Rôle de la Chimie Analytique Analyse qualitative : identifier une molécule (analyse moléculaire, analyse structurale) ou un élément (analyse élémentaire)

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1 Rôle de la Chimie Analytique Analyse qualitative : identifier une molécule (analyse moléculaire, analyse structurale) ou un élément (analyse élémentaire) dans un échantillon Analyse quantitative : mesurer la concentration de molécules ou d’éléments dans un échantillon Objectif : relier le résultat aux propriétés de l’échantillon 1

2 Rôle de la Chimie Analytique Dans l’industrie : relier les propriétés d’un matériau ou d’un produit manufacturé à sa composition (élémentaire, moléculaire…) Dans le monde médical et des organismes de contrôle : présence ou l’absence d’éléments toxiques dans des tissus biologiques, les eaux (surface,sous-terraines …) Contrôle : contrôle de qualité ou de pureté d’un produit manufacturé 2

3 Rôle l’Analyse élémentaire Analyse quantitative : détermination des concentrations d’un grand nombre d’éléments dans des échantillons très variés Les échantillons : Eaux naturelles, eaux de captage ou de rejet d’une industrie, les fluides biologiques le sang, urines…, plantes, produits alimentaires, l’air, les matériaux (polymères, verres, métaux …), les sols (naturels, sols industriels)… 3

4 Exemple de demande en analyse Archéologie : Provenance d’objets manufacturés ? Procédé de fabrication? Analyse d’alliages (fer, de l’argent de l’or…), de céramiques (poteries, argiles …) Utilisation de l’empreinte chimique élémentaire et de certains rapports isotopiques 4

5 Exemple de demande en analyse Environnement : Pollutions provenant des aciéries, fonderies diverse (Al, Cu, Pb…)? Surveillance des pollutions provenant de l’automobile (Pb, Pt (PGE) …) Surveillance de la pollution en fonction du temps? Détermination des niveaux de polluants (Pb, Cd …) dans tous les compartiments de l’environnement (eau, air, sols, biomasse) 5

6 Analyses dans le domaine de l’environnement Analyse de la concentration de certains éléments dans les anneaux de croissances des arbres Analyse de la concentration de certains éléments dans la coralite (squelette) du corail 6

7 Exemple de demande en analyse : l’eau eau de surface L'eau qui se trouve dans les rivières, dans les ruisseaux, dans les lacs et dans les océans. eau pluviale L'eau qui s'écoule des terres pendant et après les précipitations. eau souterraine L'eau qui occupe les pores, les crevasses et les fissures de la roche et du sol; l'eau située en dessous du niveau de la terre. L'eau souterraine est habituellement obtenue d'un puits ou d'une source. eau usée Effluent industriel, municipal et domestique qui comprend les eaux usées, les eaux ménagères et l'eau industrielle. eau usée domestique Les eaux usées transportées par l'eau provenant des cuisines, des salles de bain, des buanderies, des drains de sol... 7

8 Qualité de l’eau distribuée Normes : Valeurs réglementées par le décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l'exception des eaux minérales. Directive européenne 98/83/CE du Conseil du 3 novembre 1998 relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine. Le texte fixe des limites et références de qualité pour les eaux de consommation et les eaux brutes destinées à la production d'eau, à partir de paramètres biologiques et chimiques. 8

9 Les Normes : exemples Le plomb Effets du plomb sur la santé : neurotoxique (troubles du comportement, épilepsie, retards dans le développement intellectuel). Accumulation du plomb dans l’organisme (os) L'eau est l'un des facteurs d'exposition. teneur limite autorisée dans l'eau destinée à la consommation humaine progressivement abaissée de 50 µg (Pb)/L à 10 µg/L d'ici le 24 décembre 2013. Valeur transitoire de 25 µg/l doit être respectée à partir du 24 décembre 2003 Les concentrations sont relevées au robinet de l'usager. L'arsenic Toxique communément présent dans les eaux Effets de l’As sur la santé : cancérigène Abaisser les limites de qualité à 10 µg/L 9

10 10 Objectif : répondre à une demande en analyse Traduire la demande en analyses Domaines traités : … Echantillons traités : … acquisition des données traitement des données / édition Préparation : échantillonnage Stockage Prétraitement, mise en solution, Instrument problème analytique décisions production du signal détection du signal introduction échantillon collection /isolation du signal échantillon

11 Quel type d’échantillon EAU DE SURFACE/SOUS-TERRAINE Fortes teneurs en sels dissous Matières en suspension, gaz dissous...  SOLIDE Minéral (roches, sables ) Métallique Organique (polymères, tissus organiques…)  MILIEUX COMPLEXES Résidus (boues…), Sédiments... Nécessité d’avoir un minimum d’information sur l’échantillon : pH … nature des majeurs (analyse semi-quanti) => Sélection du pré-traitement nécessaire 11

