Development of microfluidic platform for continuous monitoring of aquatic contaminants in freshwater - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Development of microfluidic platform for continuous monitoring of aquatic contaminants in freshwater

Développement d'une plateforme microfluidique pour la surveillance en continu des contaminants aquatiques en eau douce

Ngoc Mai Duong
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1288848
  • IdRef : 272243396

Résumé

In the context of global environmental pollution, water is one of the principal vectors that stores and transmits contaminants between regions and into human life. Consequently, identifying pollutant sources and evaluating pollution status requires water quality measurements at relevant frequency and spatial resolutions. This data collection can help enforce better management policies and prevention actions. However, current monitoring methods are high cost and require human intervention, making them inappropriate for in-field measurement at large-scale and high frequency. For this reason and the worsening of the pollutant status, international agencies such as the UN, Unicef, and WHO are calling to develop new tools for monitoring water quality. In this work, we developed an automated microfluidic platform integrating with surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for monitoring metal ions in freshwaters. In the first part, we examined a strategy to perform SERS quantitative analysis without the need for calibration. The method reinvests a colorimetric volumetric titration procedure to determine water hardness but involves monitoring the progression of the titration through the SERS signal of a complexometric indicator. Three mineral waters spanning divalent metal concentrations varying by a factor of 25 were successfully titrated in this way, with trueness from 85% to 106% and a precision of 5%. In the second part, we developed a microfluidic platform that automated the previous SERS-based complexometric titration. The platform generated a chain of SERS-active droplets with well-controlled titration conditions and collected the SERS signals. Using the same three mineral waters as before, the platform provided comparable results to the previous manual protocol with increased trueness from 69% to 107% and a larger precision from 6% to 17%. In exchange, this platform reduced human labour work through automation, reduced data acquisition time by a factor of eight, has a moderate instrumental cost, high throughput and consumed a hundred times less material volume. In conclusion, this work built a solid foundation for an automated environmental monitoring station.
Dans le contexte de la pollution environnementale mondiale, l'eau est l'un des principaux vecteurs qui stocke et transmet les contaminants entre les régions et vers la vie humaine. Par conséquent, l'identification des sources de polluants et l'évaluation de l'état de la pollution nécessitent des mesures de la qualité de l'eau à une fréquence et à une résolution spatiale pertinentes. Cette collecte de données peut aider à appliquer de meilleures politiques de gestion et des actions de prévention. Cependant, les méthodes de surveillance actuelles sont coûteuses et nécessitent une intervention humaine, ce qui les rend inappropriées pour des mesures sur le terrain à grande échelle et à haute fréquence. Pour cette raison et l'aggravation du statut de polluant, les agences internationales telles que l'ONU, l'Unicef et l'OMS appellent à développer de nouveaux outils de surveillance de la qualité de l'eau. Dans ce travail, nous avons développé une plateforme microfluidique automatisée intégrant la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour la surveillance des ions métalliques dans les eaux douces. Dans la première partie, nous avons examiné une stratégie pour effectuer une analyse quantitative basée sur SERS sans avoir besoin d'étalonnage. La méthode réinvestit une procédure de titrage volumétrique colorimétrique pour déterminer la dureté de l'eau mais implique de surveiller la progression du titrage à travers le signal SERS d'un indicateur complexométrique. Trois eaux minérales couvrant des concentrations en métaux divalents variant d'un facteur 25 ont ainsi été titrées avec succès, avec une justesse de 85% à 106% et une précision de 5%. Dans la deuxième partie, nous avons développé une plateforme microfluidique qui automatise le précédent titrage complexométrique basé sur SERS. La plateforme a généré une chaîne de gouttelettes SERS actives avec des conditions de titrage bien contrôlées et a collecté les signaux SERS. En utilisant les trois mêmes eaux minérales qu'auparavant, la plateforme a fourni des résultats comparables au protocole manuel précédent avec une justesse accrue de 69 % à 107 % et une plus large précision de 6 % à 17 %. En échange, cette plateforme a réduit le travail humain grâce à l'automatisation, a divisé par huit le temps d'acquisition des données, a un coût instrumental modéré, un débit élevé et a consommé cent fois moins de volume matériel. En conclusion, ce travail a établi une base solide pour une station de surveillance environnementale automatisée.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04223101 , version 1 (29-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04223101 , version 1

Citer

Ngoc Mai Duong. Development of microfluidic platform for continuous monitoring of aquatic contaminants in freshwater. Other [cond-mat.other]. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP7084⟩. ⟨tel-04223101⟩
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