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Accueil du site > Offres d’emploi > Thèses > Chaînes de mesure "open-source" pour la chimie analytique en sciences citoyennes de l’environnement

Chaînes de mesure "open-source" pour la chimie analytique en sciences citoyennes de l’environnement

par Christian Simon - 12 avril

Objectifs

Mise au point d’une chaîne de mesure "open-source" pour la chimie analytique en sciences citoyennes de l’environnement avec validation du dispositif instrumental et fiabilisation de la méthodologie : du traitement de l’échantillon au résultat analytique.

Contexte

Les sciences citoyennes ou participatives sont un mouvement ancien, dont les racines et motivations sont multiples et parfois contradictoires : la défiance des citoyens vis-à-vis des experts autant que le développement de l’éducation populaire aux sciences. Un moteur nouveau est la préoccupation écologique : le Muséum déploie depuis longtemps des programmes d’observation (Vigie nature, Vigie mer... Equipex « 65 Millions d’observateurs ») [1], mais l’instrument -peu cher par nécessité- reste le plus souvent l’œil. Or, le développement des FabLabs, ateliers de fabrication numérique, et de l’électronique "open source" permet le renouveau de l’instrumentation scientifique de terrain. De nombreuses preuves de concept (POC) sont publiées sur Internet : RadiationWatch [3] et OpenRadiation/OpenGeiger [4] pour la mesure de la dosimétrie radioactive environnementale ; Air Cast ou AirCitizenhttp://aircitizen.org [5] pour la détection de particules fines.


Séance de montage de capteurs AirCitizen pour la qualité de l’air.

Dans le domaine de la chimie analytique, des spectrophotomètre (accessoire à quelques centimes pour smartphone par Public Labs) aux potentiostats pour la voltamétrie cyclique (ArduStat, CheapStat ou DStat à 100$) [6], jusqu’à l’AFM à moins de 1000 € [7]...


Un potentiostat Open-Source pour la voltamétrie cyclique à 100$ : CheapStat.

Systèmes cibles

En étroite relation avec les équipes de l’IEES et du MNHN qui développent les sciences participatives, le projet ciblera la qualité des sols et de l’eau, enjeu majeur pour lequel l’engagement citoyen est acquis. La première application visera l’agriculture urbaine, en s’appuyant sur notre réseau de contacts (associations, start-up,…) : on s’attachera en particulier à la quantification de pollutions de sols par les métaux lourds (Pb, Cd, Hg, Cu)[8], puis dans un deuxième temps les pesticides (néonicotinoïdes par exemple).

Il sera établi un benchmark des méthodes instrumentales existantes, en particulier, électrochimiques couplées à des dispositifs micro-fluidiques, illustrées ci-dessous.


Schéma de principe du couplage électrochimie/micro-fluidique.

Ces derniers sont indispensables car ils permettent l’amélioration de la sélectivité et du temps d’analyse [9], sans impliquer d’excessive augmentation des coûts, car leur production peut également avoir lieu dans les FabLab.

Cependant la fiabilisation de ces procédés, hors du contexte de laboratoires de recherche reste un défi.

Verrous et problématique

Par le passé, beaucoup de projets sont restés à l’état de POC, ou de support pédagogiques. Ils peinent à devenir de vrais réseaux de mesure scientifiquement utilisables. Notre expérience avec OpenGeiger et OpenAir laisse penser qu’une explication est la difficulté des procédures de calibration et étalonnage. Les normes et l’accès à des bancs d’essais, sont des freins pour le "grand public". Le coût n’est pas seul responsable : la complexité et l’inaccessibilité des moyens sont des verrous que nous proposons de contourner. Comment avec des outils des FabLabs et des produits du commerce peut-on produire des étalons reproductibles pour la chimie analytique, et adapter les procédures pour qualifier des appareils à bas coût destinés à la caractérisation des eaux, sols ou milieux biologiques ? Doit-on partir de produits très normés (produits pharmaceutiques ?) ou au contraire totalement non-définis mais lissés par effet de masse (mine urbaine, DEEE). Comment fiabiliser les instruments et les mesures pour leur donner une crédibilité et une force de preuve scientifique ? Enfin, la disponibilité des matériels n’est pas forcément acquise partout sur le territoire : le développement de la chaîne de mesure complète pourra s’accompagner de la réalisation d’un kit, distribuable facilement aux citoyens désireux de s’impliquer (low-cost mais pas low-tech). L’ensemble sera testé avec le public.

Autres aspects et perspectives ultérieures : traitement et curation des données.

La qualité, ou la validité des données collectées à grande échelle par un réseau de mesure n’est cependant ni intrinsèque ni absolue : leur exploitation et la possibilité de les interpréter résulte non seulement de la qualité « atomique » de chaque mesure, mais aussi du nombre, des conditions de collecte, du volume de données. C’est en regard des conditions requises que pourront être durcies ou assouplies les exigences portant sur les dispositifs expérimentaux.

Contacts : Christian Simon et Eric Mahé

Date Limite candidature : 9/6/2018

Programme doctoral "Génie des procédés".

Bibliographie

  • [1] D. Couvet, A.-C. Prevot, Citizen-science programs : Towards transformative biodiversity governance, Environmental Development, 13, (2015), p39-45
  • [3] http://www.radiation-watch.co.uk/
  • [4] http://www.openradiation.org
  • [5] http://aircitizen.org
  • [6] M.D.M. Dryden, A.R. Wheeler, DStat : A Versatile, Open-Source Potentiostat for Electroanalysis and Integration, PLOS ONE, 10 (10), 2015
  • [7] F. Grey, Creativity unleashed, Nature Nanotechnology, 10 (2015), p480I.A.
  • Ivan, C. Petit, I.V. Gurgu, R. Toscano, AFM Nanœye – Development of an education oriented high resolution profilometer, IFAC-PapersOnLine, 50, (2017), p2385
  • [8] Thèse de l’Université Toulouse III Paul Sabatier, spécialité : Génie des Procédés et de l’Environnement par Luca PUJOL (17 mars 2016) Mise au point d’un dispositif électro-analytique intégrant une étape de minéralisation et une étape de détection pour le dosage des métaux lourds.
  • [9] E.Mahé, D. Devilliers, F. Dardoize, Boron doped diamond microelectrodes arrays for electrochemical detection in HPLC, Talanta, Elsevier, 132 (2015), pp.641 - 647