12 Méthodes employées en analyse élémentaire Dosage à la burette C’est long, on ne peut pas mesurer des traces ! Méthodes Instrumentales : l’évolution est irréversible remarques : La chimie des solutions reste un domaine essentiel du traitement de l’échantillon (extraction, pré- concentration). En spectrométrie atomique en particulier certaine méthodes sont basées sur des réactions en solution. 12

13 Exemple de démarche pour la préparation d’un échantillon en spectrométrie atomique Extraction Eléments + matrice +réactif Quel type d’information? Non C’est un liquide oui Instrument Filtration/acidification Eléments + réactifs de minéralisation Minéralisation complète Produits de Décomposition Instrument Echantillon : 13

14 Rappels - Vocabulaire 14

15 Vocabulaire de l’analyse chimique Exactitude, justesse : étroitesse de la moyenne des résultats d’un mesurage et de la valeur vraie d’un mesurande. Nécessité de disposer de matériaux de référence. Répétabilité, reproductibilité, Precision Répétabilité = étroitesse de l’accord entre plusieurs mesurages successifs d’un même mesurande dans les mêmes conditions de mesure. - plusieurs répliques, calcul de l’écart type relatif (RSD %) Réproductibilité = étroitesse de l’accord entre plusieurs mesurages successifs d’un même mesurande en faisant varier les conditions de mesure. (Jour, opérateur, allumages …) - calcul de l’écart type relatif (RSD %) Le terme anglais precision reprend ces deux notions 15

16 Justesse Valeur vraie Ecart par rapport à la valeur vraie  C/C en % Valeur moyenne Répétabilité (fidélité) Incertitude par rapport de la valeur moyenne RSD (%) Moyenne 16

17 Justesse incorrecte Très dispersé Justesse incorrecte Peu dispersé Justesse Très dispersé Justesse Peu dispersé 17

18 Masse d’élément par volume d’échantillon m/v mg/mLg/L µg/mL mg/L ng/mL µg/L pg/mL ng/L fg/mLpg/L m/m 10 -2 1% 10 -3 mg/gg/kg1 0 / 00 10 -6 µg/gmg/kgppm 10 -9 ng/gµg/kgppb 10 -12 pg/gng/kgppt 10 -15 fg/gpg/kgppq Masse d’élément par masse d’échantillon Rappels – Vocabulaire et notions importantes Concentrations Notion de trace 18

19 Sensibilité - limite de détection Sensibilité : c’est la pente de la droite d’étalonnage c’est à dire l’intensité du signal en fonction de la concentration Un étalonnage : I = f(C ) = b 0 + b 1 c b 0 est l’ordonnée à l’origine en l’absence de correction de fond c’est la mesure du blanc ou du fond spectral (C =0) b 1 est la pente de la droite d’étalonnage Limite de détection : LDD ou LOD C’est la plus petite concentration déterminée à partir du signal de l’analyte et qui est significativement différent du blanc 19

20 Calcul de la LOD  temps b0b0 b 0 est le FOND (Backgroung symbole B) Sigma représente les fluctuations de cette mesure c’est le BRUIT (noise symbole N) 20

21  temps I b0b0 Calcul de la LOD On considère que le signal est significativement différent du blanc lorsque : Mesure du blanc (souvent le fond), ses fluctuations (  ) Mesure de la sensibilité (étalonnage) 21

22 SPECTROSCOPIE ATOMIQUE 22

23 Les méthodes spectrales Classées suivant la détection : Rayonnement électromagnétique (photons, photonsX) Particules (ions, électrons) 23

24 Méthodes spectrales fondées sur les photons Spectrométrie d’émission atomique AES : (atomic emission spectromery) (optique) Spectrométrie d’absorption atomique AAS : Spectrométrie de fluorescence Atomique (AFS) 24

25 Echantillon : Contraintes instrumentales sur la forme physique de l’échantillon : gaz, liquide ou solide Modules en Instrumentation acquisition des données traitement des données / édition Instrument Génération du signal détection du signal introduction échantillon séparation /isolation du signal 25

26 Couplage de Méthodes Afin de répondre à une demande particulière en analyse il est parfois nécessaire d’associer plusieurs méthodes instrumentales 26

27 Exemple de couplages impliquant la spectrométrie atomique LC (HPLC) AFS HG AAS ICP-AESHG LC = méthode séparative HG = génération d’espèces volatiles 27

28 Production du signal Séparation du signal Système de détection Le Logiciel 28

29 Production du signal Toute méthode d’analyse est fondée sur des phénomènes physiques liés aux propriétés spécifiques des composés que l’on souhaite analyser : La génération de l’information physique comporte deux étapes : absorption d’une énergie production de l’information physique (émission ou absorption d’ondes ou de particules) 29

30 Exemple d’apport d’énergie et de production de signal physique Apport d’énergieSignal physiqueSpectrométrie Photons Xphotons XXRF fluorescence X Photons XélectronsXPS Électrons Électrons Électrons Augers IonsionsSIMS de masse à électrons secondaires Photonsphotonsfluorescence induite par laser (LIFS) Énergie thermiquephotonsémission atomique (AES) Énergie thermiqueionsthermo ionisation (TIMS) Champ électriquephotonsdécharge luminescente (GD + AES) Champ électriqueionsdécharge luminescente (GD + MS) Électronsphotons Xémission de rayons X 30

