Méthodes spectroscopiques

Une des techniques les plus utilisées se base sur la spectroscopie qui comprend l’interaction de l’échantillon avec une certaine forme d’énergie électromagnétique. Les méthodes spectroscopiques se basent sur l’absorption ou l’émission de radiations du spectre électromagnétique par beaucoup de molécules/ions, quand les électrons changent de niveau énergétique ou lors de la vibration des liaisons (IR et résonance). L’interaction de l’énergie de la lumière avec la matière est utile pour déterminer la nature et/ou la concentration des éléments à analyser. Le spectre électromagnétique se situe dans la gamme des rayons-γ jusqu’aux ondes de très basse énergie. Beaucoup de régions du spectre sont utilisées pour obtenir des informations sur la composition des échantillons.

1.2.4.1.1. La spectrophotométrie d’absorption moléculaire

Comparée aux approches traditionnelles, la spectroscopie d’absorption moléculaire y compris, l’UV-Vis et l’infrarouge (IR) est de mieux en mieux acceptée dans le domaine de la

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surveillance en ligne de la qualité de l'eau en tant que méthode efficace d'analyse de la qualité de l'eau.

a- La spectroscopie UV-Vis

Cette technique est basée sur la propriété de la matière, et plus particulièrement de certaines molécules, d'absorber certaines longueurs d'onde du spectre UV-visible (dans le domaine 180- 800 nm). Elle permet de réaliser des dosages grâce à la loi de Beer-Lambert qui montre une relation de proportionnalité entre l'absorbance et la concentration, aussi bien qu'une étude structurale des complexes par l'étude des spectres d'absorption. La mesure de l'absorption UV à 254 nm est un indice caractéristique des substances possédant un ou plusieurs doubles liaisons. La même mesure a d'autres longueurs d'onde complète l'examen (par exemple, acides humiques). Cette méthode présente les avantages d'une réponse rapide, de faibles coûts de maintenance et de l'absence de pollution secondaire.[16]

b- Infrarouge (IR)

La spectroscopie d'infra-rouge permet de déterminer la présence de groupements fonctionnels dans les molécules organiques, et les structures dans certaines molécules simples. La spectroscopie IR est une méthode d'emploi courant, laissée un peu de côté ces dernières années au profit de la RMN, qui permet de déterminer avec une grande précision les structures moléculaires. L’absorption d’une radiation IR aura pour effet de faire vibrer la molécule en modifiant les angles et les longueurs des liaisons. On distingue deux modes de vibrations : vibrations d’élongation (ou allongement) et vibration de déformation. Un spectre IR est représenté sur un graphe qui reporte la transmission (T, l'inverse de l'absorption : T = - ln1/A) en fonction du nombre d'ondes, l'inverse de la longueur d'onde. 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. un autre exemple de l’application de cette méthode est l'indice CH2 qui nous 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.

1.2.4.1.2. La spectrophotométrie d'absorption atomique (SAA)

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. Elle est largement utilisée pour l’analyse des métaux traces dans une variété de matrices d’échantillons. (L’eau et les eaux usées, l’air, le sang, l’urine, …). La spectrométrie

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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 du photon dépend de l’énergie acquise par l’atome par la relation. L’absorption permet de mesurer les concentrations des éléments à doser L’élaboration d’une méthode d’absorption atomique quantitative exige plusieurs considérations, notamment le choix d’une méthode d’atomisation, le choix de la longueur d’onde et de la largeur de la fente, la préparation de l’échantillon pour l’analyse, minimiser les interférences spectrales et chimiques et choisir une méthode de normalisation.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

1.2.4.1.3. Spectrophotométrie de plasma à couplage inductif (ICP)

La spectroscopie de plasma à couplage inductif est une technique d’émission atomique particulièrement utile, qui fait appel aux phénomènes d'émission atomique dont la source d'atomes est un plasma d'argon. À 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. Deux systèmes sont généralement utilisés : la spectroscopie atomique d’émission (ICP-AES) et la spectroscopie de masse (ICP-MS).

a- la spectroscopie d’émission atomique (ICP-AES)

Dans ce cas les atomes sont excités avec une émission de plasma qui consiste en un plasma incandescent (gaz ionisé) d’argon chauffé inductivement par énergie dans la gamme de la radiofréquence de 4-50 MHz et 2-5 kW. Les échantillons sont soumis à des températures d’environ 7000 °K. Comme l’émission de la lumière augmente exponentiellement par apport à la température avec cette méthode on obtient des limites de détection plus basses. Un des grands avantages de cette technique est dû au fait que l’on puisse analyser plus de 30 éléments simultanément.

15 b- Spectrométrie de masse à couplage plasma inductif (ICP-MS)

L’atomisation à plasma couplé avec la spectrométrie de masse est une technique très puissante pour l’analyse des multiéléments. Le plasma couplé inductif (ICP) a des signaux de base plus bas ; l'introduction de l'échantillon est plus précise ; il n'y a pas d’interférences chimiques et les limites de détection sont très bonnes et permettent une analyse plus compréhensible. Ces deux techniques sont capables de produire des données avec la qualité nécessaire pour la majorité des études des métaux dans différents milieux (eaux, tissus, sédiments). Cette technique combine les capacités analytiques de la spectroscopie de masse et les capacités d'efficacité de l'atomisation de l'échantillon par plasma.