Cette thèse a pour but la réalisation de capteurs fluorescents à base de liquides ioniques à tâche spécifique pour la quantification de traces de métaux lourds dans l’eau. Dans un premier temps, des sondes moléculaires fluorescentes efficaces pour la détection du mercure, du plomb et du cadmium ont été ciblées. Une première famille de molécules d’éthers lariat d’oxyde de phosphine a montré de bonnes affinités pour le plomb et le cadmium. Tandis qu’un dérivé de séléniure de phosphine s’est révélé être un très bon chemodosimètre pour le mercure avec une limite de détection basse de 3,4 nmol.L-1. Des sondes moléculaires fluorescentes dérivées de la 8-hydroxyquinoléine comportant un groupement phosphinate ou thiophosphinate capables de complexer le mercure en milieu aqueux ont permis d’atteindre une limite de détection exceptionnelle de 0,1 nmol.L-1. Enfin, un composé dérivé de la phénantroline capable de complexer très efficacement le cadmium avec la possibilité de détecter des traces de ce cation est présenté. Après indentification des sondes spécifiques pour les métaux lourds d’intérêt pour le projet, celles-ci ont étés fonctionnalisées afin de les incorporer dans un liquide ionique hydrophobe pour former des liquides ioniques à tâche spécifique pour l’extraction et la détection de métaux lourds. En parallèle du travail concernant les sondes moléculaires, un dispositif d’analyseur de métaux lourds portatif a été mis au point, notamment un nouveau module de détection optique développé. Ce dispositif permet là aussi de détecter des traces de mercure sub-nanomolaire. / The aim of this PhD is the realization of fluorescent sensors based on task specific ionic liquids for the extraction and the quantification of trace of heavy metals ions in water. As a first step, efficient fluorescent molecular probes for the detection of mercury, lead and cadmium were targeted. Two lariat ethers derivated from phosphine oxide show good affinity for lead and cadmium, while a phosphine selenide derivative has proven to be a very good chemodosimeter for mercury with a low detection limit of 3.4 nmol.L-1. Secondly, fluorescent molecular probes derived from 8-hydroxyquinoline having a phosphinate or thiophosphinate group are described. These molecules are able to coordinate mercury in aqueous medium and allow to detect a concentration of mercury in water of 0.1 nmol.L-1. Finally, a phenanthroline derivative for detection of cadmium in aqueous medium is described. With this compound, traces of cadmium can be detected. After identification of the most efficient probes for targeted heavy metals ions, they have been functionalized to be incorporated in a hydrophobic ionic liquid to form task specific ionic liquids for the extraction and detection of heavy metals ions. In parallel of this work on molecular probes, an portable analyzer of heavy metals ions has been developed, including a new optical detection module. This device can also detect sub-nanomolar traces of mercury.

La conception, la synthèse et l’étude des propriétés photophysiques de sondes fluorescentes d’espèces moléculaires ou de cations présente beaucoup d’intérêt dans des domaines aussi divers que l’environnement et la biologie. En particulier, les cations polluants (cations d’aluminium, cations de potassium) et les résidus de pesticides (tels que le glyphosate ou l’atrazine) qui n’étant pas dégradés par le métabolisme, ils se retrouvent dans les eaux de boissons à des concentrations délétères pour l’environnement. Les méthodes analytiques actuelles telles que la spectroscopie d'absorption atomique, la spectroscopie de masse sont coûteuses et ne peuvent être utilisées que pour les déterminations à