HUGUENIN Joris S. Hamady , A. Beljebbar G.D. Sockalingum ...2014_Joris+Hugu… · SERS : Surface Enhanced Raman Scattering But : Amplification du signal Raman (~+106 to 1012) (cross

HUGUENIN Joris a

S. Hamady a, A. Beljebbar b,

G.D. Sockalingum b, P. Bourson a

Contact : [email protected]

a) Université de Lorraine , LMOPS, EA4423, 2 Rue E. Belin, 57070 Metz, France

Supélec , LMOPS, EA4423, 2 Rue E. Belin, 57070 Metz, France

b) Université de Reims Champagne-Ardenne , MéDIAN-Biophotonique et Technologies pour la Santé, Unité CNRS UMR7369- MEDYC, Faculté de

Pharmacie, 51 rue Cognacq-Jay, 51096 Reims Cedex, France

GFSV 2014

I. Contexte II. Mesures in situ par Spectroscopie Raman III. Calcule des concentrations des substances allelopathiques IV. Augmentation de la sensibilité par SERS V. Conclusion

Joris Huguenin 15.04.2014

2 I. II. III. IV. V.

GFSV 2014

Procédure d’hyper eutrophication : • Abondance de nutrient (nitrate;

phosphate; …) • Prolifération d’algues invasives • Opacité des surfaces • Diminution du taux d’oxygène • Dégradation de la biomasse • Extinction des écosystèmes aquatiques

Risques pour la société humaine : • Engendre des maladies

(hépatotoxines et neurotoxine) • Arrêt des industries utilisant des

eaux de refroidissement • Pollution visuelle et olfactive



GFSV 2014

Au long terme : diminution drastique des rejets chimiques.

En période de "bloom algal" : • Enlever des algues invasives • Utiliser un algicide

Différents types d’algicides :

• Algicides chimique, très efficace … et très nocifs pour l’environnement • Notre projet (BioCapTech) utilise les propriétés allélopathiques des plantes



GFSV 2014

Buts du projet BioCapTech : Extraction et synthèse des substances allélopathiques Détection des algues cibles Détermination des seuils écotoxicologique Traitement in situ

Deux objectifs pour notre laboratoire : -Mesurer la concentration des substances allélopathiques durant le traitement -Détecter des traces des substances après traitement La principale technologie utilisé est la spectroscopie Raman L’acide gallique (3,4,5-trihydroxybenzoique acide) est une des substances allélopathiques



GFSV 2014

Spectroscopie Raman : observation des modes vibrationnelles d’un système

Rapide, non destructive, sans préparation d’échantillons, utilisable sur le terrain

Analyse des solutions aqueuses possible

Méthode quantitative et qualitative

Diffusion Rayleigh(>99,9%) : diffusion élastique la longueur d’onde est inchangée

Diffusion Raman : diffusion inélastique la longueur d’onde est modulée d’un quantum d’énergie

Informations obtenues par spectroscopie Raman

RXN 1 de Kaiser Optical Systems : - 785 nm - Domaine spectral : 100 to 3450 cm-1

- Résolution spectrale : 4 cm-1

- Sonde à immersion

Aramis de Horyba Jobin Yvon: - 405 / 532 / 633 / 785 nm - Domaine et résolution

spectrale dépendent de la longueur d’onde

Instrumentation



GFSV 2014

La synthèse de l’acide gallique est connu depuis 1836 par M.Pelouze[1]

Son spectre Raman a été obtenue par Billes et al.[2]

Indexation grâce au livre de G.Socrates[3] et d’autres articles [1]Pelouze, Mémoire sur le tanin et les acides gallique, pyro-gallique, ellagique et méta-gallique, 1836 [2]Billes et al., Vibrational spectroscopy, Elsevier, 2007, 43, 193-202 [3]Socrates, G., Wiley, 2004



GFSV 2014

[1]Pelouze, Mémoire sur le tanin et les acides gallique, pyro-gallique, ellagique et méta-gallique, 1836 [2]Billes et al., Vibrational spectroscopy, Elsevier, 2007, 43, 193-202 [3]Socrates, G., Wiley, 2004



La synthèse de l’acide gallique est connu depuis 1836 par M.Pelouze[1]

Son spectre Raman a été obtenue par Billes et al.[2]

Indexation grâce au livre de G.Socrates[3] et d’autres articles GFSV 2014

Paramètres de la qualité des eaux: • Température • pH • Conductivité • Taux d’oxygène

Les variations journalières et

saisonnières sont importantes[4].

