Les techniques d’analyse chimique de laboratoire

Les techniques d’analyse chimique de laboratoire:

1-Spectrophotométrie

2.Fluorescence

3.Chromatographie

4.Polarographie

5.Spectrométrie de masse (SM)

6.Mesure de la radioactivité

Les techniques d’analyse chimique de laboratoire:

1.Spectrophotométrie 

1.1.Spectrophotométrie d'absorption moléculaire 
C'est la méthode analytique la plus utilisée en analyse d'eau. Elle nécessite la mise en oeuvre préliminaire d'une réaction colorée spécifique de (élément recherché. Elle s'appuie sur le fait que toute solution colorée traversée par un faisceau de lumière laisse passer une fraction de la lumière incidente; la quantité de lumière absorbée est proportionnelle à la concentration du composé coloré recherché (loi de Beer-Lambert). Cette technique a permis le développement de chaînes analytiques de laboratoire à flux continu, l'utilisation industrielle de photocolorimètres pour la mesure "séquentielle-en continu" de nombreux paramètres (silice, ammonium, etc.).

 1.2.Spectrophotométrie d'absorption UV et IR 
Dans le domaine de l'eau, ces techniques sont surtout utilisées pour quantifier des familles de matière organique (MO).
La mesure de l'absorption UV à 254 nm est un indice caractéristique des substances possédant une ou plusieurs doubles liaisons.
La même mesure à d'autres longueurs d'onde complète l'examen (par exemple, acides humiques). La mesure du COT (Carbone organique total) fait intervenir une minéralisation du carbone organique par oxydation chimique et UV ou par combustion et une détection du CO2 par IR. La limite de détection de la méthode est de 0,2 mg.l-1 et la précision est de 10 % (figure (II-4)). L'indice CH2 permet de mesurer les pollutions par les hydrocarbures, on fait en général appel à une technique fondée sur l'absorption des liaisons - CH, - CH2, - CH3, dans le domaine infrarouge compris entre les nombres d'ondes 2 800 et 3 000 cm-1.
Plusieurs méthodes opératoires existent dont les champs d'application peuvent être incertains et l'interprétation difficile.

                                                        Principe de la mesure du COT

1.3.La spectrophotométrie d'absorption atomique (AA)

1.3.1.Principe général 
Cette méthode d’analyse dite élémentaire permet de doser des éléments chimiques à l’état de traces (en très faible quantité : quelques ppm) contenus dans une solution.
Ainsi est on capable à partir d’un échantillon de connaître les concentrations des espèces présentes.
 Cette méthode est quantitative notamment dans le domaine UV-visible. La spectrométrie d’absorption est basée sur la théorie de la quantification de l’énergie des atomes. En effet un atome qui passe de son état (d’énergie) fondamental à un état excité quelconque absorbe un ou plusieurs photons. La fréquence n du photon dépend de l’énergie ΔE acquise par l’atome par la relation : ΔE=hv

Où h est la constante de Planck.

                                                           Schéma d’une transition électronique

On associe au phénomène d’absorption un spectre d’absorption. Les photons absorbés étant caractéristiques des éléments absorbants, et leur quantité étant proportionnelle au nombre d'atomes d'élément absorbant, l'absorption permet de mesurer les concentrations des éléments que l'on a décidé de doser.

1.3.2.Mise en oeuvre L’analyse par absorption atomique utilise la loi de Beer- Lambert : ABS=εγ.l.c
Avec : εγ constante qui dépend de l'atome absorbant.
 l : longueur de la flamme.
 c: concentration de la solution en élément absorbant.

