Compilation on sensors in development (not commercialized) for the monitoring of substances included in the Water Framework Directive and major components used for the characterization of water bodies
Veille bibliographique sur les capteurs en développement (non commercialisés) pour la mesure in situ et en continu des substances réglementées DCE et des composés majeurs permettant la caractérisation globale des eaux
Résumé
Since 2000, the number of references on sensors in freshwater and wastewater has been constantly increasing. In order to have an overall view of the substances that may be easily analyzed by in situ and continuous systems in a near future, a bibliographic compilation of the sensors in development (i.e. not commercialized) for the analysis of chemical compounds in the environmental matrices has been carried out. This non-exhaustive panorama lists 167 articles published mainly during the last 5 years. The chemical compounds selected are included in the different lists of the WFD (decree of 7 August 2015). From definitions and general information on the sensors, different criteria were used to describe the selected sensors: analyzed substance(s), type of sensor (chemical sensor, biosensor), analytical technique, type(s) of tested water, level of development progress, measuring range, limits of detection or quantification. The sensors are mainly based on electrochemistry (voltammetry, amperometry, potentiometry...) and optical techniques (colorimetry, fluorescence, resonance of surface plasmon...). A general synthesis of sensors by families of compounds is proposed for pesticides, polycyclic aromatic hydrocarbons, phenols, phthalates and bisphenol A, metals and metalloids (Cd, Pb, Hg, Ni, Cu, As, Cr, Ag ...) as well as for major parameters (chemical oxygen demand, biochemical oxygen demand, nitrate, nitrite, ammonium, calcium and carbonate). In general, the performances of the sensors are evaluated in synthetic waters and in real waters (surface water, tap water, wastewater....) which can be doped. Nearly all the sensors are not tested in field conditions or over long-term. The detection limits obtained can be very variable for the same family of compounds. For few compounds, the detection limits are too high to be considered as relevant sensors for the monitoring of surface waters (e.g. nickel or bisphenol A). However, some sensors having a high state of progress and detection limits well adapted to the concentrations in the environmental matrices would be instructive to test in field conditions. These sensors, covering a wide range of compounds, are listed in this report.
Depuis les années 2000, le nombre de références bibliographiques sur les capteurs dans les eaux douces et les eaux résiduaires est en constante augmentation. Un travail de synthèse bibliographique des capteurs en développement (i.e. non commercialisés) pour l'analyse de composés chimiques dans les matrices environnementales a été réalisé afin d'avoir une vue d'ensemble sur les substances qui pourront être analysées par des systèmes de mesures in situ et en continu dans un futur proche. Ce panorama non exhaustif recense 167 articles publiés principalement ces 5 dernières années. Les composés chimiques retenus pour ce panorama font partie des listes des substances de l'état chimique des eaux de surface et des polluants spécifiques de l'état écologique des eaux de surface, de la liste des substances pertinentes à surveiller, et de la liste des paramètres physico-chimiques pour les cours d'eau de la Directive Cadre sur l'Eau (Arrêté du 7 août 2015). Sur la base de définitions et généralités sur les capteurs, différents critères ont été retenus pour décrire chaque capteur retenu dans ce panorama : substance(s) analysée(s), type de capteur (capteur chimique, biocapteur), technique analytique utilisée, type(s) d'eau testé(s), niveau d'avancement de développement, gamme de concentration de mesure, limites de détection ou de quantification obtenues. Les capteurs recensés se basent principalement sur des techniques électrochimiques (voltamétrie, ampérométrie, potentiométrie…) et optiques (spectrophotométrie, fluorescence, résonnance des plasmons de surface…). Une synthèse générale des capteurs par grandes familles de composés est proposée pour les pesticides, les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les phénols, les phtalates et le bisphénol A, les métaux et métalloïdes (Cd, Pb, Hg, Ni, Cu, As, Cr, Ag…) ainsi que pour les paramètres majeurs (demande chimique en oxygène, demande biochimique en oxygène, nitrate, nitrite, ammonium, calcium et carbonate). De façon générale, les performances des capteurs sont évaluées dans des eaux synthétiques et des eaux réelles (eaux de surface, de robinet, résiduaires…) qui peuvent être dopées. Mais la quasi-totalité des capteurs ne sont pas testés en conditions réelles sur le terrain ou sur le long terme. Les limites de détection obtenues peuvent être très variables pour une même famille de composés. Pour certaines substances, les limites de détection sont trop élevées pour envisager des analyses pertinentes dans les eaux de surface (par exemple pour le nickel ou le bisphénol A). Cependant, quelques capteurs, couvrant la plupart des grandes familles de composés, peuvent se révéler très intéressants à tester sur le terrain. Ces capteurs présentant un état d'avancement élevé et des limites de détection bien adaptées aux concentrations dans les matrices environnementales sont listés dans ce rapport.