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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

Cammerman, B. (1996). Détection optique de l'oxygène par des complexes orthométallés de l'iridium (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.

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Université Libre de Bruxeües (U.L.B.) - Service de Chimie Organique Physique • Promoteur de thèse : Prof. €. Vonder Donckt

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Détection optique de i'oxvgène por des compiexes orthométoiiés

de l'iridium

Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences

CRMCRMRN fiorboro

- Décembre 1996 -

Promoteur de thèse : Prof. €. Vonder Donckt

Détection de l'oxygène

por des complexes orthométollés de l'iridium

Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences

Cm\A€RMnN Borboro

- Décembre 1996 -

Thèse de doctorat présentée en décembre 1996 devant le jury composé de:

* M. E. Vander Donckt (président)

* A. Kirsch De Mesmaeker (secrétaire)

* Cl. Herman Buess

* M. S. Boué

* M. A. Bumy

Mes premiers mots seront des mots de remerciements sincères envers Monsieur le professeur E. Vander Donckt, qui m'a aidée tout au long de ce travail. Les discussions constructives que nous avons eues ensemble et l'intérêt dont il a fait preuve m'ont pemis de mener à bien mes recherches. Ses conseils ainsi que sa grande expérience auront également été les points forts de son enseignement, et je peux affirmer aujourd'hui qu'il ne reste du "quitte ou double" d'il y a quatre ans que le double (la partie quitte arrive cependant à grand pas...). Je garderai aussi un excellent souvenir de nos nombreux petits voyages réalisés dans le cadre de ce travail.

Il m'est impossible de ne pas joindre Monsieur le professeur A. Burny à ces remerciements. Ses qualités tant humaines que scientifiques m'ont impressionnée au même titre que son enthousiasme communicatif et sa grande générosité.

Je tiens également à remercier tous les étudiants du laboratoire de Chimie Organique Physique, François, Komnino, Yves et Renaud, pour leur sympathie et en souvenir des nombreuses journées passées ensemble. En particulier, merci à Christopher qui pendant son bref passage au laboratoire a su être d'une aide aussi efficace qu'agréable. J'aimerais ajouter ici le plaisir que j'ai eu de travailler avec Monsieur R.

Vandeloise, qui était toujours présent pour remédier aux nombreux petits (et grands) problèmes techniques. Je le remercie également pour ses nombreux conseils et sa bonne humeur quotidienne. Je ne me permettrais pas d'oublier ici Monsieur J. Brocas, pour sa sympathie et Monsieur S. Bouépour notre "cohabitation" pendant mes premières années de thèse. Je voudrais aussi faire un petit clin d'oeil à Neptune..., qui n'a cessé de fleurir mes journées par ses gentilles attentions dès le lever du jour.

Mon travail n'aurait pu être mené à bien sans l'aide de toutes les personnes des différents services qui ont su m'aider, directement ou indirectement, dans la réalisation de ce travail. Parmi ceux-ci, que Sylvie Heilporn, Cécile Moucheron, Pascale Beer et Caroline Vanhulle trouvent ici l'expression de ma plus grande reconnaissance pour leur nombreux conseils, leurs encouragements et leur gentillesse. Merci également à Véronique Garin, pour le courrier, les fax, les current contents,... et aussi pour les petits gâteaux....

Je remercie également Monsieur P. Leempoel, Dow Corning s.a., les

Convnunautés Européennes, la fondation de Brouckère-Solvay et les fonds Van Buuren

pour leur indispensable soutien technique et financier.

Il m'est également agréable de remercier ici tous mes "amis chimistes", comme Yves, Thierry, Hugues, Didier(s),... mais aussi tous mes "amis non chimistes" qui arrêteront peut-être de se demander comment on peut rester tant de temps à l'université (n'est ce pas Mireille?). Leur amitié et leur sympathie auront été d'une aide précieuse, surtout dans les moments plus difficiles. En particulier, merci à Sabine pour les nombreuses heures de défoulement passées sur les terrains de tennis, et à Sandrine et Martine pour les petits dîners à midi. Finalement, que Marie-Claude, qui me supporte depuis mes premiers jours dans la Faculté des Sciences, reçoive ici l'expression de ma sincère amitié et de ma profonde reconnaissance pour sa sympathie, sa gentillesse, ses encouragements, ses conseils, ses attentions, sa bonne humeur,... et pour tout le reste!

Enfin, je voudrais tout particulièrement associer à ces remerciements ma mère et ma soeur Isabelle, qui m'ont toujours beaucoup soutenue au cours de toutes mes années d'études. Merci aussi Isa pour la traditionnelle touche artistique, élégamment mise en forme grâce à Geneviève.

Mes derniers mots iront à Alexandre, qui se dit avoir droit à au moins une page

entière de remerciements... peut être n'a-t-il pas tout à fait tort!

Dans le cadre d'un projet MAST II des Communautés Européennes visant à étudier l'intensité de la production primaire en zone côtière, nous avons développé un senseur optique pour la mesure de l'oxygène dissous en milieu marin. La détermination des quantités de gaz dissous pouvant être réalisée par l'intermédiaire d'un échangeur gaz- liquide, le senseur a été conçu pour des mesures en phase gazeuse. Le principe de la mesure se base sur l'extinction de la luminescence de complexes orthométallés d'iridium par l'oxygène, qui peut être suivie par l'intermédiaire des intensités ou des temps de vie de luminescence. Deux complexes ont été choisis et synthétisés: le fac-iridium iris (2- phénylpyridine) et le fac-iridium tris (7,8-benzoquinoline). Le complexe doit être fixé et immobilisé en bout de fibre optique. Pour ce faire, différents supports ont été testés.

Nous avons finalement choisi d'adsorber le complexe sur des billes d'amberlite avant son

incorporation dans un film de silicone. Les caractéristiques analytiques d'un premier

senseur, utilisant les intensités d'émission comme signal, ont été évaluées. Il ressort que

celui-ci permet une détermination sélective, rapide, sensible et reproductible de la pression

en oxygène avec une limite de détection de 1.4 10^ atm lorsque le complexe fac-iridium

tris (7,8-benzoquinoline) est utilisé. Une légère augmentation de l'efficacité du quenching

en fonction de la température est observée. Une étude visant à minimiser le nombre de

points nécessaires au calibrage a été menée dans le cadre du développement d'un senseur

autonome. Celle-ci a abouti sur une méthode originale ne nécessitant la mesure que d'un

seul point. Un second senseur, utilisant une excitation modulée en intensité pour une

mesure des temps de vie d'émission, a également été développé et les avantages liés à une

telle mesure sont soulignés. La réponse des senseurs utilisant les intensités ou les temps

de vie de luminescence peut être mathématiquement décrite par un modèle à deux sites,

qui ne permet cependant pas une description physique des systèmes. Finalement, d'autres

applications du senseur basé sur une mesure d'intensité d'émission sont présentées,

comme la mesure de la pression en oxygène dans les fonds marins ou lors de mesures de

sonochimie, dans le but de montrer l'étendue de l'application d'un tel senseur.

