STAE TOULOUSE

Depuis juin 2009 des équipes issues de 8 laboratoires toulousains conjuguent leurs compétences autour de la création de microlaboratoires d'analyses in situ. Les techniques d'analyses environnementales de type capteurs in situ apportent en effet une réponse simple, rapide et peu coûteuse aux besoins croissants d'acquisition de paramètres physico-chimiques nécessaires à différentes échelles d'observation, du réacteur de laboratoire à l'observation de la qualité de l'air.
Quelles sont les retombées de telles recherches ? Leurs principales contraintes ? Quels sont les résultats obtenus à ce jour ?

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Les silicates constituent en effet un nutriment indispensable pour la croissance du phytoplancton en milieu océanique. Or il existe de grandes variabilités spatiales et temporelles de flux de silicates dans les océans. Seules des mesures en continu et in situ de ces flux permettront de comprendre l’évolution de la biomasse et donc indirectement le piégeage du CO₂. L’analyse des silicates est basée sur une détection électrochimique indirecte pour des analyses de traces de silicates (de l’ordre de la micromole par litre). En effet, les silicates ne sont pas électrochimiquement actifs. La méthode indirecte consiste à utiliser les propriétés d’oxydoréduction du molybdène utilisé pour l’analyse classique d’un complexe molybdéno-silicates par colorimétrie. L’ensemble peut être miniaturisé pour être placé dans des systèmes plus complets d’analyse (microlaboratoires in situ).

Le mercure est un composé métallique en trace qui est particulièrement toxique dans tous les compartiments de la biosphère. Il est souvent la marque d'activités anthropiques. Par ailleurs des travaux récents ont montré qu'il pourrait être utilisé comme sonde au niveau de l'interface océan-atmosphère pour identifier les échanges et les activités du phytoplancton en fonction de la spéciation du mercure, i.e. des formes chimiques présentes dans le milieu. Par ailleurs, la toxicité du mercure est aussi fonction de sa spéciation. A l'heure actuelle, ces analyses de spéciation nécessitent une prise d'échantillons et une analyse de ces derniers ex situ. Se pose très souvent la question de la contamination d'échantillons et des modifications de la spéciation entre le prélèvement et l'analyse, souvent différée dans le temps de plusieurs jours à plusieurs semaines. L'aspect novateur de MAISOE est de réaliser à l'échelle d'un microlaboratoire cette analyse de spéciation en combinant un ensemble de systèmes. Il assure le prélèvement, le fractionnement en taille des molécules présentes avant de les séparer par microfluidique dans les deux cas pour ensuite les détecter par une méthode électrochimique et enfin les quantifier. L'analyse est alors in situ, avec une prise d'échantillon minimisant les perturbations du milieu et le transfert et la conservation puisque l'ensemble est réalisé successivement dans le microlaboratoire. Les limites de détection doivent être alors compatibles avec les données de terrain aujourd'hui disponibles.

Quant au méthane dissous, l'objectif est double puisqu'il s'agit d'une part de quantifier les sources de méthane issu des sources hydrothermales en milieu océanique pouvant jouer un rôle dans le changement global et d'autre part évaluer les stocks disponibles puisque le méthane pourrait constituer une nouvelle source de carbone organique. La difficulté consiste à pouvoir analyser des traces de méthane présent en solution aqueuse dans une matrice composée essentiellement d'eau de mer. L'aspect novateur est donc de développer un microcapteur optique permettant l'analyse in situ du méthane dissous.

C'est l'approche novatrice de MAISOE : mesurer et analyser en un même site. Un tel système repose sur :
- la création de plateformes adaptables ;
- la mise au point de nouveaux capteurs (in situ, autonome, fiables, précis, et de faible coût énergétique) ;
- l'amélioration des systèmes de communication et d'assimilation de données ;
- l'optimisation et l'intégration des systèmes d'observations et l'observation de l'environnement à moindre coût.
La pluridisciplinarité apparaît ici clairement comme une condition de réussite du projet.

