteur pour la détection des perturbateurs endocriniens, dans notre cas le bisphénol A.

 Enfin, le manuscrit est achevé par une conclusion et des perspectives.

Chapitre I

Synthèse Bibliographique

3

I. Généralités sur le système endocrinien

Dans les dernières années les perturbateurs endocriniens attirent l’attention des chercheurs, en raison des dommages importants causés par ces composants chimiques sur la santé humaine et animale, cette partie concernée à définir le système endocrinien et le mécanisme de perturbation.

I.1.1 Définition de système endocrinien

Le système endocrinien, système important de communication de l’organisme, se compose de différentes glandes endocrines qui sont l’hypophyse, l’épiphyse ou glande pinéale, la thyroïde et les parathyroïdes, le thymus, les îlots de Langerhans (dans le pancréas), les surrénales, les testicules et les ovaires.

Ces glandes endocrines sécrètent des substances chimiques appelées hormones, lesquelles sont véhiculées dans tout le corps par l’intermédiaire du réseau sanguin et permettent de réguler l’action des organes et des cellules.

Le système endocrinien non seulement contribue à régler l’activité des muscles lisses, du muscle cardiaque et de certaines glandes, mais il influe aussi sur presque tous les autres tissus.

Les hormones modifient le métabolisme, régulent la croissance et le développement, et influent sur la reproduction [1].

Figure I-1 : Anatomie de système endocrinien du corps humain

4

I.1.2 Les perturbateurs endocrinien

Le terme ‘perturbateur endocrinien’ désigne une substance exogène ou un mélange complexe de substances pouvant altérer les fonctions du système endocrinien et par conséquent causer des effets délétères sur la santé d’un organisme entier, de sa progéniture ou de sa population. Vu la disparité des composés classés sous ce terme et la complexité de la problématique, plusieurs définitions ont vu le jour : pour l’EDSTAC (Endocrine Disruptor Screening And testing Advisory Committee), une première définition retenue avait été celle de Kavlock en 1996 : ‘Agent exogène qui interfère avec la synthèse, la sécrétion, le transport, la liaison, l’élimination active des hormones naturelles de l’organisme, responsables du maintien de l’homéostasie, de la reproduction, du développement ou du comportement’.

Cette première définition, trop restreinte pour certains au milieu scientifique a été remaniée une première fois par la citation suivantes : «Une substance exogène qui modifie les fonctions endocriniennes et provoque des effets indésirables au niveau de l’organisme, de sa descendance et / ou des (sous) populations d’organismes» ; néanmoins une controverse sur la présence des termes ‘advers effects’ à conduit a formuler une nouvelle définition finalement retenue par cette organisme : «L’EDSTAC décrit un perturbateur endocrinien comme une substance chimique ou un mélange exogène qui altère la structure ou les fonctions du système endocrinien et qui provoque des effets indésirables pour l’organisme, ses populations ou sous- populations d’organismes’.

Le comité scientifique Européen SCTEE (Scientific Comitte on Toxicity, Ecotoxicity and the Environnement) en a pour sa part donné la définition suivante en 1998 : "Un perturbateur endocrinien est une substance ou un mélange exogène qui modifie les fonctions du système endocrinien et entraîne par conséquent des effets néfastes sur la santé d'un organisme intact, de sa progéniture ou de ses sous-populations’.

Une définition classique des perturbateurs endocriniens est celle donnée par F.Metzer:

‘les perturbateurs endocriniens sont des substances chimiques d’origine naturelle ou artificielle qui peuvent interférer avec la synthèse, le stockage, le transport, le métabolisme, la fixation, l’action ou l’élimination des hormones naturelles, Elles sont susceptibles de modifier le fonctionnement d’une partie du système endocriniens et d’avoir des conséquences sur la reproduction et le comportement’ [2].

5

A. Sources et origines des perturbateurs endocriniens

Les perturbateurs endocriniens se trouvent dans nos produits de soins, nos meubles, nos ordinateurs, nos aliments, nos vêtements, dans les jouets d’enfants …etc. Les composés les plus connus comme perturbateurs endocrinien de sources naturelles ou anthropiques sont les suivants [3] :

 Parabènes ou Parabens

 Dérivés de la benzophénone

 Phtalates

 Pesticides

 Triclosan

 Bisphénol A

 Dioxines et PCBs

 Retardateurs de flammes

 Alkylphénols

 Téflon

 Hormones et médicaments

 Mercure

 Cadmium

B. Impacts sur l’homme

 Cancers du sein, de la prostate, des testicules ;

 Trouble de la fertilité voire infertilité, diminution de la quantité et de la qualité des spermatozoïdes, anomalies génétiques, bébés de petit poids, malformations des organes sexuels, naissances prématurées, avortements spontanés, chute de naissances masculines et puberté précoce ;

 Allergies, diabète, obésité, ostéoporose, dérégulation de la thyroïde, du foie et du pancréas ;

 Troubles neurologiques, maladie de Parkinson, Alzheimer et dépression ;

 Autisme, hyperactivité, troubles de l’apprentissage et déficit de l’attention chez l’enfant ;

C. Mécanismes de perturbation

Une substance peut perturber le fonctionnement du système endocrinien de trois façons différentes.