Table des Matières

1. Introduction générale du travail

1.1. Les océans... 1

1.2. La vie dans les océans... 1

1.3. Lumière, température et salinité...2

7.5.7. Lumière et température ... 2

1.3.2. Salinité. ... 3

1.3.3. Température et salinité: densité. ... 3

1.4. Les gaz dissous... 4

1.4.1. L'oxygène ... 4

1.4.2. Photosynthèse et production primaire (le CO 2 ) ...6

1.5. Le projet des Communautés Européennes... 7

2. Méthodes de mesure de Voxygène dissous 2.1. Introduction... 9

2.2. La méthode de Winkler...9

2.3. Une autre méthode colorimétrique...11

2.4. Méthodes ampérométriques... 11

2.4.1. l'électrode de Clark ... 11

2.4.2. Microcapteurs ... 13

2.5. La méthode isotopique... 13

2.6. Conclusions... 13

3. Les optrodes 3.1. Introduction...14

3.2. Avantages et inconvénients... 14

3.3. Les différents types d'optrodes... 15

3.3.1. senseurs intrinsèques ... 15

3.3.2. senseurs extrinsèques ... 16

3.4. Sources... 18

3.5. Fibres optiques...19

3.6. Parties sensibles... 21

3.6.1. les indicateurs ... 22

3.6.2. les matrices ... 22

3.6.2. les techniques d'immobilisation ... 22

3.7. Détecteurs...23

3.8. Filtres de lumière... 23

3.9.2. actuellement... 24

3.10. Conclusions...28

4. Principe de la mesure et choix de la phase sensible 4.1. Introduction... 29

4.2. Principe de la mesure... 29

4.3. Choix de la phase sensible... 30

4.3.1. choix de la matrice protectrice...31

4.3.2. adsorption sur un support... 34

4.3.3. choix de l'indicateur colore'...36

4.3.4. autre possibilité'... 40

4.4. Conclusions... 40

5. Partie instrumentale 5.1. Spectrométrie d'émission... 41

5.1.1. Mesures d'intensité d'émission... 41

5.1.2. Mesures des durées de vie d'émission...46

5.1.3. Cellules de mesure...48

5.2. Contrôle et mesure de latempérature... 50

5.2.1. Cryostat...50

5.2.2. Thennocouple...50

5.2.3. Montage construit au laboratoire...51

5.3. Spectrométrie d'absorption... 51

5.4. Spectrométrie de triasse... 51

5.5. Electrode de Clark...51

5.6. Produits et solvants... 52

5.6.1. Complexes, ligands et contranion... 52

5.6.2. Matrices et supports... 52

5.6.3. Solvants et autres... 52

5.6.4. Gaz... 52

5.7. Synthèse des complexes d'iridium... 53

5.7.1. Iridium tris(phénylpyridine)... 53

5.7.2. Iridium tris(benzoquinoline)...54

5.8. Changement de contranion du complexe de ruthénium... 54

5.9. Préparation des films sensibles... 55

5.9.1. Les films de polymère... 55

5.9.2. Les films contenant l'indicateur préalablement adsorbé... 56

5.9.3. Isolation optique...58

6. Résultats et discussion des mesures en I°/I

6.1. Introduction ...59

6.2. Ir(ppy )3... 59

6.2.7. En solution ...59

6.2.2. Dans les différentes matrices ... 60

6.2.3. L'adsorption sur support solide ... 68

6.3. Ir(bzq )3...72

6.5.7. En solution ... 72

6.3.2. Dans les différentes matrices ...72

6.3.3. L'adsorption sur support solide ... 73

6.4. Comparaison et choix du meilleur support ...78

6.4.1. Ir / amberlite / Fluka ... 78

6.5. Courbure dans la relation de Stern-Volmer et calibrage ... 79

6.5.7. Non linéarité des courbes de Stern-Volmer ... 79

6.5.2. Définition d'une fonction de calibrage ... 86

6.6. Comparaison des courbes obtenues sur les deux montages différents ...91

6.7. Caractéristiques Analytiques ...92

6.7.7. Effet des interférentspotentiels - sélectivité ...92

6.7.2. Précision, sensibilité, limite de détection ... 95

6.7.5. Temps de réponse ... 102

6.7.4. Vieillissement - stabilité à long terme ... 103

6.7.5. Reproductibilité de la préparation des échantillons ...106

6.7.6. Effet de la température ...107

6.8. Conclusions ... 112

7. Résultats et discussion des mesures en T°lT 7.1. Introduction ... 113

7.7.7. Avantages d'une mesure en

7

... 114

7.1.2. Brève revue de la littérature ... 114

7.2. L'excitation pulsée ... 115

7.2.7. Tentatives de mesures avec le laser ... 115

7.2.2. Tentatives de mesures avec le montage S.P.C ... 117

7.3. L'excitation modulée en intensité ...118

7.5.7. Introduction ... 118

7.5.2. Résultats ... 121

7.5.5. Validité du modèle à deux sites ...124

7.4. Conclusions ...130

8.2. Mesure en phase gazeuse à la lumière ambiante... 131

8.3. Mesure en phase aqueuse à la lumière ambiante... 131

8.3.1. Ir(ppy)s ...131

8.3.2. miKq)3...132

8.4. Mesure de l'oxygène dans les fonds marins...134

8.5. Mesure de l'oxygène produit lors de la sonication de l'eau... 135

8.6. Conclusions... 136

9. Conclusions générales... 137

10. Bibliographie

11. Annexes

”L'océan recouvre près des 3/4 de la surface du globe terrestre. Ce chiffre seul suffirait à démontrer l'importance de la Science de la Mer dans l'étude générale du globe. C'est au- dessus des mers que s'établissent les grandes lois de la circulation atmosphérique, c'est la surface géométriquement définie des océans qui constitue le Géoide, c'est leur niveau qui sert d'origine aux géographes pour mesurer les altitudes. La masse de leurs eaux constitue le grandiose laboratoire de la matière à l'état de dissolution. Leurs mouvements rythmiques, causés par les attractions combinées des deux astres voisins, forment le trait d'union tangible entre la science du Ciel et celle de la Terre... Enfin, l'étude de la vie dans les mers se présente sous une variété d'aspects presque infinie."

A. Berget

Introduction générale, 1

7. Introduction générale du travail,

Nécessité d'une mesure de O 2 dissous en milieu marin

1.1 Les océans 2,3,4,5,6,7

C'est depuis le voyage du fameux Challenger (1873-1876) que l'étude des océans s'appuye sur des notions scientifiques. Elle est axée sur différents domaines tant géographiques, physiques, biologiques, géologiques, que chimiques. C'est une science jeune et en pleine évolution qui aborde des questions aussi importantes que l'histoire de la terre, la tectonique des plaques, ou encore le rôle de l'océan dans la "digestion" des différents éléments de pollution (CO2, Pb,...).

Les océans recouvrent plus de 70% de la surface de la terre (soit 361 10^ km-) et ses profondeurs vont au-delà de 1 l.(XX) m (dans l'Océan Pacifique, fosse des lies Marianne)^. Ils représentent 98%

des réserves d'eau du globe, et se situent essentiellement dans l'hémisphère austral.

Dans tous les océans, on distingue différentes zones: le plateau continental (la zone côtière), le talus continental, et la zone océanique (les plaines abyssales et les crêtes océaniques). C'est la diversité de ces zones qui détermine la diversité des peuplements. Les zones côtières en particulier sont très importantes, en ce qu'elles sont les plus "productives". En effet, on y trouve presque la totalité du poisson pêché ainsi que d'importantes ressources minérales (pétrole, sable, gravier).

Malheureusement elles sont également les plus affectées par l'activité humaine.

Les grands courants constituent une des caractéristiques fondamentales des océans. Ils sont engendrés par des différences de température, de densité et par les vents dominants. La forme des bassins océaniques et la rotation terrestre (force de Coriolis) dévient ces courants. Leur importance se situe au niveau de l'homogénéisation des caractères physiques et chimiques de l'eau de mer en surface, et au niveau des mélanges avec la profondeur suite aux plongées des eaux de surface et aux remontées des eaux profondes (upwellings) riches en éléments biogénés. Les mouvements entre les masses d'eau sont dictés par advection (mouvements horizontaux ou verticaux rapides) et par diffusion moléculaire ou Eddy diffusion^ (échanges sans transport d'eau).

La dynamique des océans est donc définie par des mouvements de périodes très longues (circulation générale), mais aussi par des mouvements de périodes plus courtes comme les dérives (quelques jours), les marées (quelques heures), la houle et les vagues (quelques secondes).

