Elaboration d’un biocapteur (MWCNTs-AuNPs/E.coli) pour la détection de quelques métaux lourds (Pb, Cd, Hg)

Abstract

La grande variété des polluants inorganiques et leurs diverses origines élargissent leur contamination dans l’environnement. Notamment, leur présence dans les effluents liquides y compris l’eau potable, ce qui multiplie le risque de s’exposer quotidiennement à ce genre des contaminants. Par conséquent, il provoque le déséquilibre du système nerveux chez l’être vivant et engendre des maladies cardio-vasculaires. En outre, ces substances inorganiques se distinguent par leur très forte toxicité qui se caractérise par leur action inhibitrice irréversible même à de très faible concentration. A cet effet, le développement d’un instrument d’analyse capable de détecter très rapidement ces polluants en temps réel est d’une nécessité absolue. Contrairement aux instruments classiques de mesure, les biocapteurs offrent l’avantage de la détection sur site, continue et en temps réel de la substance désirée. L’objectif de ce travail est de développer un nouveau biocapteur enzymatique pour la détection des polluants inorganiques tels que (mercure, plomb, cadmium). La nouvelle plateforme de détection préparée dans ce travail est à base de nanotubes de carbone à multi-paroi (MWCNTs), de polyvinyle de fluorure (PVDF) et les nanoparticules d’Or (AuNPs) sur laquelle est déposée les enzymes provenant de la bactérie inactivée (E.coli*) combinée avec la protéine de bovine sérum albumine (BSA). La caractérisation du matériau composite est effectuée par les méthodes électrochimiques tels que la voltamètrie cyclique (CV), à ondes carrées (SWV) et à impulsion différentiel (DPV), et aussi la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Aussi, les méthodes physico-chimiques sont appliquées pour confirmer la biocompatibilité du nanocomposite à base de MWCNTs-PVDF-AuNPs/E.coli*-BSA. Le biocapteur est appliqué avec succès pour la détection des métaux lourds (Pb2+, Hg2+, Cd2+) dans des échantillons réels comme les eaux usées et le produit cosmétique avec une excellente sélectivité. Le biocapteur est très sensible (30,1 μA/ppb) avec une bonne stabilité et une reproductibilité fiable (RSD =0,23 %) pour la détection des ions de plomb et semble opérationnel pour la détection d'autres métaux lourds

The wide variety of inorganic pollutants and their diverse origins expand their contamination in the environment. In particular, their presence in liquid effluents including drinking water, which multiplies the risk of daily exposure to this type of contaminant. Consequently, it strongly affects the nervous system and generates cardiovascular diseases. In addition, these inorganic substances are distinguished by their very high toxicity which is characterized by their irreversible inhibitory action even at very low concentrations. Hence, the development of an analytical device for rapid detection of these pollutants in real time is of crucial importance. Unlike conventional measuring instruments, biosensors offer the advantage of on-site, continuous and real-time detection of the desired substance. This work aims to develop a new enzymatic biosensor for the detection of inorganic pollutants such as (mercury, lead, cadmium). The new sensing platform prepared in this work is based on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), polyvinyl fluoride (PVDF) and gold nanoparticles (AuNPs) on which enzymes from the inactivated bacteria (E.coli*) combined with the protein of bovine serum albumin (BSA) are deposited. The characterization of the nanocomposite is carried out by electrochemical methods such as cyclic voltammetry (CV), square wave voltammetry (SWV) and differential pulse voltammetry (DPV), and also with an electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Also, physic-chemical methods are applied to confirm the biocompatibility of the nanocomposite based on MWCNTs-PVDF-AuNPs/E.coli*-BSA. The biosensor is successfully applied for the detection of heavy metals (Pb2+, Hg2+, Cd2+) in real samples like wastewater and cosmetic product with excellent selectivity. The biosensor is very sensitive (30.1 μA/ppb) with good stability and reliable reproducibility (RSD =0.23%) for the detection of lead ions and seems operational for the detection of other heavy metals.