 Elle peut imiter l’action d’une hormone naturelle : elle se fixe sur le récepteur cellulaire et entraîne une réponse normale, appelée agoniste.

6

 Elle peut se lier au récepteur hormonal et empêcher l’émission d’un signal, elle entrave alors l’action des hormones. Il s’agit d’une réponse antagoniste.

 Elle peut gêner ou bloquer le mécanisme de production ou de régulation des hormones ou des récepteurs et ainsi modifier les concentrations d’hormones naturelles présentes dans l’organisme [4].

I.2 Bisphénol A

La première synthèse chimique du BPA remonte à 1891 par le chimiste russe Alexandre P. Dianin. Son activité oestrogénique a été décrite dans les années 1930 dans le cadre de la recherche d’oestrogènes de synthèse à visée thérapeutique. Après l’abandon de son projet d’utilisation comme oestrogène de synthèse, le potentiel du BPA comme monomère pour la fabrication de matériaux synthétiques sera rapidement identifié par l’industrie plasturgique. Sa production commerciale débutera dans les années 50 [5].

I.2.2 Structure et propriétés physico-chimique

Le Bisphénol A (BPA), 4-4’dihydroxy-2,2-diphenylpropane, dont la structure chimique est présentée sur la Figure I-2 (structure chimique du bisphénol A), est une molécule de petite taille. Sa formule brute est C₁₅H₁₆O₂ et son poids moléculaire est de 228.28 g/mol [5].

Le BPA comme présenté sur la figure I-3, est produit par une réaction de condensation de l’acétone avec deux phénols, réaction catalysée par l’acide chlorhydrique ou une résine de polystyrène [6].

Figure I-2 : Structure chimique de Bisphénol A (BPA) [5]

7

Figure I-3 : Réaction de formation de Bisphénol A (BPA) [6]

Tableau I-1 Caractéristiques physico-chimique de BPA [7]

Paramètres Valeurs

Formule moléculaire

C15H16O2

Masse moléculaire 228,28 g/mol

Nomenclature IUPAC 2,2-bis(4-hydroxyphényl)propane

Nom CAS Phénol, 4,4’-(1-méthyléthylidèn)bis-

Dénomination CE 4,4’-isopropylidènediphénol

Synonymes Isopropylidène bis(4-hydroxybenzène) ;

Bisphénol A ; BPA

Solubilité dans l’eau (à 25 °C) Solubilité dans l’eau (à 25 °C)

Point de fusion 156-157 °C

Point d’ébullition (à 101,3 kPa) 360 °C Pression de vapeur (à 25 °C) 4,12 10^-9 hPa

Densité (à 25 °C) 1,2 g/cm³

LogKow

3.32 Constante d’acidité/basicité (pKa) 9,59, 10,2

8

I.2.3 Sources et utilisation de BPA

Le BPA étant exclusivement d’origine anthropique, l’exposition de la population humaine au BPA a lieu uniquement depuis les sources environnementales : par l’ingestion d’aliments qui ont été au contact du BPA, par l’inhalation de poussières ou par contact cutané avec des matériaux à base de BPA [5].

La contamination de la population humaine au BPA résulterait principalement de son passage dans la chaîne alimentaire, soit par la libération de monomères suite à une polymérisation incomplète, ou à une hydrolyse de la chaîne ester qui lie les monomères de BPA dans des conditions de pH neutre ou alcalin ou au contact de liquides à haute température [5].

Depuis le début des années 60, Le BPA est grandement utilisé dans l’industrie du plastique. Avec une production supérieure à 3.5 millions de tonnes par an en 2006 [6].

Le bisphénol A est l’un des composants chimiques les plus utilisé au monde [8].

Il est utilisé sous forme de polymère dans la production industrielle de polycarbonates de plastiques (71%), de résines époxy (21%), et comme antioxydant ou inhibiteur de polymérisation dans certains plastifiants et dans les PVC (7%) [6].