l'intérieur. Inversement, l'utilisation de la technique de fluorescence offre des avantages distincts en termes de sensibilité, de sélectivité et de développement potentiel d'appareils portables.Dans cette thèse, des sondes fluorescentes efficaces pour la détection de l'aluminium, du potassium, du glyphosate et de l'atrazine ont été ciblées. Pour l'aluminium, une nouvelle sonde hydrosoluble (PSSA) a été synthétisée, reconnaissant les cations d'aluminium sur la base du mécanisme d'amélioration de l'émission induisant une agrégation. Avec une limite de détection de 153 nM et une bonne propriété de sélectivité, le PSSA a également été intégré avec succès dans un système PDMS / verre afin de permettre l’utilisation d’un dispositif portable pour la détection de l’aluminium.Ensuite, deux sondes synthétisées différentes de notre laboratoire (Calix-Rhod-aza et DMAP-BARB) ont été considérées dans cette thèse. Ces sondes ont été développées pour la détection de potassium et d'atrazine, respectivement. Pour les deux molécules, la photophysique et la complexation vis-à-vis d'espèces ciblées ont été étudiées, et deux configurations différentes de microfluidique capillaire en PTFE ont été réalisées pour leur détection, avec des limites de détection très satisfaisantes (qui bien conformes à la gamme des normes réglementaires).Enfin, des efforts ont été consacrés à la conception et à la synthèse de nouveaux capteurs pour le glyphosate. Quatre sondes différentes ont été conçues (GlyP-a, GlyP-b, GlyP-c, GlyP-d). GlyP-a a été faite, alors que les autres étaient à deux pas de la réalisation. En effet, ce projet est toujours en cours dans notre laboratoire, en prenant les résultats préliminaires de ce travail. / The design, synthesis and photophysical studies of fluorescent sensors of neutral molecules or cations are of great interest in environment and biology. In particular, metal-based pollutants (aluminium cations, potassium cations) and pesticide residues (such as glyphosate or atrazine) which are not degraded by the metabolism can be found in drinking water at harmful concentrations to the environment. Actual analytical methods such as atomic absorption spectroscopy, mass spectroscopy are expensive and can only be used for indoor determinations. Conversely, the use of fluorescence technique offers distinct advantages in terms of sensitivity, selectivity with a potential development of portable devices.In this thesis, efficient fluorescent probes for the sensing of aluminium, potassium, glyphosate and atrazine were targeted. For aluminium, a novel water-soluble probe (PSSA) was synthesized, which recognize aluminium cations based on aggregation-induce emission enhancement mechanism. With a detection limit of 153 nM and good selectivity property, PSSA was also successfully incorporated onto a PDMS/glass system for enabling a portable device for aluminium detection.Next, two different synthesized probes from our laboratory (Calix-Rhod-aza and DMAP-BARB) were considered in this thesis. These probes were developed for potassium and atrazine sensing, respectively. For both molecules, the photophysical and complexation towards targeted species were studied, and two different PTFE capillary microfluidics set-ups were realized for their detection, with highly satisfactorily detection limits (well in accordance with the range of the regulation standards).Finally, efforts were given on the design and synthesis of new sensors for glyphosate. Four different probes were designed (GlyP-a, GlyP-b, GlyP-c, GlyP-d). GlyP-a has been made, while the others were just one step away from realization. Indeed, this project is still under progress in our laboratory, taking the preliminary results from this work.

