Détection de matériaux énergétiques dans les eaux naturelles souterraines par spectroscopie de résonance des plasmons de surface portable

Abstract

Au cours des dernières années, les matériaux énergétiques, tels que le 2,4,6-trinitrotoluène (TNT) et le 1,3,5-trinitro perhydro-1,3,5-triazine (RDX), ont été utilisés lors des activités d’entrainement militaire, ayant un impact potentiel sur l’environnement, les bases militaires, la population environnante, la faune et la flore. Sur les champs de tir, les sols à proximité des cibles et autour des positions de tir nécessitent une surveillance particulière, puisqu’il est possible de trouver une importante quantité de résidus d’explosif qui peuvent être transportés vers les eaux de surface et des eaux souterraines avec les précipitations. Toutefois, la procédure actuelle pour détecter des matériaux énergétiques dans l'eau naturelle est complexe, longue, nécessite un personnel hautement spécialisé et augmente le risque de contamination croisée. Par conséquent, il est difficile d'assurer un contrôle rapide et continu des contaminants. En fait, l'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de développer une technique pour identifier et quantifier les explosifs et leurs produits de dégradation dans les eaux naturelles. En outre, ce test doit être in situ, en continu, peu coûteux et rapide. La résonance des plasmons de surface (SPR) a été donc utilisée pour quantifier les matériaux énergétiques. Une matrice de bis-aniline réticulée avec des nanoparticules d’or (AuNPs) est utilisée en tant que polymère à empreinte moléculaire (MIP) sur le film d'or pour capturer sélectivement le composé d’intérêt. L'association de la molécule d’intérêt, tel que le TNT ou RDX, au MIP par interactions π-donneur-accepteur permet la détection d'explosifs suite aux changements d’indice de réfraction sur la sonde. Le couplage entre les plasmons des AuNPs et de la couche d'or peut également augmenter les signaux SPR. Le test optimisé a ensuite été utilisé sur une base militaire canadienne. L'utilisation de cet essai à base de MIP fournit un outil pour l'extraction et la pré-concentration de TNT ou RDX à la surface d’une sonde SPR et permet leur détection en continu de faibles concentrations dans les eaux naturelles.

Over the last few years, energetic materials such as 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) and octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine (HMX) have been used and show a probable environmental impact on military bases, the surrounding population, fauna and flora, caused by military training involving munitions. On shooting ranges, soils near the firing positions and around targets require special monitoring, since the quantities of explosives residues found can be significant, and these compounds can be transported to surface water and groundwater by precipitation. However, the current procedure to detect energetic materials in natural water is complex, long and poorly adapted to. These operations require highly specialized personnel and increase the risk of cross contamination. Therefore, it is difficult to ensure a fast and continuous monitoring of the contaminants. Here, the objective is to develop a technique for identifying and quantifying explosives and their degradation products in natural water. Also, this test has to be in-situ, inexpensive and fast. Surface plasmon resonance (SPR) has been proposed to probe energetic materials. A bis-aniline-cross-linked gold nanoparticles (AuNPs) matrix is used as a molecular imprinted polymer (MIP) on gold film to selectively capture the target compound. The association of the target such as TNT or RDX to the MIP with π-donor-acceptor interactions have allow the detection of explosives by following SPR refractive changes. Plasmon coupling effects between the AuNPs and the gold film could also increase the SPR signals. The optimal sensor was then used on site to detect RDX in underground water of a Canadian military base. The utilisation of MIP based assay will provide a tool for the extraction and pre-concentration of TNT or RDX on the detector’s surface and will allow the detection of lower concentrations in natural water.