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Soutenance de Quentin en octobre 2023
Félicitations à Quentin pour ces tarvaux de doctorat !
L’eau est la ressource naturelle la plus cruciale car elle est indispensable à la vie. Elle est donc source d’enjeux politiques, économiques, sociaux et environnementaux. Les espaces naturels, l’agriculture, les réseaux sanitaires urbains, les centrales de production d’énergie, son omniprésence fait qu’elle est facilement sujette à toute source de pollution. La garantie de sa potabilité est donc un enjeu majeur de santé publique. Afin de garantir une eau consommable et pouvoir réagir au plus vite en cas de pollution de cette eau, un laboratoire sur disque (LOD) multi-mesures multi-réponses est proposé comme système d’alerte précoce. Il repose sur des microalgues, base de la chaîne alimentaire dont l’activité de bioluminescence est perturbée par différents polluants majoritaires (métaux lourds, pesticides, etc.). La mesure du signal lumineux correspondant permet de déterminer la présence ou l’absence de ces polluants. Afin de mesurer ce signal, des photodétecteurs à base de semi-conducteurs organiques sont utilisés grâces à leurs propriétés uniques. Leur pouvoir absorbant plus élevé que celui de leurs homologues inorganiques permet de réaliser des dispositifs plus fins, leur fabrication est moins énergivore, ils peuvent être biocompatibles et leurs propriétés mécaniques permettent des dépôts sur des substrats flexibles ou étirables. De plus ils ont la possibilité d’offrir une réponse sélective en longueur d’onde à travers le choix des matériaux ou la structure du dispositif sans avoir besoin de recourir à l’ajout d’éléments comme des filtres, ce qui est un atout à porter à leur crédit. Le but de ces travaux de thèse est de développer des photodétecteurs organiques capables de détecter l’émission des algues tout en restant aveugles aux OLED du LOD, sources excitatrices des algues. Dans cette optique deux stratégies sont abordées : (i) l’utilisation d’OPD ayant une détection large bande, associée avec un filtre en amont et (ii) l’utilisation d’OPD offrant une détection en bande étroite. Ces travaux sont donc découpés en cinq parties. La première partie traite de l’état de l’art et du fonctionnement des OPD ainsi que du contexte qui entoure le sujet de la thèse. La deuxième partie concerne les bancs expérimentaux utilisés, l’adaptation de la géométrie des OPD pour le projet et la fabrication des dispositifs. La troisième partie aborde les OPD basés sur des systèmes ternaires à base de P3HT: PC70BM incorporant divers NFA et devant être utilisés avec un filtre optique. La quatrième partie s’attarde sur le passage d’un OPD large bande à un OPD sélectif à travers le phénomène de rétrécissement spectral de la collection des charges (CCN) appliqué au système PM6:ITIC-4F. L’impact de cette transition sur les caractéristiques J(V) sous obscurité et sous illumination ainsi que sur la réponse spectrale des photodétecteurs y est détaillé et la mise au point d’un OPD efficace détectant dans le NIR avec une largeur de bande ≤ 50 nm est démontrée. La cinquième et dernière partie conclue cette épopée par la fabrication d’OPD basés sur trois systèmes de matériaux différents offrant une détection sélective selon les trois fenêtres spectrales d’émission de la micro algue Chlamydomonas Reinhardtii et de ses produits de réaction enzymatique grâce au phénomène optoélectronique CCN. Cette thèse a fait partie intégrante du projet Beluga (ANR-18-CE04-0007) financé par l’Agence National de la Recherche.
Mots-clefs : Semi-conducteurs organiques, Photodétecteurs, Hétérojonction en volume, Bioluminescence, Dépôt par voie liquide, Détection et sélectivité.
Plateforme de centrifugation des Lab-On-Disc (LOD)
Par nature, les LOD doivent être mis en rotation afin que les liquides (échantillon d’eau à analyser, algues en suspension…) injectés dans les réservoirs d’entrées puissent venir circuler dans le réseau microfluidique. Avec un laboratoire sur puce traditionnel, cette opération est réalisée avec des pompes. Pour une utilisation sur le terrain et hors infrastructures, remplacer ces pompes et la connectique associée par la seule force centrifuge simplifie grandement l’exploitation de ces dispositifs. C’est pourquoi il a été décidé dans le cadre du projet BELUGA de concevoir des LOD.
A terme, les LOD conçus seront mis en œuvre en profitant des fonctionnalités matérielles et logicielles de la station de mesures électrochimiques OrigaStat du partenaire industriel OrigaLys. Réussir cette intégration est un des défis du projet. Parmi les fonctionnalités que devra assurer l’OrigaStat figure la mise en rotation du disque en exploitant si possible le moteur qui y est déjà intégré et servant initialement à la mise en rotation d’une électrode tournante.