Le BPA est omniprésent dans notre environnement : il a été retrouvé dans la poussière (Concentration moyenne de 553 µg/kg), l’air (0.51ng/m³), l’eau des lacs (souvent <1pg/ml, mais jusqu’a 3.6μg/ml), les résines dentaires (<2.2ng/ml), le papier recyclé ; entre 0.55 et 24.1mg/kg), les lentilles de contact et certains matériaux électroniques [8].

Le BPA est lié de façon non covalente dans ces polymères de plastiques, et peut s’en extraire naturellement en faible quantité, et à des doses plus importantes lorsque le plastique est exposé à une haute température ou en présence de détergents puissants. De plus la libération de molécules semble plus importante lors d’utilisations multiples du contenant [6].

I.2.4 Réglementation et législation sur BPA

 Le Canada fut le premiers pays à voter l’interdiction du BPA dans les biberons, en octobre 2008 ;

 La France interdit la commercialisation de biberons contenant du BPA en juin 2010 dans la Loi Grenelle 2 ;

 l’Union Européenne interdit la commercialisation de biberons contenant du BPA en novembre 2010 ;

 l’Union Européenne qui en interdit la fabrication, la vente et l’importation depuis juin 2011 ;

 Le règlement Européen 10/2011 concernant les matériaux et objets en matière plastique destinés à entrer en contact avec des denrées alimentaires autorise mais règlemente l’utilisation du BPA (Limite de migration spécifique, LMS = 0.6 mg/kg) ;

 Par mesure de précaution, la fabrication et la commercialisation des biberons contenant du bisphénol A sont interdites depuis janvier 2011 en Europe - Règlement d’exécution EU 321/2011 modifiant ce règlement 10/2011 ;

9

 En parallèle, une loi française (loi n°2012-1442) interdit son usage depuis janvier 2013 dans tous les contenants de produits alimentaires pour nourrissons et les enfants de moins de 3 ans ;

 Et à partir de janvier 2015, Cette interdiction a été étendue à tous les contenants alimentaires, conditionnement et ustensiles.

Figure I-4 : Potentielles sources d’exposition au BPA [6]

I.1.2.5 Méthodes analytique pour la détection de BPA [9]

A. SPR (Résonance des plasmons de surface) ;

B. SPE-LC-ESI-MS/MS (L’extraction sur phase solide suivie d’une chromatographie liquide et d’une spectrométrie de masse en tandem avec l’ionisation par électronébuliseur) ;

C. Détection par les capteurs électrochimiques ;

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I.3 Généralités sur les métabolites secondaires

L’utilisation des tanins dans plusieurs domaine comme la médecine, environnement et l’industrie est une valorisation de métabolisme secondaires des plantes à raisons de plusieurs caractéristiques importantes sont cités dans la partie suivante.

I.3.1 Les tanins

Les tanins sont des composants poly phénoliques présents naturellement dans les végétaux. Après la cellulose, les hémicelluloses et la lignine, les tanins sont le quatrième composant de la biomasse. Ils jouent un rôle de défense contre les insectes et les champignons, car leur forte caractéristique d’astringence rend la plante difficilement assimilable par ces organismes.

Les tanins se trouvent dans toutes les plantes en différents proportions. Les écorces des arbres en général en contiennent la quantité la plus significative, mais le tanin est présent dans tout le cytoplasme de toutes les cellules végétales [10].

On trouve deux types des tanins : A. Les tanins hydrolysables

Les tanins hydrolysables sont constitués de produits phénoliques simples comme l’acide gallique, l’acide digallique, l’acide ellagique et de monosaccharides (le glucose).

Différentes structures chimiques des tanins hydrolysables présentés dans la figure I-5.

Ils tirent leur nom de leur facilité à s’hydrolyser en présence d’un acide ou d’une base. Ils sont divisés en gallotanin et en ellagotanins.

Les tanins hydrolysables sont disponibles en grande quantité mais peu valorisés.

Néanmoins, leur faible réactivité avec le formaldéhyde limite leur utilisation dans le domaine des colles. Industriellement, on utilise principalement les tanins de châtaignier et de tara pour le tannage du cuir.

Figure I-5 les différentes formes chimiques des tanins hydrolysables [10]

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B. Les tanins condensés

Les tanins ou les proanthocyanidines condensés ; Les PAs comprennent un groupe d'oligomères polyhydroxy-flavan-3-ol et de polymères liés par des liaisons carbone-carbone entre des sous unités de flavanols. La réaction des PAs avec des molécules d'importance biologique a des conséquences nutritionnelles et physiologiques importantes. Leurs multiples groupes hydroxyles phénoliques conduisent à la formation de complexes avec des protéines et des ions métalliques ainsi qu'avec d'autres macromolécules comme les polysaccharides.

