Synthèse de points quantiques de carbone photoluminescents biosourcés : application à la détection d'ions métalliques

Résumé

La drêche de brasserie se forme en grande quantité lors de la fermentation de la bière. Sa propriété de biodégradabilité crée plusieurs options pour sa valorisation. Nous proposons ici une méthode alternative pour réduire les déchets et ajouter de la valeur à la production de bière en exploitant cette source riche en carbone comme précurseur pour la production de nanoparticules de carbone (PQC). Les points quantiques de carbone présentent d'excellentes caractéristiques de fluorescence et une dispersibilité dans l'eau élevée. Leurs différentes propriétés, notamment leur forte photoluminescence et leur faible toxicité, leur confèrent une certaine notoriété au sein des multiples points quantiques. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Il est donc très important d’envisager des solutions non toxiques quant à la préparation et l’utilisation des points quantiques. Aussi, caractériser les points quantiques passe par la mesure des propriétés optiques de ces particules. Deux principales mesures sont mises en évidence : La mesure d’absorbance dont le principe traite des transitions entre état fondamental et état excité des échantillons, et les mesures de fluorescence qui mettent en jeu des transitions depuis l'état excité jusqu'à l'état fondamental. Plusieurs études ont également mis en évidence la synthèse des PQC à partir de sources biologiques, telles que le lait, le jus de citron et les pelures d'orange. Différentes méthodes de synthèse ont également été explorées, parmi lesquelles: l'hydrothermal, l'ablation laser. Cependant, très peu d'études démontrent que les PQC peut être synthétisés à l'aide d'un simple réacteur microondes en utilisant la drêche de brasserie comme précurseur, d'où l'intérêt de se concentrer sur la question. Notre recherche consiste donc principalement à mettre au point une méthode alternative pour valoriser ces déchets industriels produits en grande quantité par les brasseries. De manière spécifique, ce mémoire étudie le potentiel des PQC faits à base de drêche de brasserie à servir de capteurs pour la détection des ions métalliques qui représentent une source de pollution réelle au-delà d'un certain seuil. La méthodologie élaborée consiste à une méthode de synthèse complète, comprenant la carbonisation de la source de carbone de départ, l’addition a la masse carbonisée un volume d’eau jouant le rôle de solvant qui facilite l’extraction des PQC et enfin l’extraction des PQC en utilisant un rayonnement microondes. Pour caractériser les PQC produits, nous évaluons l'absorbance du PQC obtenue avec un spectrophotomètre UV afin de déterminer la plage d'absorbance optimale de nos particules. Les tests de spectrophotométrie de fluorescence permettent une valuation comparative des effets sur l'émission des différents échantillons en fonction des variations apportées aux réactifs. La distribution et la taille des particules générées selon les mêmes paramètres initiaux de la réaction sont déterminées par un microscope à transmission électronique. Une analyse élémentaire est faite à l’aide d’un spectroscope à rayons X (XPS). Avec un spectroscope infrarouge à transformée de Fourier, les différents groupes fonctionnels présents dans la structure des PQC sont déterminés. Ainsi, mesurer l'intensité de photoluminescence des PQC permet de mieux comprendre les variations de cette intensité et les limites d'absorbance et d'émission lorsque les PQC sont soumis à certaines conditions (changement de quantité de réactifs, temps de réaction, nature des réactifs). Le potentiel d'application des PQC comme capteur pour la détection des ions métalliques en mesurant la variation d'intensité de fluorescence des PQC en fonction de la variation de la concentration en ions cuivre, fer et aluminium par le principe d'extinction de fluorescence. Les résultats obtenus montrent que les PQC formés sont sensibles à la variation de la concentration des différents métaux testés avec des coefficients de corrélation variant pour chaque type de métaux. De manière générale, l’'interaction des points quantiques de carbone (PQC) avec les ions métalliques provoque une extinction de la fluorescence des PQC, ce qui est probablement dû au processus de transfert d'énergie entre les PQC en tant que donneurs et les ions métal en tant qu’accepteurs.

Date	16 sept. 2019
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Claudiane Ouellet-Plamondon (Directeur(-trice))