Ce travail concerne la synthèse, les études des propriétés photophysiques et de complexation des molécules fluorescentes pour la détection sélective de cations toxiques tels que le césium, l'uranyle et l'arsenic. Tout d'abord, deux nouveaux capteurs fluorescents pour le césium, Calix-COU-P et Calix-COU-Benz-CN, comportant le Calix[4]arène-couronne-6 et le fluorophore coumarine ont été synthétisés avec succès. En ce qui concerne le Calix-COU-P, une forte exaltation de fluorescence et un déplacement bathochrome d'absorption ont été observés en présence de césium dans l'eau. Une très bonne limite de détection (0,77 μM) ainsi qu'une excellente sélectivité vis-à-vis du césium ont été observées, démontrant que Calix-COU-P pourrait être un capteur exceptionnel pour la détection de césium dans l'eau. Calix-COU-Benz-CN possède quant à lui des propriétés photophysiques prometteuses dans un milieu partiellement aqueux avec des bandes d'absorption et de fluorescence intenses en visible grâce à la présence des groupements benzothiazole et cyano. L'addition de césium conduit aux déplacements ver le bleu des spectres d'absorption et une augmentation de l'intensité de fluorescence. L'étude de la cinétique de complexation entre Calix-COU-Benz-CN et Cs+ par la technique « stopped-flow » a montré une cinétique rapide à faibles concentrations de cations et une cinétique plus longue à des concentrations élevées (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN a ensuite été incorporé dans un dispositif microfluidique. Une courbe d'étalonnage qui représente l'intensité de fluorescence en fonction de la concentration du césium montre une valeur de limite de détection de l’ordre de 2,0 μM. Deux composés analogues contenant la même entité complexante Calix[4]arène-couronne-6 ont été également synthétisés et greffés sur des nanoparticules magnétiques afin d’obtenir un matériau fonctionnalisé pour la décontamination de l’eau contenant le césium radioactif. L'étude préliminaire montre que les nanoparticules fonctionnalisées pourraient capter efficacement une quantité très faible du césium dans l’eau contaminée. Par la suite, en vue de développer des capteurs pour l’uranyle, une série de dérivés de salicylaldéhyde-azine ont été synthétisés et caractérisés. Leurs propriétés d'émission induites par l'agrégation (AIE) ont été étudiées. Dans un mélange eau/acétonitrile, les composés U1 et U2 présentent une forte fluorescence lors de l'agrégation tandis que le composé U3 ne présente pas cet effet AIE dans la même condition. Grâce aux sites de complexation contenant des atomes d’oxygène et d'azote, ces molécules présentent une complexation efficace avec les ions uranyle et induire une extinction de la fluorescence. Dans notre étude, il était intéressant de noter la présence d’uranyle conduit à une destruction de l'agrégation, en particulier pour la molécule U2 dans un mélange eau / acétonitrile 60:40. L’extinction de l’émission a été expliquée par des processus de destruction d'agrégats émissifs lors de la complexation avec le cation. Le mécanisme proposé a été validé par des expériences de diffusion dynamique de la lumière et de microscopie électronique à balayage. Le composé U2 présente une bonne sélectivité vis-à-vis de l'uranyle en présence des lanthanides et des autres cations compétitifs. Le capteur permet la détection de concentrations de l’ordre ppb en uranyle. Enfin, la synthèse et l'étude de nouveaux capteurs pour la détection de l’arsenic ont également été discutées. Une série de capteurs fluorescents portant l’entité complexante cystéine a été synthétisée et leurs propriétés complexantes pour l'arsenic ont été étudiées. De plus, des nanoparticules d'or modifiées par la cystéine, le glutathion et le dithiothréitol ont été synthétisées. La complexation de l'ion arsenic avec ces nanoparticules a été étudiée et discutée. Une perspective sur le développement de nouveaux capteurs pour l’arsenic a été proposée. / This thesis focuses on the synthesis, photophysical and complexation studies of fluorescent molecules for the selective detection of toxic cations such as cesium, uranyl and arsenic. Firstly, two new fluorescent sensors Calix-COU-P and Calix-COU-Benz-CN for cesium cations based on Calix[4]arene-crown-6 and coumarin fluorophore were successfully synthesized. For Calix-COU-P, a remarkable fluorescence enhancement and a red shift in absorption were observed due to the complexation with cesium cation in water. Good detection limits (0.77 µM) together with an excellent selectivity towards cesium were observed, demonstrating that Calix-COU-P could be an outstanding sensor for the detection of cesium cation in water. Calix-COU-Benz-CN possesses exceptional photophysical properties in an organoaqueous solution with intense visible absorption and emission bands thanks to benzothiazole and cyano groups. The addition of cesium cation to Calix-COU-Benz-CN offered noticeable blue shifts of the absorption spectra and considerably enhanced the emission intensity. The kinetic study of the complexation between Calix-COU-Benz-CN and Cs+ by stopped-flow experiments showed a rapid kinetic at small concentrations of cations and a lower kinetic at higher concentrations (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN was then incorporated into a microfluidic device. The voltage signals, which are proportional to the fluorescence intensity, were monitored continuously at various cesium concentrations. A calibration curve which represents the fluorescence intensity as a function of cesium cation concentration gives a value of detection limit up to 2.0 µM. This value