1.2. La vie dans les océans

La diversité du monde vivant des océans est extrême: vertébrés, invertébrés, unicellulaires végétaux et

animaux, plantes, bactéries, champignons,... Environ 160.(XX) espèces ont été recensées *0, allant des

très petits organismes (bactérioplancton de taille < 2 pm de diamètre) aux plus grands animaux du globe terrestre (baleine d'environ 30 m et 140 tonnes). Le rôle des organismes vivants est fondamental dans les équilibres chimiques des océans (cycle CO2, production-consommation de O2, prélèvement des substances minérales pour la constitution des squelettes,...), mais également à d'autres niveaux. En effet, les découvertes récentes sur les formes de vie particulières liées aux circulations hydrothermales profondes* *, posent aujourd'hui de nouvelles questions sur l'origine de la vie sur notre planète. Par ailleurs, le monde vivant des océans représente une ressource majeure pour l'homme, non seulement directement pour son alimentation (pêche, limitée à des groupes particuliers), mais aussi indirectement en raison du rôle des organismes et micro-organismes dans la formation des matières premières (pétrole,...). Enfin, la productivité animale et végétale, et l'évolution de la biomasse sont à l'origine de la formation des couches géologiques du passé (ex: la craie est constituée à 90% de restes de plancton (coccolithophoridés, foraminnifères, ...)*2.

1.3. Lumière, température et salinité

1.3.1. Lumière et température

On trouve la lumière dans la couche supérieure des océans (zone photique) jusqu'à une profondeur dépendant de la turbidité de l'eau. Les rayons infra-rouges et ultra-violets sont rapidement absorbés et permettent le réchauffement des océans tandis que la lumière visible est utilisée dans le processus de la photosynthèse. La quantité d'énergie lumineuse reçue par les océans fluctue selon la latitude, les saisons, les angles d'incidence, la quantité de nuages et la durée du jour. Les nuits de pleine lune par exemple, il peut y avoir suffisamment de lumière pour qu'une activité biologique ait lieu.

C'est bien entendu dans les zones éclairées que sont concentrées les plantes et les animaux phytophages. Le rôle de la quantité et de la qualité de la lumière est très important. Par exemple, les algues vont adapter leur immersion en fonction de ces deux critères et les migrations éventuelles résultantes détermineront la position des herbivores.

La température moyenne des eaux de surface va de 0°C près des cercles arctique et antarctique,

jusqu'à 25°C près de l'équateur, avec une moyenne de 3.5°C. Des températures extrêmes de -1.9°C et

35°C peuvent cependant être observées. Les eaux côtières en bordure Est des océans sont souvent

plus froides à cause des upwellings. On distingue, sous la couche chaude de surface (de 50 à 2(X) m

de profondeur), très sensible aux variations saisonnières, une diminution brutale de la température sur

une faible distance verticale. Ce changement rapide en température est appelé thermocline (ou couche

de transition). L'abondance de phyto- et zoo-plancton est fortement liée aux variations saisonnières de

la thermocline. Les variations de température annuelles en surface sont faibles et lentes, de l'ordre de

2°C en régions froides à 10°C en régions tempérées, méditerranéennes. Une amplitude exceptionnelle

de 20°C peut être trouvée en mer Noire (mer quasi fermée), ou en mer de Chine. En dessous de la

Introduction générale, 3

thermocline, la température diminue graduellement jusqu'à atteindre une température très uniforme d'environ -1 à + 4°C pour les eaux profondes. Des anomalies particulières et ponctuelles sont dues aux sources chaudes des dorsales où l'on peut observer des températures jusque 400°C !

1.3.2. Salinité

Q', Na"*", SO4'", Mg"*"*", Ca'*"'", K"*", HCO3’, Br' et Sr+ sont les éléments majeurs de l'océan (c-à-d qu'ils représentent 99.9% du total en sel inorganique de l'eau). Grâce aux mélanges par les courants, ces sels, dont pratiquement les 90% sont représentés par NaCl et MgS04, ont une abondance qui varie peu d'un océan à l'autre. Cependant, la composition ionique n'est jamais exactement identique et varie généralement de 33 à 38 °/oo (°/oo = gr de sel pour 1000 gr d'eau) ^ 3 .

La salinité moyenne des océans est de 35 °/oo- Des salinités plus fortes sont observées, suite à l'évaporation en surface ou à la formation d'icebergs. Les minima sont dus à la dilution par pluviosité, apports d'eaux douces par les fleuves et fontes des glaces. La formation de précipités et les prélèvements biologiques font également diminuer la salinité. Les mers quasi fermées évaporent ou reçoivent des apports d'eau douce sans homogénéisation par les courants océaniques et présentent des salinités anormales (ex: mer Rouge: 40-41 °/ooi n^^r Noire: 16-18 ®/oo)- La salinité montre un profil vertical semblable à celui de la température, avec des valeurs variables en surface, des valeurs constantes en profondeur et une région intermédiaire de variations graduelles (appelée halocline).

Les éléments mineurs (B, Si, Li, Cu,...), qui interviennent peu pour la salinité, jouent un rôle important pour l'ensemble de l'environnement océanique, en particulier dans les réactions et échanges biochimiques. L'eau des océans contient aussi des nutriments organiques et des éléments en trace essentiels à la vie des organismes.

1.3.3. Température et salinité: densité

La température et la salinité sont deux paramètres importants à mesurer. La première car elle détermine les régions climatiques et qu'elle limite l'extension des espèces^o. La deuxième car elle représente (en tenant compte de la première) la densité de l'eau (eau plus dense si plus riche en sels et plus froide). Celle-ci est exprimée en g/cm^ et varie de 1.02300 à 1.03000 dans l'océan ouvert. On convertit généralement la densité en un terme plus pratique: a, donné par®:

O = (d\v - dp\\ ) / dpw éq. 1.1

où dw est la densité de l'eau de mer, et dp^ la densité de l'eau pure. Pour une densité de 1.02700 par exemple, o = 27 pour mille.

Le paramètre densité est véritablement la "clé" de l'océanographie. En effet, elle joue un rôle essentiel

dans les processus de mélange et de la circulation des masses d'eau des différents océans. La

circulation qui en résulte est appelée thermohaline et joue un rôle important dans la richesse potentielle

des océans^-^. Elle est initiée à la surface de ceux-ci et a une composante verticale importante. Dans les régions équatoriales, où l'énergie solaire est la plus importante, les eaux chaudes de surface s’étendent vers les pôles, en se "déposant" au dessus des eaux plus froides. A la surface des océans de plus haute latitude par contre, les conditions de température et de salinité produisent une masse d'eau froide de haute densité, qui "coule" et s'étend à une profondeur correspondant à sa densité. En dehors des eaux de surface, il y a mélange des masses d'eau de différente densité. On observe ainsi une réelle stratification en densité dans les eaux des océans, et un mélange complet des eaux de surface et profondes.

Il existe des sondes CTD (Conductivité-Température-Densité) permettant de mesurer ces 3 paramètres simultanément.

1.4. Les gaz dissous

Des échanges air-eau entre l'atmosphère et les eaux de surface de la mer ont comme résultat que ces eaux sont généralement à, ou en tous cas proches, de l'équilibre avec les gaz atmosphériques. Ces échanges de gaz s'effectuent directement à la surface, mais aussi près de la surface, où des bulles de gaz sont introduites dans l'eau par l'action des vagues (lorsqu'elles brisent c-à-d essentiellement à la côte). Les gaz atmosphériques existent dans l'eau de mer à une concentration qui dépend de différents facteurs dont la température et la salinité. Ces concentrations sont cependant relativement stables, si ce n'est pour O2 et CO2, qui sont impliqués dans des processus biologiques (photosynthèse, respiration,...).