L'analyse des tanins condensés est compliquée par la diversité des structures trouvées dans ce groupe de composés [11].

Figure I-6 : L’unité basique des tanins condensés et les différentes structures [11]

Figure I-7: Structure chimique de multi-unités des tanins condensés [11]

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I.4 Sources végétales des tanins I.4.1 Le thé vert : Camélia sinensis I.4.1.1 Histoire de Camélia sinensis

L’histoire du thé, boisson obtenue par infusion des feuilles du Camellia sinensis, littéralement « Camellia Chinois », remonterait au III^èmemillénaire avant J.C. selon la légende chinoise. Cependant, les premiers écrits faisant référence de manière indiscutable au thé datent de la dynastie des Han [13]. Aujourd’hui, le thé est la boisson la plus consommée dans le monde, avec l'eau bien sûr.

Au cours des dernières décennies, les effets bénéfiques sur la santé du thé vert ont été démontrés dans un certain nombre d'études.

La consommation de thé est associée à la réduction du sérum cholestérol, prévention des lipoprotéines de basse densité (LDL) oxydation et diminution du risque de maladie cardiovasculaire et cancer. En raison de ces faits, la popularité de cette boisson a augmenté partout dans le monde [14].

I.4.1.2 Description botanique

A l’état naturel, le théier est un petit arbre très rameux, de 5 à 10 mètres de haut et pouvant atteindre 15 mètres. Les fleurs sont odorantes, axillaires et solitaires. Leur taille varie et peut aller jusqu’à 3 centimètres (cm) [15].

I.4.1.3 Classification botanique

Selon Cronquist établie en 1981, la classification botanique du thé vert est la suivante : Embranchement : Spermatophytes

Sous-embranchement : Angiospermes Classe : Dicotylédones ou Magnoliopsidae Ordre : Théales

Famille : Theaceae Genre : Camellia

Espèce : Camellia sinensis (L) O. Kuntze, syn. Thea sinensis L.

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Figure I-8 : La plante Camellia sinensis [16]

I.4.1.4 Composition biochimique

Les feuilles de thé renferment de nombreuses molécules et sont particulièrement riches en polyphénols qui sont de puissants antioxydants issus du métabolisme secondaire des plantes. Les polyphénols regroupent plus de 8000 molécules et ont en commun le phénol comme structure de base. Ils comprennent les phénols simples, les acides phénoliques, les flavonoïdes, les phytooestrogènes et les stilbènes. Les flavonoïdes constituent à eux seuls un groupe de plus de 4000 molécules et se divisent en plusieurs sous-groupes : Le groupe principal des flavanols qui comprend les flavan-3-ols et les procyanidines [12].

Figure I-9: Classification des polyphénols

(EC: Epicatéchine); (EGC: Epicatéchine gallate);( EGCG: Epigallocatéchine gallate);(ECG:

Epicatéchine gallate); (GC: Gallocatéchine);( T3G: Théaflavine-3-gallate); (T3’G: Théaflavine-3’- gallate); (T33’G: Théaflavine-33’-gallate) [12]

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Figure I-10 : différentes structures chimique des monomères des tanins condensés présent dans le thé vert [17]

15

I.1.3 Généralités sur l’adsorption

Introduction

L'adsorption est le terme utilisé pour décrire la tendance qu'ont les molécules d'un fluide à adhérer à la surface d'un solide. Cette tendance est une propriété fondamentale de la matière, puisant son origine dans les forces d'attraction intermoléculaires. Le champ de force crée une région de basse énergie potentielle près de la surface du solide, résultant en une densité moléculaire accrue.

Lors de l'étude de l'adsorption, il convient de reconnaître que le phénomène peut essentiellement être vu comme traitant soit des forces physiques liant les molécules du gaz au solide, soit des liens chimiques jouant ce même rôle. Il devient donc pertinent de catégoriser ces deux types de liens définissant l’adsorption sous les termes d'adsorption physique ou physisorption et d'adsorption chimique ou chimisorption.

I.5.1 Types d’adsorption

La physisorption fait référence aux liens faibles (typiquement de type van der Waals) que partagent les atomes ou molécules avec les surfaces solides auxquelles ils adhérent alors que lors de la chimisorption, il se produit un transfert significatif d’électrons, équivalent à la formation d'un lien chimique entre l'adsorbat et l’adsorbant (solide à la surface duquel se produit le phénomène d'adsorption). De telles interactions sont à la fois plus fortes et plus spécifiques que les forces impliquées dans la physisorption [18].