Le principal résultat attendu de MAISOE est de fournir une technologie de pointe dans le domaine des microcapteurs chimiques environnementaux in situ pouvant être embarqués ou non afin d'obtenir des données originales et des avancées significatives pour :
- les sciences de l'environnement (avec le développement de modèles biogéochimiques pour améliorer les modèles de prédiction du climat, les mesures continues et pérennes des effets du changement global dans le cadre d'observatoires multidisciplinaires…) ;
- la gestion des ressources (énergie offshore, qualité et traitement des eaux…) ;
- la surveillance gouvernementale (Directive cadre sur l'eau, 2000/60/CE, et projet de Directive cadre des sols, de l'Union européenne, stratégie marine internationale, protection de la qualité chimique des eaux…)

Les équipes impliquées dans le projet sont organisées autour de trois axes de recherche :
- analyse de nutriments impliqués dans la croissance du phytoplancton, les silicates en milieu océanique ;
- analyse de méthane (gaz à effet de serre) avec estimation des flux issus des sources sous-marines difficilement quantifiées et leur implication dans le cycle global du méthane (milieu océanique et/ou fluides hydrothermaux) ;
- analyse d'éléments toxiques : cas du mercure (surfaces continentales).
Toutes cherchent à développer et valider des microcapteurs chimiques in situ pour l'analyse en continu des concentrations et flux de composés ayant un impact sur le changement global et des différentes formes chimiques d'éléments, appelée spéciation dynamique, présents à l'état de traces.

Après plusieurs mois de travail, le projet commence à livrer ses premiers résultats.
Le concept d'analyse des silicates a déjà été validé. Les courants induits (microampères) lors de l'analyse de faibles concentrations nécessitant la mise en place d'un système électronique performant, les travaux portent maintenant sur la miniaturisation du capteur qui comprendra des microélectrodes d'or placées sur des supports à base silicium.
Pour ce qui est du mercure, les premiers résultats ont déjà permis de valider les choix d'une méthode de détection par voie électrochimique à l'aide de microélectrodes comportant de l'or. Différentes solutions sont possibles pour optimiser le système afin de gagner en signal pour pouvoir détecter des picomoles par litre en mercure. Pour le fractionnement, le travail en cours a également permis de s'orienter vers une méthode basée sur l'hydrodynamique dans un ensemble de microtubes.
Enfin, le système permettant la détection optique du méthane dans une phase aqueuse est en cours de développement. Les échanges entre le cryptophane, molécule pouvant piéger le méthane dissous, et l'eau sont réversibles et les quantités de méthane sorbées sont suffisantes pour avoir mesurer une variation d'indice de réfraction au niveau de la fibre optique qui sera utilisée comme support.

Contact : Philippe Behra, coordinateur du projet, LCA-INP-ENSIACET
philippe.behra@ensiacet.fr

Le projet MAISOE est soutenu par la FCS STAE  sur une période allant de février 2009  à  juin 2013

Il compte 8 laboratoires partenaires :

LCA : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle – UMR INRA/INP-ENSIACET – 4, allée Emile Monso – 31432 Toulouse Cedex 4

CIRIMAT : Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux – UMR CNRS-INP-UPS – 4, allée Emile Monso – 31432 Toulouse Cedex 4 – France

LAAS : Laboratoire d'Analyse et d'Architectures des Systèmes – UPR CNRS – Avenue – 31400 Toulouse
LAAS-LOSE - Laboratoire d'Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués – ENSEEIHT – 2, rue Camichel – 31071 Toulouse

LEGOS : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographiques Spatiales - UMR 5566 IRD CNES CNRS UPS - 18 Avenue Edouard Belin - 31401 Toulouse CEDEX 9

LGC : Laboratoire de Génie Chimique – UMR CNRS-UPS-INP – 118, route de Narbonne –3 1400 Toulouse

LMTG : Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie – UMR UPS-CNRS-IRD-OMP – Avenue – 31400 Toulouse

Nouveau Laboratoire
LCC : Laboratoire de Chimie de Coordination - UPR 8241 CNRS - 205 Route de Narbonne - 31077 Toulouse CEDEX 4

Partenaire externe (à ce jour) :
ENS : Institut de France, Académie des Sciences – Ecole Normale Supérieure – Département de Chimie – UMR CNRS 8640 – 4 rue Lhomond – 75231 Paris Cedex 05