1.4.1. L'oxygène

L'oxygène contenu dans les eaux est nécessaire à la vie de pratiquement tous les organismes. Ceci est particulièrement vrai pour le comportement métabolique des nombreux micro-organismes qui causent la dégradation des substances organiques et des contaminants divers dans l’eau.

La concentration en oxygène à la surface des océans est essentiellement établie par les échanges avec l'atmosphère, c-à-d par dissolution physique de l'oxygène atmosphérique dans l'eau de mer* Cette dissolution est régie par la loi de Henry. Elle est largement déterminée par la solubilité de l'oxygène dans l'eau, qui dépend de la température et de la salinité.

Cependant, en plus des échanges avec l'atmosphère (processus physique), la photosynthèse

(processus biologique, éq.1.3) représente également un apport important en oxygène dans les eaux de

surface. Les processus d'oxydation microbiologiques et la respiration font par contre diminuer la

quantité d'oxygène dans l'eau de mer. En fait, le domaine de concentration en oxygène dissous

dépend de la balance entre l'activité biologique et les échanges par advection et diffusion entre les

masses d'eau. Il dépend également, pour les eaux de surface, des échanges à l'interface air-eau. Le

profil vertical en oxygène habituellement rencontré est le suivant:

Introduction générale, 5

les eaux de surface sont souvent saturées en oxygène, voir même super saturées (jusqu'à 200%!*2), on trouve toutefois des différences entre les eaux de surface du Pacifique (océan riche à grande activité biologique) et les autres océans. C'est dans les premiers mètres que la production en O2 est la plus importante, puis on observe une diminution en O2 liée au transfert de matières organiques produites en surface vers les eaux profondes. 11 y a en fait presque toujours une couche, d'environ 100 à 200 m d'épaisseur, pauvre en oxygène (jusqu’à 2% de la saturation) entre 400 et 1(XX) m, où il y a beaucoup d'animaux et de bactéries. C'est probablement une zone non oxygénée par la surface (la photosynthèse n'ayant pas lieu à ces profondeurs) ni par les fonds (les courants froids passant plus bas); et désoxygénée par l'action des bactéries et autres animaux détritiques, qui oxydent le plancton provenant des couches supérieures. En dessous de la couche d'02 minimal, le niveau d'oxygène augmente à nouveau progressivement. Aux grandes profondeurs, on trouve des eaux froides et bien oxygénées.

Dans les mers fermées ou dans les bassins d'eaux stagnantes, comme en mer Noire ou en mer Baltique, les eaux profondes peuvent être désoxygénées voire même anoxiques. Dans ces conditions, les animaux et les bactéries qui survivent ont adapté leur métabolisme, et sont capables de vivre sans oxygène. C'est par exemple le cas des bactéries sulfureuses.

L'oxygène est, avec la température et la salinité, le constituant de l'eau de mer le plus souvent déterminé lors des campagnes océanographiques. Ces trois paramètres permettent en effet de caractériser la structure des environnements marins. L'oxygène est un traceur précieux des masses d'eau (évaluation de l'âge des masses d'eau, étude du mouvement des eaux profondes) et un indicateur sensible des processus biologiques et chimiques se déroulant dans les océans (par exemple évaluation de la production primaire, voir section 1.4.2). Il est aussi l'indicateur clé de la qualité de l'eau dans les régions où la demande biologique en oxygène (B.O.D) est significative.

On parle parfois d'AOLF46 ( qu UAO: Utilisation Apparente en Oxygène), qui représente la différence entre la saturation "théorique" à 100% de l'eau de mer en surface, et la quantité en oxygène trouvée dans l'eau au cours de son histoire après rupture du contact avec l'atmosphère. Ce concept d'AOU suppose que l'eau plongeant de la surface vers le fond est 100% saturée par rapport à l'atmosphère. 11 doit cependant être accepté avec réserve car les processus physiques et biologiques qui interviennent à la surface peuvent donner lieu à une super saturation ou à un équilibre incomplet avant que l'eau ne perde le contact avec l'air.

On parle également de profondeur de compensation en oxygène (OCD, Oxygen Compensation

Deapth), qui est la profondeur à laquelle la production en oxygène est égale à la consommation en

oxygène. C'est un paramètre important qui détermine la profondeur en dessous de laquelle les plantes

ne survivent pas.

1.4.2. Photosynthèse et production primaire (le CO 2 ) •

Les océans forment le plus grand réservoir mondial de CO2. La quantité en carbone que cela représente est équivalente à environ 100 fois celle de la biomasse des forêts du monde! Ils absorbent la plus grande part (près de 80%) du CO2 produit par la combustion du charbon et du pétrole et évitent ainsi (ou retardent ?) le réchauffement global de la terre par effet de serre. C'est par les échanges air-eau que le CO2 est introduit dans les océans. Il est hydraté pour former de l'acide carbonique et ses sous-produits. La concentration totale en carbone inorganique des océans est donnée par la somme des concentrations de ces éléments, soit:

TCO2 = [CO2] + [H2CO3] + [HCO3-] + [CO3--] éq. 1.2

La présence d'acides faibles (H2CO3 mais aussi H3BO3) confère à l'eau de mer un caractère tampon qui limite le pH de celle-ci à un domaine allant de 7.6 à 8.3.

La quantité en CO2 dans les océans varie par suite de l'activité biologique (photosynthèse, respiration) et dépend des échanges air-eau ainsi que de la quantité en carbonate de calcium présent dans l'eau (fabrication de squelettes, de coquilles, formation d'atolls, de coraux).

Lors de la photosynthèse, l'énergie solaire est absorbée par les cellules végétales, et est convertie en énergie biochimique, qui est emmagasinée sous forme de composés organiques (CH20)x à grande énergie potentielle. La respiration par les organismes consiste à transformer ces composés de haute capacité énergétique en composés moins énergétiques avec libération d'énergie:

pholosynthcsc

X CO2 + X H2O + én ^ (CH20) x -I- X O2 éq 1.3

respiration

La matière organique produite par le phytoplancton, soit la production primaire, sera utilisée par les organismes supérieurs qui la consommeront (herbivores puis carnivores) afin de récupérer l'énergie et, en plus petite partie (~ 20%), pour la fabrication de tissus (biomasse). La production primaire est donc bien la première production de matériel organique (protéines, graisses, hydrates de carbone) à partir de matériel inorganique, le premier pas de toutes les chaînes alimentaires marines. Les bactéries jouent le rôle important de reconvertir la matière organique en matière réutilisable par les plantes

(c-à-d inorganique).

La photosynthèse est réalisable par les micro-organismes, dans la zone photique, si toutefois il y a

suffisamment de substances nutritives. Ces substances nutritives sont essentiellement l'azote et le

phosphore. On les trouve sous forme de nitrates et phosphates et leurs dérivés. La composition

élémentaire moyenne de la matière organique dans les océans contient en proportion: 106 C: 16 N: IP

(rapports de Redfielf^) et une carence d'un de ces éléments provoque des déséquilibres entre espèces.

Introduction générale, 1

Le silicium est aussi un constituant important, indispensable pour certaines espèces (diatomées). Un manque en silicium provoque la trop connue eutrophisation par les algues Phaeocystis , cette

"mousse" apparente sur les côtes de la mer du Nord*"^.

Beaucoup d'éléments mineurs (oligo-éléments) sont également nécessaires en micro quantités, au métabolisme de la matière vivante.