Tableau I-2 : comparaison entre physisorption chimisorption [18]

Physisorption Chimisorption

Enthalpie d’adsorption inférieure à environ de 20 kJ mol^-1

Enthalpie d’adsorption supérieure, de l’ordre de la chaleur associée à la réaction chimique se produisant entre l’adsorbat et l’adsorbant (80 kJ mol^-1)

Adsorption appréciable seulement à des températures prés du point d’ébullition de l’adsorbat

Adsorption importante possible à des températures élevées

Procédé complètement réversible Manifestation d’une hystérise entre l’adsorption et la désorption du fluide Adsorption multicouche possible Adsorption monocouche seulement

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I.1.3.1 Cinétique et isotherme d’adsorption

Les cinétiques d’adsorption permettent l’étude de la vitesse de l’adsorption, de déterminer si elle est rapide ou bien lente. Les isothermes d’adsorption permettent l’étude d’un équilibre entre deux phases, à température constante. La cinétique d’adsorption est une courbe reliant le temps à la quantité d’adsorbat. L’isotherme d’adsorption quant à elle est une courbe reliant la concentration de soluté dans la solution et la quantité de soluté adsorbée sur un solide en équilibre avec cette solution.

A. Isotherme d’adsorption

Les isothermes d’adsorption sont utilisées pour comprendre les mécanismes d’équilibre entre adsorbat et adsorbant en traçant la quantité de soluté adsorbé en fonction de la concentration à l’équilibre.

A.1 Classification des isothermes d’adsorption en phase liquide

La classification selon Giles et al [19] tient compte entre autre d’un certain nombre d’hypothèses :

 Le solvant s’adsorbe sur les mêmes sites que le soluté. Ceci implique l’existence d’une compétition d’adsorption entre le solvant et le soluté. Le nombre de sites susceptibles d’accueillir les molécules de soluté à la surface du solide diminue quand la quantité adsorbée augmente ;

 L’orientation des molécules à la surface. On peut citer le cas ou les molécules sont adsorbées verticalement ou horizontalement sur la surface ;

 Enfin, les interactions attractives ou répulsives entre les molécules adsorbées se manifestent d’une façon notable dans le phénomène d’adsorption.

Expérimentalement, on distingue quatre classes principales nommées : S (sigmoïde), L (langmuir), H (Haute affinité) et C (partition Constante), la figure illustre la forme de chaque type d’isothermes.

Figure I-11 Classification des isothermes d’adsorption selon Giles et al

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 Classe S

Les isothermes de classe S présentent, à faible concentration en solution, une concavité tournée vers le haut. Les molécules adsorbées favorisent l’adsorption ultérieure d’autres molécules (adsorption coopérative). Ceci est du aux molécules qui s’attirent par des forces de Van Der Waals, et se regroupent en ilots dans lesquels elles se tassent les unes contres les autres.

 Classe L

Les isothermes de classe L présentent, à faible concentration en solution, une concavité tournée vers le bas qui traduit une diminution des sites libres au fur et à mesure de la progression de l’adsorption. Ce phénomène se produit lorsque les forces d’attraction entre les molécules adsorbées sont faibles.

 Classe H

La partie initiale de l’isotherme est presque verticale, la quantité adsorbée apparait importante à concentration quasiment nulle du soluté dans la solution. Ce phénomène se produit lorsque les interactions entre les molécules adsorbées et la surface du solide sont très fortes.

 Classe C

Les isothermes de cette classe se caractérisent par une partition constante entre la solution et le substrat jusqu’à un palier. La linéarité montre que le nombre de sites libres reste constant au cours de l’adsorption. Ce qui implique que les isothermes de cette classe sont obtenues quand les molécules de soluté sont capables de modifier la texture du substrat en ouvrant des pores qui n’avaient pas été ouverts préalablement par le solvant.

Les isothermes peuvent être simulées par des modèles empiriques :

 Modèle de Freundlich

Ce modèle nécessite deux hypothèses : les molécules sont distribuées sur la surface selon la loi de Boltzmann et les énergies d’adsorption sont très supérieures à l’énergie thermique. Simulée par le modèle empirique suivant :

Q_e = K_F *C_e ^1/n

ou :

Qe : Quantité adsorbée a l’équilibre (mg/g) K_F : Constante de Freundlich (dm³/g)

n : Exposant de Freundlich

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 Modèle de Langmuir

Les hypothèses du modèle de Langmuir [20] sont que l’adsorption doit être en monocouche et chaque molécule prend son site à l’équilibre et ou la vitesse d’une molécule pour s’adsorber est égale à la vitesse pour se désorber. Il est supposé que tous les sites soient équivalents et qu’il n’y a pas d’interactions latérales entre les molécules adsorbées.