De façon complémentaire, il est nécessaire de disposer d’une plateforme de mise en rotation des LOD pour un usage en laboratoire. Il s’agit de pouvoir réaliser les tests fonctionnels des LOD sur un système aussi ouvert et souple que possible en étant affranchi des contraintes spécifiques à l’intégration au sein du système OrigaStat. Nous avons donc développé une telle plateforme. Celle-ci est basée sur l’utilisation d’un moteur brushless et de son contrôleur (EPOS4, MAXON).
Plateforme de centrifugation des Lab-On-Disc (LOD)
Par nature, les LOD doivent être mis en rotation afin que les liquides (échantillon d’eau à analyser, algues en suspension…) injectés dans les réservoirs d’entrées puissent venir circuler dans le réseau microfluidique. Avec un laboratoire sur puce traditionnel, cette opération est réalisée avec des pompes. Pour une utilisation sur le terrain et hors infrastructures, remplacer ces pompes et la connectique associée par la seule force centrifuge simplifie grandement l’exploitation de ces dispositifs. C’est pourquoi il a été décidé dans le cadre du projet BELUGA de concevoir des LOD.
A terme, les LOD conçus seront mis en œuvre en profitant des fonctionnalités matérielles et logicielles de la station de mesures électrochimiques OrigaStat du partenaire industriel OrigaLys. Réussir cette intégration est un des défis du projet. Parmi les fonctionnalités que devra assurer l’OrigaStat figure la mise en rotation du disque en exploitant si possible le moteur qui y est déjà intégré et servant initialement à la mise en rotation d’une électrode tournante.
De façon complémentaire, il est nécessaire de disposer d’une plateforme de mise en rotation des LOD pour un usage en laboratoire. Il s’agit de pouvoir réaliser les tests fonctionnels des LOD sur un système aussi ouvert et souple que possible en étant affranchi des contraintes spécifiques à l’intégration au sein du système OrigaStat. Nous avons donc développé une telle plateforme. Celle-ci est basée sur l’utilisation d’un moteur brushless et de son contrôleur (EPOS4, MAXON).
Le moteur sélectionné permet d’atteindre une vitesse de rotation de plus de 3000 tr/min et est surdimensionné en terme de puissance afin de pouvoir bénéficier de fortes accélérations. Cela est notamment utile lors de l’opération d’agitation par changement à haute fréquence du sens de rotation, étape très importante pour le mélange des algues, qui ne peuvent pas subir les phénomènes de diffusion classiquement utilisés en microfluidique du fait de leur taille. Le contrôleur permet, via une interface utilisateur spécialement développée pour le projet, d’assurer aussi bien un asservissement en vitesse qu’en position. Ce dernier point permet de venir positionner n’importe quel puits périphérique sous un organe de mesure (pince de reprise de contacts, photo-détecteur, caméra…).
Cette plateforme a été conçue de telle sorte à ce qu’elle permette de remplir tous les besoins du projet en terme de développement et de caractérisation des LOD et permettra même d’aller au-delà de ces besoins. Elle sera donc très utile pour nos futurs projets basés sur ce type particulier de laboratoires sur puce et nous permettra de capitaliser sur l’expérience acquise dans ce domaine au cours du projet BELUGA.
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De premières expérimentations ont été menées sur des algues à l'ENTPE en mars 2021, en présence de notre partenaire industriel Origalys.
Le matériel portable de la société, l'Origastat, a été pris en main aisément.
Et des résultats encourageants permettent d'envisager l'intégration prochaîne des capteurs électrochimiques dans un disque du LOD.
De premières expérimentaions avec des souches algales ont montré la faisabilité de suivre des cycles de respiration et de photosynthèse. A suivre!
Les toulousains ont pu rentrer à leur labo avec des souches qui permettront d'effectuer de premiers tests...
A cette occasion, un séminaire a été donné au sein de l'ENTPE afin de présenter le projet BELUGA dans son ensemble.
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Janvier 2020 a vu l'installation du système d'usinage pour la fabrication des disques à l'INL pour le projet Beluga.
Y a plus qu'à!!!
Quentin EYNAUD vient d'arriver au CINam depuis le 2 décembre en tant que doctorant sur le projet BELUGA : bienvenu à lui dans l'aventure!
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Une offre a été déposée sur le site du CNRS pour le recrutement d'un post-doc dans le cadre du projet BELUGA :
Researcher (postdoc) position: microfluidic lab-on-a-chip for environmental monitoring
18 months, Lyon (France)
Details on http://bit.ly/2BKtoDP
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La Direction du LAAS a décidé de ne pas prélever EXCEPTIONNELLEMENT cette année sur les Projets ANR afin d'essayer de compenser, en partie, l'augmentation des bourses de thèse qui grève les budget des projets déposés en 2018.
La demande d'allongement de la durée du projet BELUGA de 42 à 48 mois a été acceptée le 19 avril 2019. Le projet court donc jusqu'à septembre 2022.
Mise en place du document de "Déclaration pour l'accès aux ressources génétiques d'espèces animales non domestiques ou végétales non cultivées, et le partage des avantages découlant de leur utilisation".