Revue bibliographique

L'augmentation constante de nombreux polluants que cela soit par industrialisation ou par déchets domestiques pose le problème de la détection et de la quantification de ces composants pour pouvoir ensuite penser à des solutions de traitements.

Derrière les métaux lourds et certains composés inorganiques, les substances organiques chimiques telles les hydrocarbures aromatiques (à base de cycle benzénique) sont les principaux éléments polluants de l'eau. Les trois principaux hydrocarbures aromatiques sont le benzène, le toluène et le xylène (BTX). Les principales sources industrielles de toluène sont les raffineries de pétrole et la production d'autres produits chimiques comme le styrène. Le toluène est également utilisé, mélangé au benzène et aux xylènes, pour augmenter le taux d'octane des produits pétroliers. Le trafic routier constitue une source importante de libération

de toluène et de benzène dans l'air. Il est enfin aussi employé comme solvant pour les peintures, encres ou colles ou dans la fabrication de produits cosmétiques. Fortement volatile et peu soluble dans l'eau, ce composé n'est pas considéré comme cancérigène contrairement au benzène mais il se révèle néanmoins toxique à haute concentration (l'Organisation Mondiale de la Santé fixe la teneur maximale autorisée pour l'eau de boisson à 700µg/l). Il est ainsi indispensable de développer des techniques d'analyse très précises, rapides, utilisables in-situ et identifiant aussi bien la nature des polluants que leur concentration. La méthode actuelle la plus utilisée pour la détection de traces de composants aromatiques est la chromatographie en phase gazeuse par ionisation de flamme (Gaz Chromatography with Flame Ionization Detection : GS-FID). Plusieurs dispositifs sont basés sur la technique de chromatographie, mais elles ont toutes en commun une étape déterminante qui est l'enrichissement artificiel de l'échantillon à analyser. L'extraction qui s'ensuit est souvent réalisée par phase liquide/liquide avec l'utilisation d'un solvant organique adéquat d'une grande pureté et donc onéreux. D'autres méthodes, sans solvants, existent comme

- l'extraction en phase liquide/gazeuse (Static Headspace HS). Elle ne permet pas la mesure de faibles concentrations de polluants,

- la micro-extraction en phase solide (Solid Phase MicroExtraction SPME) [1]. Les polluants sont adsorbés directement dans un polymère fixé sur une fibre optique. Celle-ci ne joue qu'un rôle de support. Puis les composés sont désorbés thermiquement et analysés, en laboratoire par chromatographie en phase gazeuse classique couplée ou non avec une détection par spectrométrie de masse [2].

Toutes ces méthodes demandent des prélèvements discontinus d'échantillons qui sont ensuite analysés en laboratoire. L'échantillonnage et l'analyse (purification et extraction) requiert une attention particulière du fait du caractère volatile des polluants à détecter. Ces techniques nécessitent ainsi du temps, du personnel et sont donc par conséquent très onéreuses.

Elles sont évidemment les plus précises autant en terme de quantification (< 0,1 µg/L pour les composés BTEX , c'est à dire Benzène, Toluène, Ethylbenzène et Xylènes) que d'analyse de leur nature. Certaines initiatives pour les simplifier sont menées [3] mais le caractère volumineux et lent de la mesure par chromatographie en phase gazeuse rend une miniaturisation à faible coût très improbable.

Les capteurs à fibre optique sont toutefois les plus étudiés pour une analyse instantanée en continu dans des environnements variés. Diverses techniques comme l'ionisation multiphotonique résonante (REMPI) (la fibre optique ne sert dans ce cas que de guide optique) [6] ou l'immobilisation d'anticorps spécifiques à la surface de la fibre [7] ont récemment porté les limites de sensibilité de capteurs à fibres à la hauteur des techniques chromatographiques classiques (détection de BTEX de quelques ppb en quelques minutes). La grande majorité des capteurs à fibre est basée sur le concept de l'absorption spectrale (UV, Visible ou Infrarouge) du champ évanescent se propageant dans une fibre en silice pure [8] ou dopée par des halogénures d'argent [9].

La lumière est injectée dans la fibre dont la partie sensible immergée dans le liquide à examiner est dénudée puis recouverte d'une couche en polymère réactif [10]. Le polymère a deux fonctions. D'une part la substance nocive est enrichie réversiblement dans le polymère par diffusion. D'autre part, la couche polymère empêche les pertes ou/et interférences de la lumière en évitant le contact direct de cette dernière avec la solution liquide. Certaines longueurs d'onde sont ainsi absorbées par les hydrocarbures emprisonnés dans le polymère et il est possible d'obtenir une identification sélective et quantitative à l'aide de mesures réalisées avec un spectromètre à haute résolution. Des limites de détection allant jusqu'à 0,2 mg/L ont été publiées [11], [12].

Les polymères à base de siloxane possèdent des propriétés chimiques et optiques très intéressantes (Figure V.1) pour la détection de polluants gazeux ou liquides.

Si CH₃ O CH₃ CH₃ Si O CH₃ CH₃ Si CH₃ CH₃ CH₃

Figure V.1. Enchaînement caractéristique d'un hétéropolysiloxane

Ils ont en effet un très fort pouvoir d'attraction sur les substances organiques non polaires et sont hydrophobes [13]-[16]. L'absorption d'un soluté dans un polymère est en effet d'autant plus grande que ces deux composés possèdent des propriétés similaires capables d'induire les mêmes types de réactions. L'ajout dans le polymère de groupements spécifiques susceptibles

d'interagir avec le composé à analyser permet aussi d'en augmenter la sélectivité et la sensibilité [16]. Le greffage de molécules de fluor pour former un polymère fluoroalkylsiloxane a été réalisé pour la détection de composés gazeux chlorés et aromatiques [17]. Diverses études portant sur l'optimisation de la détection de composés organiques à partir de polysiloxanes spécifiques ont été menées [18],[19],[20].

D'autre part, suivant la technique de détection employée, le choix d'un type particulier de polysiloxane peut être effectué pour obtenir un indice de réfraction déterminé. Il doit de plus être quasi transparent à la longueur d'onde de travail et son dépôt doit être homogène pour minimiser les pertes par diffusion.