Il existe donc une relation entre l’absorbance et la concentration de l’élément absorbant. Pour une longueur d’onde correspondant à un élément absorbant de l’échantillon, on peut mesurer l’absorbance associée traduisant le nombre de photons absorbés et ainsi à partir de la loi de Beer-Lambert est-on capable de connaître la quantité de l’absorbant considéré. La manipulation est la suivante :

on mesure d'abord le profil ou la bande d'absorption pour le déterminer ou les maxima d’epsilonlambda (avec une solution de concentration donnée permettant une absorption suffisante). --

-Dans le domaine infrarouge, on est plus en mesure de distinguer des maximums et donc de rendre la méthode plus qualitative.
on choisit alors la longueur d'onde lambda pour laquelle epsilonlambda est maximum c’est-à-dire la longueur d’onde associée à un élément de l’échantillon.
on mesure l’absorbance pour cette longueur d’onde.
comme pour toutes les méthodes quantitatives, on établit une courbe d'étalonnage donnant l'absorbance en fonction de la concentration connue des solutions étalons.
On doit obtenir une droite ABS=f(c) passant par l’origine


enfin à partir de l’absorbance de l’échantillon pour la longueur d’onde associée à un élément absorbant et la courbe d’étalonnage, on calcule sa concentration.

On réalise cette manipulation pour chaque élément de l’échantillon en se plaçant à une longueur d’onde fixée. Il faut donc à chaque manipulation choisir une source adaptée pour éclairer l’élément que l’on cherche à exciter.

1.3.3.Avantages et limites de la méthode
Cette méthode est peu chère car elle ne demande pas une technique complexe. Cependant elle reste très quantitative et ne permet pas toujours de connaître les éléments contenus dans l’échantillon. De plus elle nécessite un étalonnage à chaque nouvelle manipulation et demande ainsi beaucoup de temps.
Dans l'absorption atomique avec flamme (air/acétylène ou protoxyde d'azote/acétylène), (échantillon d'eau qui contient les éléments métalliques recherchés, est dispersé en nuage de fines gouttelettes dans la flamme. Les métaux ainsi libérés forment un plasma d'atomes libres.

Dans le cas de l'atomisation sans flamme, obtenue par voie électrique, les volumes utilisés
sont plus faibles. Le dispositif d'atomisation est constitué d'un tube de graphite que l'on
chauffe à une température comprise entre 1500 et 2 800 °C. Il a pour objectif de produire une
vapeur atomique à partir de l'échantillon d'eau .

1.4.La spectrophotométrie d'émission de flamme

La pulvérisation d'une solution d'eau contenant des métaux dans une flamme se caractérise
par une décomposition et une dissociation à l'état atomique des traces métalliques. Les atomes
des métaux sont ainsi excités thermiquement par la flamme, et leur retour à l'état fondamental
s'accompagne de l'émission d'une radiation dont la longueur d'onde est spécifique de l'élément
recherché et dont l'intensité est directement proportionnelle à la concentration. Cette
technique est appropriée pour le dosage direct des éléments alcalins: Na, K, Li.

1.5.Spectrophotométrie de plasma à couplage inductif (ICP)

La spectroscopie de plasma à couplage inductif est une technique qui fait appel aux
phénomènes d'émission atomique dont la source d'atomes est un plasma d'argon. A haute
température, il se forme au sein de l'argon un mélange d'atomes et de particules chargés
suivant un équilibre.

Le plasma est produit par voie inductive par une génératrice haute fréquence.
Sa température varie entre 6 000 et 8 000°C. Les éléments recherchés sont introduits dans le
plasma et transformés en vapeur atomique et éventuellement ionique par excitation lors de
leur collision avec les éléments constitutifs du plasma.

Cette technique a un champ d'application plus large que l'absorption atomique sans flamme
mais son pouvoir de détection est plus faible. La haute température du plasma permet de
limiter les interférences de matrices et de ce fait l'ICP peut être très largement employée pour
la recherche des métaux lourds.

Tous les spectrophotomètres comportent un système de dispersion de la lumière pour le choix
de la longueur d'onde appropriée ainsi qu'un photomultiplicateur pour la mesure de l'intensité
reçue.

2.Fluorescence
La fluorescence est un phénomène de luminescence: des molécules émettent un rayonnement dans toutes les directions grâce à l'énergie reçue d'une lumière incidente. Elle est la propriété des composés cycliques aromatiques. Sa mesure s'effectue à partir de spectrofluorimètres avec lumière incidente UV et lecture à 90° en lumières UV et visible.

