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

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Nkeumaleu, Aurel Thibaut (2019). Synthèse de points quantiques de carbone photoluminescents biosourcés : application à la détection d'ions métalliques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Titre traduit

The potential of brewery waste for the synthesis of carbon quantum dot : application to metallic ions sensing

Résumé traduit

Brewery waste is formed in large quantities during beer fermentation. Its biodegradability property creates several alternatives for its valorization. We propose here an alternative method to reduce waste and add value to beer production by exploiting this rich carbon source and use it as a raw material for producing carbon quantum dots (CQD). Carbon quantum dots have excellent fluorescence characteristics and high water dispersibility. The fluorescence property is of great interest as a new generation of high performance, low cost electronic and optoelectronic devices emanate from advances in the development of fluorescent carbon quantum dots. Their different properties, in particular their strong photoluminescence and their low toxicity, give them a certain notoriety within multiple quantum dots. Quantum dots (QDs) are nanocrystals of similar size to proteins (2-10 nm) whose emission wavelength depends on their size and composition. Also, characterizing quantum dots involves measuring the optical properties of these particles. Two main measures are highlighted: The absorbance measurement whose principle deals with the transitions between the fundamental state and the excited state of the samples, and the fluorescence measurements that involve transitions from the excited state to the fundamental state. Several studies have also highlighted the synthesis of CQDs from biological sources, such as milk, lemon juice and orange peels. Various synthetic methods have also been explored, including: hydrothermal, laser ablation. However, very few studies show that CQDs can be synthesized using a simple microwave reactor using brewery waste as a precursor, hence the interest of focusing on the issue. Our research is therefore mainly to develop an alternative method to valorize this industrial waste produced in large quantities by the breweries. Specifically, this thesis examines the potential of brewery waste CQDs made to serve as sensors for the detection of metal ions that represent a real source of pollution beyond a certain threshold. The methodology developed consists of a complete synthesis method, including the carbonization of the starting carbon source, the addition to the carbonized mass a volume of water acting as a solvent, which facilitates the extraction of CQDs and finally the extraction of CQDs using microwave radiation. To characterize the CQDs produced, we evaluate the absorbance of the CQD obtained with a UV spectrophotometer to determine the optimal absorbance range of our particles. Fluorescence spectrophotometry tests allow a comparative evaluation of the effects on the emission of the different samples as a function of the variations made to the reagents. The distribution and size of the particles generated according to the same initial parameters of the reaction are determined by an electron-transmitting microscope. An elemental analysis is made with XPS spectroscopy. With a Fourier transform infrared spectroscope, the different functional groups present in the structure of the CQDs are determined. Thus, measuring the photoluminescence intensity of the CQDs makes it possible to better understand the variations of this intensity and the limits of absorbance and emission when the CQDs are subjected to certain conditions (change of quantity of reagents, reaction time, and nature of the reagents).

The application potential of CQDs as a sensor for the detection of metal ions by measuring the fluorescence intensity variation of the CQDs as a function of the variation of the concentration of copper, iron and aluminum ions by the fluorescence quenching principle. The results obtained show that the CQDs formed are sensitive to the variation of the concentration of the different metals tested with correlation coefficients varying for each type of metals. In general, the interaction of carbon quantum dots (CQDs) with metal ions causes quenching of CQD fluorescence, which is likely due to the energy transfer process between CQDs as donors and metal ions as receivers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de l'environnement". Comprend des références bibliographiques (pages 52-58).
Mots-clés libres: points quantiques de carbone, micro-ondes, fluorescence, extinction de fluorescence, drêche de brasserie, ions métalliques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ouellet Plamondon, Claudiane
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt: 18 nov. 2019 21:14
Dernière modification: 18 nov. 2019 21:14
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2401

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