Q_e = (K_L *Q_max * C_e) / 1+ K_L * C_e

Qmax : Capacité maximale d’adsorption monocouche (mg/g) KL : Constante de Langmuir (dm³/g)

Ce : Concentration de la solution à l’équilibre (mg/L)

Il existe cinq modèles :

1/Qe = 1/Qm + (1/KL*Qm*Ce) (Langmuir 1) (I-4) C_e/Q_e= (1/K_L*Q_m) + (C_e/Q_m) (Langmuir 2) (I-5) Qe= (– Qe/KL*Ce) + Qm (Langmuir 3) (I-6) Qe/Ce = – KL Qe + KL Qm (Langmuir 4) (I-7) 1/C_e = [(K_L*Q_m)/Q_e ]– KL (Langmuir 5) (I-8)

 Modèle de Temkin

L’équation de Temkin [21] a été formulée dans le cas de l’adsorption des gaz sur des solides et transporté à la phase liquide par Zakouri (1990). Ce modèle suppose que la chaleur décroisse linéairement avec le taux de recouvrement, ce qui peut être expliqué par des interactions entre les molécules adsorbées sur une surface non uniforme. Cet effet peut se superposer à ceux dus à l’hétérogénéité de la surface. L’isotherme de Temkin exprimé par:

Q_e= (RT/b_T) ln(K_Tem C_e)

RT/b_T = B_{T :} est une constante liée à la chaleur d’adsorption KTem (g/l) : correspond à l’énergie de liaison maximale

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 Modèle d’Elovich

Le modèle d’Elovich [21] est basé sur un développement cinétique qui suppose que les sites d’adsorption augmentent avec l’adsorption, ce qui implique une adsorption multicouches. Il est décrit par l’équation suivante :

Q_e/Q_m = K_E C_e exp (Q_e/Q_m)

Où :

ln(Qe/Ce) = ln(KE*Qm) – (Qe/Qm)

Avec : KE : Constante d’Elovich (l/mg)

Qm : La capacité maximale d’Elovich (mg/g) B. Cinétique d’adsorption

La connaissance de la cinétique d’adsorption présente un intérêt pratique dans la mise en œuvre optimale d’un adsorbant au cours d’une opération industrielle, et dans la connaissance des facteurs à optimiser pour fabriquer ou améliorer un adsorbant conduisant à la cinétique la plus rapide possible.

La vitesse d’adsorption des molécules à la surface d’un adsorbant est généralement si élevée que la cinétique globale d’adsorption sur un grain est contrôlée par la résistance au transfert de matière plutôt que par la cinétique d’adsorption intrinsèque.

Au cours de l’adsorption d’une espèce sur un solide, le transfert de matière à lieu de la phase fluide vers les sites actifs de l’adsorbant, ce processus s’opère en trois étapes :

 Le transfert de matière externe : les molécules traversent la couche limite de fluide autour des grains d’adsorbant afin d’accéder à la surface de ceux-ci ;

 Le transfert de matière interne macroporeux : les molécules migrent à l’intérieur des macropores et des mésopores de l’adsorbant, de la surface vers l’intérieur du grain ;

 Le transfert de matière interne microporeux : les molécules diffusent dans les micropores.

20

 Modèle pseudo-premier ordre

Ce modèle a été proposé par Lagergren et exprimé par la relation suivante : dQt/dt = K1 (Qe – Qt)

Où :

Q_e : Quantité de soluté adsorbée à l’équilibre (mg/g) Qt: Quantité de soluté adsorbé à l’instant t (mg/g)

K1: Constante de vitesse de pseudo premier ordre (min^-1)

Après intégration, l’équation s’écrit : ln (Qe – Qt ) = ln Qe – K1 t

L’application de ce modèle pour un système donné peut être vérifiée en examinant la linéarité de la droite obtenue en portant ln(Qe-Qt) en fonction de t. L’ordonnée à l’origine et la pente de la droite permettent de calculer Q_e et K₁ [22].

 Modèle pseudo-second ordre

L’équation du pseudo-second ordre est souvent utilisée avec succès pour décrire la cinétique de la réaction de fixation des solutés sur l’adsorbant. Le modèle de pseudo- second ordre permet de caractériser la cinétique d’adsorption en prenant compte, à la fois, le cas d’une fixation rapide des solutés sur les sites les plus réactifs et celui d’une fixation lente sur les sites d’énergie faible [22] :

dQt /dt = K2 (Qe – Qt )²

L’intégration conduit à l’équation suivante : t/Qt = 1/(K2 Qe2

) + (1/Qe)* t

K₂ : Constante de vitesse de second ordre (mg. g^-1. min^-1).