3.Chromatographie
Pour l'identification et le dosage des MO, on a, en général, recours à des techniques chromatographiques. En chromatographie en phase gazeuse (CG), la technique en colonne capillaire est utilisée en raison de son pouvoir de résolution inégalé, de la disponibilité de détecteurs universels et de son couplage aisé à la spectrométrie de masse (SM). Un chromatographe en phase gazeuse ou liquide comporte trois parties: un injecteur, une colonne de séparation et un détecteur.

                                        Schéma d’un chromatographe en phase gazeuse

Après avoir introduit l'échantillon au moyen d'une microseringue par l'injecteur, la séparation des molécules s'effectue dans la colonne en fonction d'un gradient de température.

A leur sortie de la colonne chromatographique, les composés séparés passent individuellement dans un détecteur dont la fonction est de donner un signal (sous forme de pic) dont l'intensité est proportionnelle à la quantité de composé injecté, ce qui permet d'assurer, par le biais d'un étalonnage, une analyse quantitative.

Les détecteurs universels présentent une sensibilité moyenne pour la plupart des composés organiques, alors que les détecteurs "spécifiques" donnent une réponse beaucoup plus intense pour certaines familles chimiques.

 Le détecteur universel par excellence est celui à ionisation de flamme (FID). Des détecteurs spécifiques sont le détecteur à capture d'électrons (ECD) sensible aux composés halogénés, le détecteur thermo -ionique pour des composés azotés et phosphorés, le détecteur à photoionisation (PID) pour des composés aromatiques.

 La chromatographie en phase liquide haute pression (HPCL) utilise normalement pour phase mobile des solvants aqueux ou organiques.

 Les techniques de mise en oeuvre sont plus diversifiées qu'en phase gazeuse. La chromatographie en phase inverse qui utilise une phase liquide polaire pour éluer une colonne contenant une phase apolaire permet de déterminer les HPA.

 La chromatographie ionique (par échange d'ions) permet de séparer un grand nombre de cations et d'anions. La chromatographie d'exclusion sépare sur gel poreux des composés en fonction de leur taille, et permet de déterminer leur poids molaire apparent; des fractions de poids molaires différents sont ainsi disponibles pour des analyses complémentaires.

4.Polarographie
 La polarographie est basée sur le suivi de courbes intensités de courant-potentiel. Entre deux électrodes (l'une polarisable généralement à goutte de mercure et (autre de référence), l'intensité de courant est enregistrée en fonction d'une variation continue de potentiel. La différence d'intensité entre deux paliers est proportionnelle à l'élément oxydé ou réduit. Une des principales applications est l'analyse des cations métalliques et de leurs "spéciations" (degrés d'oxydation, complexation). Des variantes de cette technique améliorent sa sensibilité.

                                   Chromatogramme d’une eau de surface polluée

5.Spectrométrie de masse (SM)
L'utilisation d'un couplage CG-SM permet le dosage des différentes familles de composés chromatographiables en phase gazeuse en utilisant un seul solvant d'extraction (ex.: le dichlorométhane) et une seule séparation chromatographique. Les composés sortant du chromatographe sont fragmentés par un bombardement d'électrons. L'ensemble des ions détectés (masse/charge) constitue le spectre caractéristique de la molécule. L'ordinateur vient au secours du technicien pour l'exploitation des spectres. Ce détecteur est le plus performant car il permet une identification des molécules même en cas de mauvaise séparation sur la colonne, d'où l'intérêt de la spectrométrie de masse par rapport aux détecteurs spécifiques.

                                         Principe de l’utilisation de spectrométrie de masse

6.Mesure de la radioactivité
Pour le contrôle des eaux de distribution, les déterminations se font généralement sans séparation chimique préalable - activité globale α, - activité globale β, - spectrométrie γ. Dans les cas plus complexes, on procède à des radioanalyses détaillées après séparation chimique. Pour le contrôle des eaux, seules les activités β et γ sont généralement prises en compte pour suivre l'évolution de la radioactivité; toutefois, la radioactivité de l'eau est toujours faible et, de ce fait peu d'appareils font des comptages corrects. Les types de détecteurs les plus utilisés sont : -compteur à gaz utilisant l'ionisation (compteur Geiger-Muller, compteur proportionnel), -détecteur à scintillations ou semiconducteurs, sensible aux rayonnements .