Il existe des différences importantes entre les régions marines continentales, celles plus au large et les zones plus profondes, en ce qui concerne l'accès aux éléments nutritifs et autres. En effet, le long des côtes, il y a souvent des apports terrigènes plus riches en N, P et Si que l'eau de mer, ce qui accroît la productivité de phytoplancton dans ces zones. C'est d'ailleurs là qu'est située 90% de la production des océans (représentant 1.4% du volume total des océans, soit ± 300 mgC / m- / jour). On trouve également à certains endroits dans l'océan des zones où la production est importante (± 500 gC / m- / jour), comme dans les régions d'upwellings ou dans l'Antarctique (résultat de la circulation océanique•■*). L'océan ouvert, lui, reste très peu productif (± 50 mgC / m- / jour, ce qui correspond à une production désertique sur terre!).

La détermination de la production primaire peut être réalisée de différentes manières et on se base en général sur une mesure du CO2 consommé ou sur une mesure de l'oxygène libéré. Les méthodes de mesure impliquent l'utilisation de l'isotope du carbone, ou une mesure par analyse IR en phase gazeuse. Il est également possible de se baser sur une mesure de pH ou sur une mesure directe de la quantité de matière organique fabriquée (comptage microscopique, mesures colorimétriques de la chlorophylle >2).

1.5. Le projet des Communautés Européennes

L'intensité de la production primaire en zone côtière est caractérisée par des variations spatiales et temporelles importantes. Ces variations sont essentiellement liées à la dynamique complexe des courants côtiers, à l'existence d'apports localisés d'éléments nutritifs (upwellings et apports terrigènes) et aux variations locales du champ radiatif. Son évaluation est imf)ortante à plusieurs niveaux, notamment parce qu'elle détermine le nombre et les espèces des individus, qu'elle permet de faire des prévisions en ce qui concerne l'exploitation des ressources marines et donc de situer les emplacements favorables à la pêche, et finalement qu'elle permet l'évaluation de la circulation globale du carbone et du rôle de l'océan dans la fixation du CO2 atmosphérique.

La production primaire est généralement évaluée à partir de la dynamique de production et de

consommation du carbone inorganique ou de l'oxygène dissous, et rarement de la combinaison des

deux. En réalité, ces approches ne sont pas équivalentes, sauf si on se base sur une simple

observation directe basée sur la synthèse et la reminéralisation des hydrates de carbone (éq 1.3). Or,

le rapport stoechiométrique entre CO2 consommé et O2 produit au cours de la photosynthèse dépend

de la source d'azote utilisée (NO3' ou NH4+)1‘*. Il est donc intéressant, pour la compréhension du fonctionnement de l'écosystème côtier de développer une instrumentation permettant la mesure simultanée des flux de carbone et d'oxygène impliqués dans le processus de la production primaire. Le principe général de l'évaluation de la production primaire, par la mesure du carbone inorganique ou de O2 consiste à déterminer la variation de la concentration d'un de ces deux paramètres, dans un échantillon soumis à une double incubation: une dans des conditions d'éclairement et l'autre à l'abri de la lumière. Dans tous les cas la production nette résulte de la différence entre la production brute (échantillon clair) et la respiration (échantillon noir). Cependant, on considère que la vitesse de respiration est identique dans les deux cas, ce qui représente une limitation de la méthode car il existe des processus de consommation d'Û2 dépendant de la lumière ainsi que des modifications de la respiration mitochondriale par la lumière. Cette technique est cependant beaucoup utilisée et reste la technique standard en recherche océanographique et limnologique sur la productivité des al gués

Avec les techniques actuelles, l'estimation de la production primaire à une échelle géographiquement étendue impose une généralisation des résultats en un nombre de stations limité. Seule une multiplication des sites de mesure peut permettre une augmentation significative de la précision sur ces estimations. Une telle multiplication des mesures n'est cependant envisageable que par le biais d'une instrumentation autonome. Les mesures en pleine-eau, pour estimer la production primaire sont d'ailleurs préférables car l'approche élimine les artefacts associés à l'échantillonnage en bouteilles. Actuellement, ces mesures en pleine-eau sont rares et manquent de précision.

Différents laboratoires se sont alors réunis afin de réaliser un projet d'une grande envergure ayant pour but la détermination, via une instrumentation autonome, de la production primaire en zones côtières, intégrée sur toute la zone photique.

Les différents laboratoires et leur(s) tâche(s) respective(s) sont les suivants: l'Ecole Centrale de Lyon a pour tâche l'étude et le développement de nouveaux capteurs pH IFSET adaptés au milieu marin.

Ifremer (Brest) étudie le développement, la caractérisation et l'adaptation aux conditions opérationnelles de mesure de micro capteurs électrochimiques (pH et oxygène dissous) répondant aux spécificités du milieu marin, ceci en collaboration avec l'Ecole Centrale de Lyon et le CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique). Nous nous sommes proposé, dans le cadre du développement de nouveaux senseurs, d'étudier la faisabilité d'une nouvelle technique de mesure de l'oxygène dissous, offrant les avantages d'une mesure précise et rapide. Le laboratoire de traitement des eaux et pollution de l'ULB s'intéresse à l'étude globale du système prototype devant accueillir les différents capteurs, étudie la méthodologie ainsi que les méthodes de calculs pour la mesure intégrée de la production primaire.

L'entièreté des résultats de ce projet est décrit dans un rapport des Communautés Européennes*^, dont une copie se trouve en annexe. Nous nous limiterons dans la suite à notre partie du travail:

l'étude d'un senseur pour l'oxygène dissous, se basant sur une mesure en phase gazeuse.

2, Méthodes de mesure de Voxygène dissous

2.1. Introduction

Ce n'est pas avant que Winkler^’ *9 gj, 1888, ait développé une méthode simple pour la détermination de l'oxygène que des études de routine de sa distribution dans les océans ne furent réalisées.

Rapidement on remarqua que les changements en contenu de O2 des eaux n'étant pas en contact avec l'atmosphère étaient liés aux processus biologiques de la photosynthèse et de la respiration dans les eaux.

Les mesures de l'oxygène peuvent être utilisées pour caractériser les masses d'eau^o, pour estimer la distribution et l'intensité des processus d'upwellings le long des marges continentales ou pour établir l'existence d'arrivée d'eaux profondes dans les fjords^i.

La concentration en oxygène dissous peut être déterminée par une série de techniques, mais les investigations actuelles sont généralement réalisées parla méthode de Winkler (et ses variantes) ou par des électrodes polarographiques (ou électrodes de Clark). Par exemple, M.Rhein^2 utilise, pour une étude de la caractérisation des masses d'eaux profondes, un senseur électrochimique calibré et analysent les échantillons d'oxygène en bouteilles par un titrage de Winkler modifié.

Ce chapitre reprend la brève description de ces deux méthodes de mesure de O2 dissous. Elles existent sous différentes variantes qui permettent de répondre à toute sorte de situations.

D'autres méthodes sont également citées afin de montrer que la détection de l'oxygène dans l'eau de mer est un problème actuel et que des développements sont encore réalisés tant dans les méthodes colorimétriques qu'électrochimiques. La méthode de Okumura (section 2.3) est à ce titre un bon exemple. La méthode isotopique, quoique peu populaire, est également brièvement expliquée.

2.2. La méthode de Winkler (méthode iodométrique)

La méthode de Winkler23 se base sur une série de réactions rédox passant par l'intermédiaire de composés du manganèse et aboutissant à un composé coloré détectable par différentes méthodes d'analyses classiques.

L'oxygène présent en solution oxyde rapidement, en milieu alcalin, une quantité équivalente d'hydroxyde de manganèse II en un hydroxyde d'étage d'oxydation III qui précipite (éq.2.1 et 2.2).

En présence d'ions L, en milieu acide, le manganèse oxydé retourne à l'étage d'oxydation II, en

libérant de l'iode I2 en quantité correspondant à la quantité d'02 initialement présent (éq.2.3). L'iode

et les ions iodures forment alors un complexe iodé (éq.2.4). Ce complexe peut être dosé par titrage au

thiosulfate de sodium (éq.2.5), avec le point d'équivalence détecté par volumétrie (amidon) ou par

spectrophotométrie (X12 = 287.5nm - X13- = 352nm)2-+.