[4]Moatar et al., La Houille Blanche, n°4 - 2009

Un exemple du suivi des variations au printemps[4] .



GFSV 2014

Variation de 2 à 50 °C.

Pas de shift des bandes Raman Forte diminution du signal passé 40 °C



GFSV 2014

Acide gallique : -COOH pKa = 4,52 -OH1 pKa = 8,71 -OH2 pKa = 9,95 -OH3 pKa = 11,32

Déprotonation de l’acide gallique • Bandes OH décroît

• σ(COO -) à 1400 cm -1

• σ(C-O) à 990 cm -1 Modifications spectrales très complexes

Fenêtre des variations naturelles du pH

Digramme de distribution des espèces[7]

[7]L.Dangleterre, thèse, 2007



pH

GFSV 2014

Etude de différents sels dominants dans les effets d’eutrophisations. • Phosphate (a) • Carbonate (b) • Nitrate (c) • Sulfate

Formation de complexe peu visible avec la spectroscopie Raman

La nature du sel à peu d’influence devant le pH[5,6].

[5] Elbagerma,Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Elsevier, 2010, 75, 1403-1410 [6] Friedman, J. Agric. Food Chem. 2000, 48, 2101-2110

(a)

(b)

(c)



GFSV 2014

Analyse univariée (par ratio de bande) : • Simple • Limite de détection : ~200mg/l • Utilisée seulement dans l’eau distillée

Pour améliorer la limite de détection Analyse multivariée



GFSV 2014

Analyse multivariée (méthodes chimiométrique) Limite de détection : ~100 mg/l Prend en compte de nombreux paramètres (concentration, baseline, température, pH, …)

Reference Y (C (g/l), Factor-2)-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Pre

dict

ed Y

(C (g

/l), F

acto

r-2)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

Predicted vs. Reference

888888888242424242424242424484848484848484848

104104104104104104104104104196196196196196196196196196

496496496496496496496496496

996996996996996996996996996

200820082008200820082008200820082008

40004000400040004000400040004000

40005016501650165016501650165016501650165016

Elements:

Slope:

Offset:

Correlation:

R2(Pearson):

R-Square:RMSEC:

SEC:

Bias:

91

0.9993569

0.8627448

0.9996784

0.9993569

0.9993569

45.180408

45.430714

-6.4389e-05

Elements:

Slope:

Offset:

Correlation:

R2(Pearson):

R-Square:RMSEC:

SEC:

Bias:

91

0.9993569

0.8627448

0.9996784

0.9993569

0.9993569

45.180408

45.430714

-6.4389e-05

Reference Y (C (g/l), Factor-2)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Pre

dict

ed Y

(C (g

/l), F

acto

r-2)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

Predicted vs. Reference

8

8

8

8

8

8

88

8

24

24

242424

24

242424

48484848

48

48

484848

104104

104

104

104

104

104104

104

196196196

196196196

196

196196

Elements:

Slope:

Offset:

Correlation:

R2(Pearson):

R-Square:RMSEC:

SEC:

Bias:

91

0.9993569

0.8627448

0.9996784

0.9993569

0.9993569

45.180408

45.430714

-6.4389e-05

Elements:

Slope:

Offset:

Correlation:

R2(Pearson):

R-Square:RMSEC:

SEC:

Bias:

91

0.9993569

0.8627448

0.9996784

0.9993569

0.9993569

45.180408

45.430714

-6.4389e-05



GFSV 2014

Le pH est un facteur important entraînant des variations spectrales encore peu étudiées

La température à un faible impact sur les spectres Raman

Ces facteurs sont pris en compte avec une analyse chimiométrique

Nous pouvons déterminer la concentration de l’acide gallique supérieur à quelques centaines de mg/l

