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Intérêt de la spectrométrie infrarouge quantitative pour l’étude de la biologie du sol Bernard Barthès & Didier Brunet IRD, UMR Eco&Sols, Montpellier 1.

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1 Intérêt de la spectrométrie infrarouge quantitative pour l’étude de la biologie du sol Bernard Barthès & Didier Brunet IRD, UMR Eco&Sols, Montpellier 1

2 Principe C la concentration Un rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition Loi de Beer-Lambert : Absorbance =  L C où  est le coefficient d’extinction molaire, L le trajet optique, et C la concentration de l’espèce absorbante 2

3 Principe Un rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition Loi de Beer-Lambert : Absorbance =  L C où  est le coefficient d’extinction molaire, L le trajet optique, et C la concentration de l’espèce absorbante Daniel (Labo de Météorologie Dynamique, ENS Paris) 3

4 Principe Un rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition Wikipedia Exemple : les six modesvibrationnels possibles de CH 2 longueurs d'ondes spécifiques Exemple : les six modes vibrationnels possibles de CH 2 Soumis à un rayonnement IR, chaque type de liaison vibre à des longueurs d'ondes spécifiques (selon la force de la liaison, la masse des atomes, l'environnement) 4

5 Les différentes zones du spectre électromagnétique Bastianelli, site web CIRAD-EMVT IR lointain puis micro- ondes Longueur d’ondes Nombre d’ondes Infrarouge800 nm - 1 mm cm -1 Proche infrarouge nm cm -1 Moyen infrarouge nm cm -1 Infrarouge lointain 25 µm - 1 mm cm -1 division assez arbitraire liée notamment aux propriétés des détecteurs 5

6 Spectrométrie dans le moyen infrarouge Reeves et al., Environmental Pollution, 2002 intenseAbsorption intense donc → broyer l'échantillon (la lumière pénètre moins) → (diluer l'éch. dans un substrat peu absorbant) → capteurs sensibles nettes et individualisées,Les bandes, nettes et individualisées, sont celles des vibrations fondamentales → assignables à des groupes chimiques (en l’absence de chevauchement) → adapté à l'identification de constituants Concentration parfois proportionnelle à la hauteur du pic correspondant L'absorption de l'eau dans cette région a longtemps posé problème 6

7 Spectrométrie dans le proche infrarouge Reeves et al., Environmental Pollution, 2002 modérée ni ni niAbsorption modérée → ni capteurs sensibles ni dilution ni broyage fin ne sont nécessaires. peu nettesLes bandes sont celles d'harmoniques et de combinaisons, peu nettes en général, avec des chevauchements → plus difficile de lier pics et constituants → moins d'information directement utile L'absorption d'eau pose moins problème dans cette région que dans le moyen IR. 7

8 Proche vs. moyen infrarouge Viscarra Rossel et al., Geoderma, 2006 visiblemid IR = moyen IRnear IR = proche IR moyen IRproche IR 8

9 9 Spectrométrie moyen IR "classique" interpréter séparémentDès les années 40, moyen IR en transmission pour interpréter des spectres de minéraux ou d'extraits organiques, séparément le plus souvent ; en réflexion à partir des années 80. solides liquidesLes éch. solides sont broyés finement, dilués dans KBr (non absorbant) puis compactés en pastilles. Les éch. liquides sont dilués dans des solvants transparents aux IR. librairies spectralesInterprétation des pics sur la base de librairies spectrales, par exemple pour les substances humiques (Schnitzer, 1971) : 1450 et 2900 cm -1 liaisons C-H aliphatiques 1630 cm -1 liaisons C=C aromatiques 1725 cm -1 liaison C=O de COOH

10 10 Moyen IR qualitatif sur sol total Exemple : Gerzabek et al., Soil Use Manage., 2006 Spectre transmis de sol total sous pâturage ou jachère, dilué dans KBr Le sol sous pâturage est plus riche en MO (26 vs. 10 g C kg -1 ) notamment - polysaccharides (1050 cm -1 ) - groupes carboxyles et aromatiques (1630 cm -1 ) - CH aliphatiques (2920 cm -1 )

11 On ne regarde plus les spectres, on fait des statistiques multivariées Principe de la spectrométrie quantitative (chimiométrie) 11

12 Principe de la spectrométrie quantitative (chimiométrie) 12

13 Principe de la spectrométrie quantitative (chimiométrie) C 101 C 102 … C 300 … 13

14 Intérêts / inconvénientsIntérêts / inconvénients rapidité (< 1 min/spectre) et faible coût (pas de consommables) pré-requis en statistiques 14

15 Les premiersen NIRS : Al-Abbas et al., 1972, Soil Sci. en MIRS : Janik et al., 1995, Austr. J. Soil Res. Exemples présentés : Caractérisation de Ct (ou C org ) et Nt du sol Moyen IR Proche IR Madari et al., 2006, Geoderma (Brésil, 2 sites) Moyen IR Reeves et al., 2002, Environ. Pollut. ( USA, 18 ha) RMSD = root mean square dev. = SEP = std error of prediction 15

16 Total set NIRS Total set MIRS Clayey soils NIRS Clayey soils MIRS Sandy soils MIRS Sandy soils NIRS Respiration du sol Les premiers : Palmborg & Nordgren, 1993, Soil Biol. Biochem. (NIRS) Exemple présenté : Rabenarivo et al., soumis à Geoderma, sols de 8 sites représentatifs de 95% des sols agricoles de Madagascar 16

17 Les premiers :pour NIRS, Reeves et al., 1999, JNIRS pour MIRS, Janik et al., 1998, Austr. J. Exp. Agric. Exemples présentés : NIRS : Freschet et al., soumis à Com. Soil Sci. Plant Anal. terroir villageois, Burkina Faso (population homogène) MIRS : Ludwig et al., 2008, J. Plant Nutr. Soil Sci. surtout forêts de résineux du nord-est européen (population hétérogène) Biomasse microbienne Prédit par MIRS Mesuré 17

18 L’imagerie hyperspectrale Jusqu’ici, un spectre par échantillon (objet = échantillon) chaque pixel est un spectre spatialiserImage spectrale : chaque pixel est un spectre (objet = pixel) => plusieurs milliers de spectres par échantillon L’étalonnage des spectres (C = a 0 + a 1 Abs a 2 Abs … + a 700 Abs 2500 ) permet de spatialiser la propriété étalonnée En plein développement en télédétection et proxidétection Test avec Cemagref : - spatialiser la respiration du sol en conditions contrôlées - après éventuel stress thermique (hot spots de résilience ?) - avec éventuel apport de paille (hot spots de respiration ?) 18

19 Conclusion Méthodes rapides et peu coûteuses permettant de caractériser de nombreuses propriétés organiques et biologiques du sol Particulièrement adaptées aux populations d'échantillons nombreuses relativement homogènes (par ex. pour agriculture de précision) Dépendantes des méthodes conventionnelles d'analyse chimique pour les étalonnages (pour l’instant…) Moyen IR plus informatif a priori (pics) mais proche IR plus mature (spectromètres plus petits, logiciels plus opérationnels, etc.) Technologies en évolution réduction de taille des appareils (portabilité) développement d'outils statistiques et de logiciels adaptés imagerie hyperspectrale => spatialisation NB : forte appropriation par l'industrie (agro-alimentaire, pharmaceutique) 19

20 Merci Merci Merci 20


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