Méthodes de mesure de Voxygène dissous, 10

Mn+++ 2 OH- -> Mn(OH)2 éq.2.1

2 Mn(OH)2 + 1/2 O2 + H2O -> 2 Mn(OH>3 éq.2.2

2 M iî (OH )3 + 2 1- + 6 H+ -> 2 Mn++ + H + 6 H2O éq.2.3

I2 + I' —> Is" éq.2.4

Is" + 2 S2Q3" —> 3 I" + 840^“ éq.2.5

Une fois que les réactions (2.1 à 2.4) sont complètes, l'échantillon peut être gardé pour une période de 24 heures avant l'analyse.

Il est théoriquement possible d'atteindre par le titrage au thiosulfate une précision de 50 pg O2 /1 par détection visuelle et de 5 pg O2 /1 avec une détection électrométrique du point d'équivalence^^. Ces chiffres sont cependant forts théoriques car la précision de la méthode de Winkler est en fait difficile à estimer, et ce car la plus grande source d'erreur est liée à la procédure d'échantillonnage*^. En effet, malgré les bouteilles spécialement adaptées (flacons de Winkler, figure 2.1), il est important mais difficile d'éviter que le liquide prélevé soit en contact avec l'air.

figure 2.1: Flacon de Winkler, de volume précis, avec un bouchon spécialement adapté au prélèvement de l'eau.

La méthode de Winkler a été adoptée pour la mesure de l'oxygène dissous depuis de nombreuses années et est considérée dans une certaine mesure être "la" méthode standard. De plus, elle est connue pour être la procédure la plus précise et la plus fiable^^.

Cependant sa nature encombrante et lente a entravé son application. De plus, la procédure fait intervenir différentes réactions chimiques qui toutes sont sujettes aux interférences par des réactions secondaires si les processus d'utilisation ne sont pas strictement suivis; et aux réactions avec une variété de substances qui, si on analyse l'eau de mer, sont tacitement assumées être absentes*^.

11 existe toutefois plusieurs modifications à la méthode de Winkler, développées pour éliminer, ou tout au moins minimiser, les effets des substances interférentes^^. Mais, malgré ces différentes modifications, la méthode iodométrique reste inapplicable dans une série de cas (notamment dans les égouts ou en eau trouble). De plus, elle n'est absolument pas adaptée pour des mesures en temps réel

"sur le terrain", et encore moins pour des mesures en continu ou in situ.

2.3. Autre méthode calorimétrique - Méthode de Okumura

Une autre méthode colorimétrique pour la détermination de l'oxygène dissous dans les eaux environnementales a été proposée en 199426. C'est une méthode simple et visuelle, basée sur des études spectrophotométriques avec du bleu de méthylène. Le principe de base de cette méthode est l'oxydation du bleu de méthylène préalablement réduit par du glucose dans une solution éthanol-eau contenant du NaOH. L'oxydation par Oo est complète pratiquement instantanément, la couleur changeant de incolore à bleu. L'intensité de la couleur est proportionnelle à la concentration en oxygène et reste stable pendant environ 90 minutes. On peut déterminer jusqu'à 13pg/ml d'Oo dissous par spectrophotométrie à 600 nm, avec une déviation standard de 3.9%. La méthode peut être appliquée à la détermination in situ de l'oxygène dissous en eau de mer ou en eau douce.

Cette méthode, dont le développement est très récent et l'application limitée à ses auteurs, illustre le besoin actuel de nouvelles méthodes pour mesurer l'oxygène dissous.

2.4. Méthodes ampérométriques 27

Un capteur ampérométrique implique l'électrolyse d'une espèce électroactive entre une électrode indicatrice et une électrode de référence, en appliquant une surtension correspondant au palier limite de diffusion de l'espèce. La hauteur de ce palier est proportionnelle à la concentration en espèce réduite ou oxydée à l'électrode indicatrice et permet donc la mesure quantitative de celle-ci. Toutes les espèces oxydables ou réductibles peuvent être mesurées, la sélectivité n'étant liée qu'à la valeur de la tension appliquée.

2.4.1. Sonde spécifique (électrode de Clark) 28,29

L'électrochimie apporta une solution élégante aux problèmes de la mesure de l'oxygène dissous avec l'électrode de Clark, qui permet une mesure bien plus rapide et plus commode de la concentration en Cb que la méthode de Winkler. Elle consiste (figure 2.2) en une cellule électrochimique composée d'une cathode en or ou en platine et d'une anode de référence (électrode d'argent), isolées et jointes par un électrolyte (généralement KCl). La cellule est séparée de la solution à tester par une membrane perméable aux gaz et relativement rigide (Cellophane, Téflon, polyéthylène), qui permet de protéger l'élément sensible du milieu extérieur20’30. Elle est généralement épaisse de 1 à 10 pm, épaisseur qui permet un compromis entre solidité et temps de réponse court.

Un potentiel constant d'environ 0.8 V est appliqué entre les deux électrodes, et l'oxygène diffusant à travers la membrane est réduit à la cathode selon la réaction:

02 + 2 H 2 O + 4 e - -> 4 OH- éq.2.6

Méthodes de mesure de l'oxygène dissous, 12

Cathode en or ou en platine

verre

membrane

figure 2.2 : Représentation schématique de l'électrode de Clark.

Le courant électrique dû à la réaction électrochimique est directement proportionnel à la quantité d'oxygène réduit, par conséquent au flux d'oxygène diffusant à travers la membrane, et donc à la concentration en oxygène dissous dans le milieu.

La mise en oeuvre et la maintenance de cette électrode sont aisées mais des compensations de température ainsi qu'un calibrage régulier sont nécessaires (le temps d'utilisation de l'électrode entre deux calibrages est souvent limité à quelques heures). Ceci est lié au fait que la mesure est basée sur le passage limité par la diffusion de Oo à travers la membrane. De cette manière, n'importe quel facteur pouvant affecter la diffusion peut provoquer des erreurs de mesure. Ces facteurs sont essentiellement la température et l'encrassement (biologique ou autre).

Toutefois, les électrodes de Clark sont largement utilisées aujourd'hui, grâce à leur aspect "easy to use", et du fait que la mesure est intrinsèquement plus rapide que la méthode de Winkler. Elles sont portables, totalement submersibles et permettent de ce fait des analyses sur le terrain ou in situ. De plus, elles permettent des mesures en eaux colorées, très polluées, où la méthode iodométrique est inutilisable. Elles sont également utilisées en laboratoire, pour des analyses en culture biologique (mesure de B.O.D^*).

Il existe à l'heure actuelle des sondes ampérométriques disponibles commercialement. Par exemple, la firme YSE/I (USA) développe toute une série de détecteurs pour l'environnement, avec pour l'oxygène dissous des systèmes de mesures ayant des résolutions allant de 0.01 mg/1 à 0.1 mg/1, pour des domaines de concentrations de 0 à 20 mg/1. Les précisions données dans les catalogues sont de ± 0.03 mg/1 à ± 0.1 mg/1 02^^. La plupart tiennent compte directement de la salinité et de la température. De nombreux concurrants sont actuellement sur le marché.

La méthode de Winkler reste toutefois "la" méthode de référence, et rares sont les océanographes qui

recommandent l'électrode (qui est "trop instable pour la plupart des applications "^3).