Pour les mesures in situ nous avons besoin de plus de sensibilité

Nous voulons détecter des concentrations de l’ordre du mg/l puisque l’objectif est d’utiliser le moins de substance

(limité par les seuils écotoxicologiques)

Technologie SERS



GFSV 2014

SERS : Surface Enhanced Raman Scattering

But : Amplification du signal Raman (~+106 to 1012)

Molécules adsorbées sur des métaux nobles (Argent ou Or) Nanoparticules ; Colloïdes ; Sol-gel Substrats rugueux

Avantages :

Supprime la fluorescence Détecte de très faible concentration

Difficulté[8-10] :

Petite molécule Eau naturelle et continentale

Diagramme des intensités de diffusions (cross section scattering)

In Real Time Analyse ©



[8] Péron O et al. ; Applied Spectroscopy ; oct 2010 ; vol 64, Issue 10, p. 1086-1093 [9] Li Y-T et al. ; Biosensors and Bioelectronics ; 2013 ; vol 43, p 94-100 [10] Zhou H ; Analytica chemistry ; 2014 ; vol 86, p 1525-1533

GFSV 2014

Substrat Klarite (Renishaw)

Signal SERS intense obtenu à 200 mg/l

Bonne reproductivité

Application in situ difficile

Pas encore quantitative

Citations: All dyes except gallic acide and ellagic acid gave SERS spectra of

varying quality on the two film-type supports. [11] Leona et al., J. Raman Spectrosc. 2006; 37: 981-992

Renishaw © 2µm



GFSV 2014

Pour obtenir un bon signal SERS : Différentes méthodes pour les préparations

de colloïdes : • Lee et Meissel[12]

• Creighton et al. [13]

• Leopold et Lendl [14]

Beaucoup de sels disponibles pour l’agrégation :

• Sodium nitrate (NaNO3) C=0.5 M

• Sodium perchlorate (NaClO4) C=0.5 M

• …

D’autres paramètres à optimiser : • pH des solutions de colloïdes

• Concentration en colloïdes et en sels

• …

[12] Lee P C and Meisel D 1982 J. Phys. Chem. 86; 3391-3395 [13] Creighton J A, Blatchford C G and Albrecht M G 1979 ; J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2 ;75 ; 790 [14] Leopold N and Lendl B 2003 J. Phys. Chem. B 107; 5723-5727

Nanoparticles d’AG

( 80% du volume )

Acide gallique (10% du volume)

+sel (10% du volume)

Video



GFSV 2014

Validation des préparations colloïdales par la littérature

Détection de l’acide gallique

Bonne reproductibilité et compatibilité entre les différentes préparations

[15] YJ Kwon et al., Phys.Chem., 1994, 98(34), p8481–8487



GFSV 2014

CONVENTIONNEL SERS

Concentration : 200 mg/l Temps d’acquisition : 10 sec (x3) Imax ≈ 200 u.a

Concentration : 2 mg/l Temps d’acquisition : 1 sec (x3) Imax ≈ 20 000 u.a



GFSV 2014

Solution complexe (nanoparticules + sels + substances actives)

Pas de corrélation : Concentration ↔ intensité signal Analyse et compréhension des

différentes contributions

Développent de méthodes quantitatives en cours



GFSV 2014

Raman conventionnel : • Détections et identification spectral of acide gallique • Compréhension et modélisation des différents mécanismes externes

(pH, température, …) • Détection limite d’environ 100 mg/l dans l’eau distillée Développement de modèles chimiométriques réalistes pour les eaux naturelles

SERS :

• Détection de 2 mg/l d’acide gallique • Bonne répétabilité • Analyse et compréhension du spectre SERS de l’acide gallique en cours Développent de méthode pour le SERS quantitatif



GFSV 2014

[email protected]

Le projet "BioCapTech“ réunie 7 laboratoires et 5 compagnie. Il est financé par l’AME du Conseil Régional de Lorraine et par l’Union européenne (Feder).

GFSV 2014

Documents

HUGUENIN Joris S. Hamady , A. Beljebbar G.D. Sockalingum ...2014_Joris+Hugu… · SERS : Surface Enhanced Raman Scattering But : Amplification du signal Raman (~+106 to 1012) (cross