is only slightly higher than the detection limit obtained by fluorescence titration (1.67 µM), which suggests that the microfluidic device is capable to provide good sensitivity towards targeted ion for real-world applications. Furthermore, two analogous compounds Calix-DOP and Calix-DOP-P containing the same complexing entity were also synthesized and grafted onto magnetic nanoparticles in order to obtain a functionalized material for the decontamination of the water containing radioactive cesium. The preliminary study shows that functionalized nanoparticles could efficiently sequester cesium ions from contaminated water.Afterward, to develop new sensors for the detection of uranyl cations, a series of salicylaldehyde azine derivatives have been synthesized and characterized. Their aggregation induced emission properties were studied. In water/acetonitrile solvent, compounds U1 and U2 exhibited strong fluorescence upon aggregation while compound U3 did not aggregate and stayed in solution as well-dispersed molecules. Owning to oxygen and nitrogen binding sites, the molecules could complex uranyl ions and induced fluorescence quenching. In our study, it was interesting to understand that the effect of uranyl was somewhat more destructive rather than constructive to the aggregation. The most obvious quenching effect was observed for the aggregates of U2 in water/acetonitrile 60:40. The emission quenching was explained by aggregate-breaking processes, that the emitting aggregates could be destroyed by the complexation with uranyl cation. The proposed mechanism was further supported by dynamic light scattering and scanning electron microscope experiments. Compound U2 showed good selectivity towards uranyl over lanthanides and other common cations. The sensor could detect uranyl up to ppb scale.Finally, synthesis and studies of new sensors for the detection of arsenic ion were also discussed. A series of fluorescent sensors bearing cysteine moiety was synthesized and their complexing properties for arsenic were studied. Furthermore, gold nanoparticles which were modified by cysteine, glutathione and dithiothreitol were synthesized. The complexation of arsenic ion with these modified gold nanoparticles was studied and discussed. A perspective for further development of arsenic sensors was proposed.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l'industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s'intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d'hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l'action d'enzyme spécifique d'Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d'hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s'agit d'une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l'intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d'acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d'hydrogène et de méthanethiol entraîne l'apparition respective d'une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d'un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d'enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d'un produit rouge). En milieu biologique, l'eau est un interférent majeur.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l’industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s’intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d’hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l’action d’enzyme spécifique d’Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d’hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s’agit d’une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l’intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d’acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d’hydrogène et de méthanethiol entraîne l’apparition respective d’une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d’un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d’enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d’un produit rouge). En milieu biologique, l’eau est un interférent majeur. / Microbial contamination of food and biological samples is a big issue in the industry as much as in the medical field. In that context, the present thesis brings innovative solutions. A first explored way is the identification of Salmonella by detecting and measuring the specific metabolomics volatile organic compounds (mVOC) released, H2S and cadaverine. Another new concept is the use of osmogenic substrates able to release mVOC under the action of specific enzyme of Escherichia coli.A first colorimetric sensor able to discriminate H2S from CH3SH was produced, using a nanoporous silicate matrix doped with N,N-dimethyl-p-phenylenediamine and Fe3+ ions. A very acidic medium is needed to stabilize the “key” intermediate of the reaction, the quinonediimine species (QD), which gives with H2S and CH3SH a green and red-brown product, respectively. The fluorimetric sensor of cadaverine is based on the formation of a fluorescent complex between AS-BI demethylated Naphthol and cadaverine and can detect 250 ppb of cadaverine. A proof of concept of osmogenic substrates is given with the detection of p-nitrophenol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) released under the action of Escherichia coli enzymes, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Various nanoporous sensors are produced with tailored pore size, which can detect 100 ppm of the yellow pNP, 100 ppm of the fluorescent β-NA and 100 ppm of the red product issued from the derivation of β-NA with dimethyl-p-aminocinnamaldehyde. In biological media, water remains the major interfering agent.