La quantité adsorbée à l’équilibre Qe et K2 peuvent être déterminées expérimentalement à partir de la pente et de l’ordonnée à l’origine de t/Qt= f (t) [23].

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 Modèle de diffusion intra-particulaire

La diffusion intra-particulaire est l’étape limitante la plus fréquente dans les processus d’adsorption. La possibilité de la diffusion intra-particulaire peut être explorée en utilisant le modèle de diffusion intra- particulaire proposé par Weber et Morris.

Kint :Constante de vitesse de diffusion intra-particulaire (mg.g^-1.min^-1/2) C’: constante liée à l’épaisseur de la couche limite (mg/g)

La représentation de Qt en fonction de √t permet de calculer la constante de vitesse Kint et de mettre en évidence les différentes étapes du processus [24].

I.5.3 Thermodynamique d’adsorption

L’étude thermodynamique reflète la faisabilité et la nature spontanée du processus d’adsorption. Les paramètres tels que l’enthalpie libre (ΔG°), la variation d’enthalpie (ΔH°) et la variation d’entropie (ΔS°) peuvent être estimées à partir des constantes d’équilibre à différentes températures. [21]

L’adsorption d’un composé chimique (organique ou minéral) à la surface d’un solide est un équilibre entre une réaction d’adsorption et la réaction inverse de désorption qui peut être schématisée comme suite :

Site libre solide + Soluté liquide ou gaz = [complexe] solide

Cette équilibre peut être caractérisé par des constantes de vitesse d’adsorption et de désorption (k_ads , k_dés) et par une constante K_ads . Comme toutes réactions chimiques, la variation de l’enthalpie libre est exprimée :

ΔG = ΔG° + RT ln K ads (I-18) ΔG°: la variation d’enthalpie libre standard

R : constante des Gaz parfait à l’équilibre ΔG = 0 T : la température absolue

Par conséquent : ΔG°= - RT ln (K ads) (I-19)

D’autre part, à l’état d’équilibre, la variation de l’enthalpie libre standard est encore la différence entre les énergies d’activations d’adsorption et de désorption.

L’énergie d’activation est elle-même reliée à la constante de vitesse de la réaction par la loi d’Arrhenius :

ΔG°= E_ads - Edés (I-20)

22

K= A exp (-Ea/RT) (I-21) Des équations 10, 11, 12 :

ΔG°= -RT ln (kads/k_dés) (I-22) Et: K_ads= k_ads/kdés (I-23)

I.1.3.2 Les facteurs influençant l’adsorption

Un grand nombre de paramètres et de propriétés peuvent affecter l’adsorption d’une substance sur un support dont les principaux sont :

 Le pH ;

 La force ionique ;

 La concentration en polluant ;

 La surface spécifique et la porosité d’adsorbant ;

 La masse de l’adsorbant ;

 La polarité ;

 L’agitation.

23

I.6 Généralités sur les biocapteurs

I.6.1 Histoire des biocapteurs

L’histoire des biocapteurs a débuté dans les années 1950 grâce à l’élaboration par Lyons et Clark de la première électrode capable de mesurer la concentration en oxygène dissous dans le sang. Le couplage de cette électrode à oxygène à une membrane enzymatique renfermant la glucose oxydase a par la suite permis la détermination de la teneur en glucose dans le sang et dans différentes autres solutions biologiques. A la fin des années 70, Guilbault a créé un dispositif pour doser l’urée dans le sang et l’urine. Depuis ces premières ébauches, les biocapteurs ne cessent de susciter l’intérêt des chercheurs et le progrès accomplis dans ce domaine a permis le développement de dispositifs implantables chez des animaux de laboratoire et même chez des patients [25].

I.6.2 Définition d’un biocapteur

Un biocapteur est un système qui utilise des réactions biologiques pour détecter un composé à analyser. Un tel système relie intimement l’élément de reconnaissance biologique (qui réagit avec l’analyte) à un transducteur qui transforme cette bio-reconnaissance en un signal physique utile. Les transducteurs courants possèdent des éléments optiques, électrochimiques ou mécaniques [26].