2.4.2. Microcapteurs

Des microcapteurs ampérométriques pour la mesure de l'oxygène dissous en milieu marin sont étudiés actuellement, et notamment par les groupes de Ifremer et Lyon^^. Ces microcapteurs présentent un intérêt certain pour une utilisation en milieu marin. Leur miniaturisation permet de faciliter leur intégration et de réduire les dimensions des systèmes les mettant en oeuvre. Toutefois, l'utilisation sur une longue période de ces microcapteurs est actuellement limitée par des dérives propres relativement importantes. A ces difficultés ordinaires s'ajoutent, dans le cadre de la mesure en milieu marin, les problèmes de modification des propriétés de surface par les biosalissures.

2.5. Méthode isotopique

L'isotope majeur de l'oxygène est avec une abondance naturelle de 99.758%. L'utilisation de l'isotope mineur dans une méthode d'analyse permet l'évaluation directe de la photosynthèse brute des algues. L'idée est d'enrichir un échantillon en de le laisser incuber à la lumière, puis de mesurer la quantité en produite lors de la photosynthèse.

La détermination par spectroscopie de masse des changements de concentration en et permet d'examiner les vitesses de respiration et de photosynthèse.

On estime dans ce cas que seule une quantité négligeable en oxygène 18 est recyclée par la respiration lors de l'incubation et que la consommation n'a donc qu'un faible effet sur le rapport / ^^02.

2.6. Conclusions

Les systèmes de mesure actuels pour la détermination de l'oxygène, qui font appel à la spectrophotométrie, à la titrimétrie ou aux électrodes de Clark s'avèrent peu appropriés pour la mesure de l'oxygène dissous en milieu marin. En effet, ils ne permettent pas l'obtention rapide (cf.

Winkler) d'un grand nombre de mesures précises et fiables (cf. Clark), or la production en oxygène dans un milieu marin est un phénomène non stationnaire qui nécessite des mesures précises en temps réel.

Beaucoup d'études sont réalisables d'un point de vue électrochimique, mais il subsistera toujours

certaines limitations, intrinsèques à la méthode, comme par exemple le fait qu'elles soient sensibles

aux flux et aux encrassements (des électrodes ou de la membrane). C'est pourquoi, vu l'importance

tant chimique, biologique, qu'économique de la connaissance de la concentration en oxygène dissous

dans les eaux de mer, nous avons pensé qu'il serait intéressant de se tourner vers une nouvelle

méthode de dosage de celui-ci, qui se montrerait aussi simple d'emploi que l'électrode et aussi

précise que la méthode de Winkler. Les méthodes optiques, comme nous le verrons dans le chapitre

suivant permettent actuellement d'ouvrir plusieurs portes dans ce domaine.

3. Les Optrodes ³⁵ . ³⁶ , ³⁷ , ³⁸ , ³⁹ , ⁴⁰ . ^41,42

3.1. Introduction

Ce sont les progrès technologiques réalisés en matière de fibres optiques au sein de l'industrie de la communication qui ont permis d'élargir le domaine des méthodes d'analyses optiques, en couplant des fibres aux senseurs. Les senseurs optiques qui en résultent sont appelés optodes^^^ ou optrodes"*"^. Les deux termes soulignent le fait que l'information est optique, le premier en comparaison avec les électrodes (OPTical electRODE) et le second tiré du grec (optikos odos; chemin optique).

Les optrodes sont utilisées dans un très large domaine d'applications analytiques"^^. Elles sont par exemple de plus en plus utilisées dans le domaine de l'environnement, pour la détection de gaz comme le CO 2 atmosphérique"^^, pour le monitoring d'eaux de terrains"^’^’"^^, ou pour la détection d'hydrocarbures aromatiques"^^. Elles sont aussi utilisées en remplacement des électrodes dans les méthodes titrimétriques"^^’^^ gt principalement dans différentes applications biomédicales^ L52,53,54 (études cliniques). Les senseurs développés pour ce type d'analyse sont généralement appelés biosenseurs^^’^^’^’^’58,59 gj sont donc utilisés, in vitro comme in vivo, pour tester des paramètres importants pour la santé (analyse du sang, détection de drogues thérapeutiques,...). Elles sont également employées pour des mesures de l'activité biologique (détection du phytoplancton, chlorophylle^^), d'éthanol dans des boissons^' ou encore dans les dépôts de déchets nucléaires.

3.2, Avantages et inconvénients

L'utilisation d'un senseur à fibre optique offre beaucoup d'avantages, par exemple le signal mesuré

peut être transmis sur de longues distances (typiquement de 10 m à 1 km), ce qui permet d'isoler le

milieu de mesure de l'appareillage nécessaire à cette mesure^2,63 £)g jgg fibres sont robustes et

peuvent donc être exposées à différentes conditions hostiles, comme lors de mesures dans des

endroits difficilement accessibles ou dangereux. Dans le cas contraire, le remplacement de la fibre ne

présente pas un grand problème (il existe d'ailleurs des senseurs jetables^-*>65). L'utilisation de

sources, fibres optiques et détecteurs peu encombrants permet d'apporter l'instrumentation sur le

terrain et donc de se débarrasser des inconvénients associés au transfert d'un nombre fini

d'échantillons vers le laboratoire. Les fibres en plastique permettent une multitude de possibilités

pour des études in vivo en physiologie et en médecine^^’^^’^*. De plus, les fibres ne présentent pas

de risque vis-à-vis des patients car il n'y a aucune connection électrique vers le corps. Grâce aux

développements réalisés dans la miniaturisation des techniques optiques, on peut rendre les optrodes

Les optrodes, 15

de taille microscopique^^,70 (jg 0.1 à 1 pm), ce qui prend toute son importance lors de mesures dans les tout petits volumes ou pour la fabrication de microcatéthères pour les analyses in vivo en médecine ou en chimie clinique. Elles sont généralement fiables et l'on prétend parfois obtenir une stabilité à long terme'^^ Du fait que le signal observé est optique, il n'est pas sujet aux interférences électriques ou magnétiques, et le nombre d'informations transportées simultanément peut être élevé.

Elles peuvent de plus être conçues de façon à mesurer simultanément plusieurs analytes tels que O2 et ,71,72,73^ ou autres 52,74,75,76 Certaines optrodes permettent la détection simultanée de 3 paramètres^^. Dans la plupart des cas, les réactifs ne sont pas consommés de façon mesurable et l'analyse peut être effectuée assez rapidement (en temps réel) car les temps de réponse sont généralement suffisamment courts (jusqu'à moins de 500 ms"^®), et qu'aucun échantillonnage ne doit être effectué. Elles sont de plus généralement basées sur une mise à l'équilibre, contrairement aux méthodes ampérométriques qui fournissent un signal déterminé par un flux de matière et des modifications de surface par contamination du senseur ne modifient pas cet équilibre. Enfin, les senseurs optiques sont résistants et souvent de coût avantageux par rapport aux électrodes.

11 arrive cependant que les optrodes n'aient qu'une courte durée de vie ou qu'elles ne soient pas très stables"^"^. La stabilité n'est en effet pas facile à atteindre en pratique et ce car la source et le détecteur peuvent subir des dérives. De plus, pour les senseurs ayant une phase indicatrice immobilisée, on observe souvent un temps de vie limité dû aux phénomènes de relargage ou de photolyse de rindicateur”^o,78 Dans certaines limites, le relargage et la photolyse peuvent être compensés par une recalibration interne de l'instrument^®. La fibre peut être elle-même source de fluorescence et des pertes d'informations peuvent survenir sur les grandes distances. La lumière ambiante peut jouer le rôle d'interférent et il faut alors travailler dans le noir ou penser à isoler la partie sensible de façon optique, ce qui risque d'avoir pour effet d'augmenter le temps de réponse du senseur. Finalement, la dynamique des optrodes, limitée par le rapport signal-bruit de fond, est typiquement de 100 à 1(X)0 et est donc faible par rapport aux électrodes.