Figure I-12 Schéma de principe de fonctionnement d’un biocapteur [26]

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I.6.3 Types de biocapteurs

En peut classer les biocapteurs selon l’élément de reconnaissance biologique, appelé aussi biorécepteur, en trois types :

A. Biocapteur d’affinité

Le biorécepteur fixe l’analyte sans provoquer la réaction chimique. Il est caractérisé par sa haute sélectivité et sa forte affinité vis-à-vis de l’analyte. La liaison mise en jeu lors de l’interaction n’est pas covalente, seules des liaisons hydrogènes, ioniques, de Van der Waals ou hydrophobes sont formées. Cette liaison est cependant extrêmement forte du fait de l’existence de nombreuses interactions moléculaires.

B. Biocapteur métaboliques

Les biorécepteurs métaboliques catalysent une réaction dans laquelle est consommé l’analyte cible. Ce type de biocapteur est caractérisé par sa capacité de reconnaissance et sa forte activité à des faibles concentrations.

C. Biocapteur biomimétiques

Sa partie de reconnaissance est sous forme d’entités synthétiques qui miment le comportement des biorécepteurs naturelles [25].

Figure I-13 les différents types des biorécepteurs [25]

25

I.6.4 Paramètres et caractéristiques des biocapteurs

Il existe plusieurs caractères communs dans le domaine des capteurs :

 Précision ;

 Sensibilité ;

 Sélectivité ;

 Autonomies ;

 Linéarité ;

 Réversibilité ;

 Temps de réponse ;

 Fiabilité.

I.6.5 Méthodes électrochimiques de caractérisation I.6.5.1 Techniques voltammétriques

La voltammétrie est une méthode d’électroanalyse basée sur la mesure du flux de courant résultant de réduction ou d’oxydation des espèces présentes en solution [27].

Les différentes techniques voltammétriques découlent des innovations portant sur la façon dont le signal E=f(t) est imposé et le signal I = f(E) est mesuré qui ont été développées dans le but de maximiser le rapport (I_f /I_c) afin d’augmenter la sensibilité. Si le courant faradique associé aux processus d'oxydo-réduction, I_c est le courant capacitif lié à l'existence de la double couche électrique. Soit I = I_f+ I_c (contribution faradique et capacitive à l’interface électrode/solution).

I.6.5.2 La voltampérométrie cyclique

La voltampérométrie cyclique est une méthode électrochimique qui utilise des microélectrodes ainsi qu’une solution non agitée. Ainsi le courant mesuré est limité par la diffusion de l’analyte à la surface de l’électrode. L'avantage de la voltampérométrie cyclique résulte de sa capacité à obtenir rapidement des informations sur les processus redox, sur la cinétique des réactions de transfert électronique hétérogène, des réactions chimiques couplées, ou encore des processus d'adsorption. De plus, elle est très employée pour la caractérisation de nouveaux systèmes et l'étude de réactions complexes. Elle consiste en l'application d'un balayage linéaire de potentiel jusqu'à une borne supérieure (balayage aller), puis d'une inversion de celui-ci, tout en conservant la même vitesse de balayage, jusqu'à une borne inférieure de potentiel (balayage retour).

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Cette technique électrochimique d’analyse permet notamment de mettre en évidence la réversibilité du système (présence d’un pic allé et d’un pic retour) [28]. Le potentiel est fonction de la vitesse de balayage des potentiels (ν) et du temps (t) :

E = E i ± ν t (I-24)

Ei désigne le potentiel initial, ou potentiel de départ. Dans la plupart des cas, celui-ci est choisi égal au potentiel à intensité nulle (Ei= 0) afin de s'assurer qu'aucune réaction électrochimique n'ait lieu au début du tracé de la courbe intensité-potentiel. Il existe, donc des critères permettant de différencier ces différents systèmes en voltampérométrie cyclique :

 Système réversible :

Si le transfert électronique est très rapide à la surface de l’électrode, le rapport des concentrations interfaciales en oxydant et en réducteur est donné par la loi de Nernst et est fonction du temps. Ce problème a été résolu numériquement par Randles et Sevcik [29] puis par Nicholson et Shain [30] et permet d’exprimer les différentes caractéristiques de la courbe intensité-potentiel en fonction des différents paramètres du système.

L’intensité du pic Ip est proportionnelle à la racine carrée de la vitesse de balayage et est donnée par la relation de Randles-Sevcik :

Ip = (2.69*10⁵)*n^3/2*aD^1/2*V^1/2*C (I-25) V : vitesse de balayage (V cm^-1)

C* : concentration de l’espèce électroactive (mmol l^-1) n : nombre d’électrons échangés

a : surface de l’électrode (cm²) D : coefficient de diffusion (cm² s^-1).

Figure I-14 Signal potentiel- temps typique de la voltampérométrie cyclique E

f

E

i

Temps t