3.3. Les différents types d'optrodes

On classe généralement les optrodes suivant le rôle de la fibre au sein du senseur: support de base à la partie sensible (senseurs intrinsèques) ou simple outil de transmission (senseurs extrinsèques).

3.3.1. senseurs intrinsèques (ou senseurs physiques)

Ces senseurs utilisent la fibre elle-même comme élément de transduction en se basant sur des

changements induits par l'analyte dans les propriétés optiques de la fibre. Un des avantages de ces

senseurs est le fait qu'ils permettent une réelle intégration de l'information sur une distance qui

correspond à la longueur de la fibre. Ils peuvent être passifs (directs) ou actifs (une substance

intermédiaire est présente sur la fibre). Les senseurs actifs sont également appelés senseurs à onde évanescente, car ils se basent sur le fait que le champ électromagnétique associé à la lumière traversant la fibre optique ne s'annule pas totalement à l'interface coeur-gaine (voir figure 3.1 ). Il en résulte que la lumière pénètre la gaine optique avant de rebondir. La phase sensible du senseur est immobilisée sur une partie dénudée de la fibre et l'onde évanescente, qui diminue exponentiellement au fur et à mesure qu'elle s'enfonce dans l'interface, définit une zone dans laquelle la lumière peut interagir avec cette phase sensible.

figure 3.1: Exemple illustratif d'une partie sensible d'un senseur à onde évanescente 1 : gaine de la fibre optique, 2: coeur de la fibre optique, 3: phase sensible.

L'indice de réfraction de la gaine optique dépend de beaucoup de paramètres dont la présence de gaz dissous. Un senseur optique à gaz et en particulier à méthane est conçu sur cette observation^®. Un coeur en silice est recouvert sur une distance d'environ 1 cm de polyoxyéthylène qui absorbe l'hydrocarbure. Il en résulte une augmentation de l'intensité transmise par la fibre en raison de la diminution de l'indice de réfraction.

L'équipe de McCraith développe des senseurs à oxygène se basant sur les ondes évanescentes, nous en reparlerons plus loin (voir chapitre 7).

3.3.2. senseurs extrinsèques (ou senseurs chimiques)

3.3.2. a. senseurs extrinsèques de 1° génération {senseurs passifs)

La fibre n'est utilisée ici que comme transporteur du signal et c'est l'analyte lui-même qui donne directement l'information. On parle parfois aussi simplement de photométrie, sans faire référence aux optrodes^6 pgj- exemple, des fibres sont utilisées lors de titrages pour détecter le point de virage. On peut aussi les utiliser comme cathétères, notamment pour la détection in situ de la saturation en oxygène dans le sang. La mesure se base sur la mesure d'une différence dans les spectres de l'oxyhémoglobine et de l'hémoglobine, détectées via les fibres. Cette méthode permet l'observation d'anomalies congénitales cardiovasculaire, montrant des valeurs exceptionnellement élevées de la saturation en oxygène^^.

La fibre détecte donc un changement des caractéristiques spectrales intrinsèques à l'analyte.

Les optrodes, 17

Cependant, peu d'espèces ont une couleur ou une fluorescence propre ou suffisamment importante pour en permettre la détection directe. De plus, en présence de plusieurs analytes des problèmes de sélectivité peuvent apparaître.

3.3.2.b. senseurs extrinsèques de 2°génération (senseurs actifs)

En combinant la chimie des indicateurs avec les fibres optiques, il est possible de construire des senseurs à fibre optique plus sélectifs. Ils permettent de mesurer des analytes via un processus chimique ou physique se déroulant en bout de fibre. Le principe de base est que la lumière provenant de la partie sensible de l'optrode est due à des variations dans les propriétés optiques d'un

"intermédiaire" (immobilisé en bout de fibre) lorsque celui-ci est mis en présence de l'analyte. Ces senseurs permettent donc la détection d'analytes non colorés et/ou non luminescents. On mesure de cette façon régulièrement le pH, la pression en O2, ou en CO2.

Schématiquement, le senseur comporte généralement les différents éléments représentés dans la figure 3.2. Une description plus détaillée de ce type de senseurs est donnée aux chapitres 4 et 5.

figure 3.2: Schéma général des senseurs de 2° génération. La luminescence de la partie sensible est modifiée par la substance à analyser mise en contact avec celle-ci.

L'optrode développée dans ce travail est un senseur extrinsèque de 2° génération avec une configuration où la fibre est en Y (voir chapitres 4 et 5). Les discussions ultérieures porteront donc plus particulièrement sur ce type d'optrode.

3.3.2.C. senseurs extrinsèques de 3° génération

Dans certains cas, il n'existe pas d'indicateur montrant une variation de ses propriétés optiques en

présence de l'analyte. Il faut alors penser à d'autres routes pouvant mener à la détection indirecte de

l'analyte. On ajoute alors, en plus de l'indicateur fluorescent, un catalyseur (par exemple un enzyme)

qui transforme l'analyte en une ou plusieurs substances modifiant l'émission de l'indicateur. Les

senseurs à glucose^^ et à éthanol^* sont des exemples de cette approche (voir aussi section 3.9.2).

3.4. Sources

Les senseurs optiques font appel à essentiellement 4 sources de lumière:

sources lasers

Ces sources de lumière, quoiqu'offrant un domaine étendu de longueurs d’onde, une monochromaticité, une faible divergence de l'émission et la possibilité de fonctionner en mode pulsé comme en mode continu, ne sont pourtant que peu utilisées dans les senseurs à fibres optiques. Ce manque de succès est lié au fait qu'elles consomment beaucoup d'énergie, que leur coût est élevé et qu'elles sont fort encombrantes. Ce n'est pas le cas des diodes lasers, qui n'existent cependant qu'à des longueurs d'onde à partir de 680 nm, soit trop éloigné dans le visible. Les lasers sont cependant utilisés, et ce en particulier dans les cas où le facteur d'atténuation des fibres joue un rôle significatif en raison des longues distances impliquées.

lampes à filament

Ces lampes sont plus souvent utilisées que les lasers dans les optrodes, et ce car elles émettent un spectre continu, qu'elles sont stables et de longue durée de vie. De plus, leur coût est moins élevé.

Elles sont pourtant limitées en pratique car les dimensions du filament des sources de type tungstène- halogène (~ 3 mm) ne sont pas idéales pour l'injection de la lumière dans les fibres optiques. De plus elles produisent beaucoup de chaleur et leur intensité est faible en dessous de 450 nm.

lampes à décharge

Les lampes à décharge, lampe au xénon, à hydrogène ou au deutérium, sont couramment utilisées dans les optrodes. Elles offrent en effet un large choix en longueurs d'onde, ont une grande facilité d'emploi et un prix relativement modéré. Comme les lasers, elles offrent l'avantage de pouvoir être utilisées en mode pulsé ou en mode continu. Comparativement aux lampes à filament, elles ont un plus grand spectre d'émission, allant jusqu'à l'ultra violet, et permettent une meilleure injection de la lumière dans les fibres optiques, grâce à la dimension de l'arc pouvant être réduite à ~ 1 mm. Elles ont par contre des durées de vie limitées lorsqu'elles sont opérées en mode continu et une stabilité parfois problématique.

Light Emitting Diodes (LED)

Les LED sont une source de lumière monochromatique qui ne consomme que peu d'énergie. Elles sont de petite taille (< 1 cm), de mise en oeuvre aisée et de coût incomparable vis-à-vis des autres sources de lumière. Leur temps de vie est assez long et elles ne produisent pas de chaleur localement.

Cependant on peut leur reprocher d'avoir des intensités lumineuses un peu faibles et de n'exister que

sous quelques longueurs d'onde (480 nm la plus courte). Cet inconvénient est lié au fait que les ) FD

ne sont pas conçues comme source optique, mais bien comme indicateurs de tableaux d'affichages.