31 Séparation du signal Information physique complexe (un spectre est constitué d’un nombre important de longueur d’ondes) : comporte des informations spécifiques à l’élément que l’on souhaite analyser et des informations inutiles (interférences) Nécessité de filtrer l’information produite, de séparer (extraire) l’information spécifique On utilisera donc un module permettant cette filtration : filtre interférentiel spectromètre dispersif en longueur d’onde ou dans le domaine des masses (ions m/z) On utilisera une séparation en énergie des particules chargées par accélération électrostatique et déflection 31

32 Système de détection Seul un signal électrique peut être traité il est donc indispensable de convertir l’information physique en signal électrique C’est le rôle du détecteur Photocathode : photons en électron Détecteur de Faraday : ions en électrons 32

33 Exemple de détecteurs Signal physiquedétecteur Photonstube photomultiplicateur diode (Si) dispositif à transfert de charges (CCD, CID) détecteur à scintillation détecteur thermique Ionsdétecteur de Faraday multiplicateur d’électrons 33

34 Le Logiciel Son rôle est de piloter les fonctions de l’appareillage Son rôle est également de faire l’acquisition et le traitement des données (remplace l’enregistreur ou l’intégrateur) En amont du logiciel se trouve un convertisseur analogue/décimal dont le rôle est de rendre l’information «lisible» par le logiciel 34

35 Remarques La qualité de l’analyse n’est pas une fonction du degré de sophistication de l’instrument Un instrument analyse l’échantillon fourni, il est donc important de maîtriser l’étape d’échantillonnage et de préparation de l’échantillon Pour tout instrument il existe un certain nombre de limitations (interférence, tolérance vis-à-vis de la forme de l’échantillon) Il indique un signal, il appartient ensuite à l’analyste d’établir un étalonnage de ce signal dans les conditions appropriées 35

36 Méthodes Spectrales Principe : Transitions 36

37 Principe Introduction Un atome est stimulé par une énergie pour passer d’un état d’énergie à un autre. Un atome dans un état d’énergie élevé peut spontanément retourner à un niveau d’énergie plus faible. La probabilité de transition d’un état à l’autre est fonction de la nature de ces deux états. 37

38 Principe Introduction La spectrométrie d’émission atomique est basée sur la production et la détection de spectres de raies émis pendant la de-excitation radiative des électrons périphériques d’un atome (électrons optiques) h 2 de-excitation Niveau Inférieur E 1 Niveau supérieur E 2 1 excitation énergie 38

39 Energie et longueur d’onde h est la constante de Planck  est la longueur d’onde c la vitesse de la lumière E est l’énergie exprimée soit en eV soit en cm -1 Conversion : 1eV = 8065.54cm -1 = 96.4853 kJ mol -1 Domaine d’énergie pour les raies employées analyse : 1,6 à 16eV Unité de longueur d’onde : le nm, (historiquement l’Å, nombreuses tables en Å) 39

40 Exemple Mg : N° atomique 12 n12 3 4 5 coucheKL M N O l00101201230 Sous couche sspspdspdfs Mg2262 KLM Mg1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Mg+1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Mg (12) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 40

41 Excitation de Mg Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Mg+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Mg+* 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 3p 1 Notation : Raies de l’atome excité MgIMg I 285.2 nm Raies de l’ion excité MgIIMgII 280.2 nm MgIII ion ionisé deux fois 41

42 Energie d’ionisation en fonction du N° atomique Energie d’ionisation (ev) E excitation raies ioniques + Ei Ei ionistion de l’élément (charge +1) E1 niveau excité de l’atome (raies I) E0 niveau fondamental 42

43 E cm -1 47 851 47 844 47 841 46 403 43 503 41 197 35 051 21 911 21 870 21 850 0 J ½3s 1 24p 1 0 23d 04s 14s 13p 23p 1 0 03s 2 457.109 285.212 518.360 516.732 385.395 385.891 MgI 0,0 interdite 517.268 408.183  J =0 permise  j + 2 interdite 285.212 Transition de résonance impliquent le niveau fondamental 43

44 MgII E cm -1 71491 71490 35760 35669 E=0 J 3/23d 5/2 3/23p 1/2 ½3s 1 280.2nm 279.6 nm 279.8nm 279.0nm 44

45 Nombre de raie par Elément Pour l’atome de magnésium : MgI  200-300 raies MgII  150 raies répertoriées dans des tables Eléments très riches en raies : Fe et U plusieurs milliers de raies 45

46 46

47 Intensité des raies I = cte. (E m - E k ). A mk. n m n m est la population d’électron du niveau supérieur E m et A la probabilité de transition entre E m et E k (A mk nombre de transitions possibles par unité de temps) EmEm EkEk 47

48 Intensité d’une raie : population des niveaux La relation entre la population de deux niveaux différents a été décrite par Boltzmann : k est la constante de boltzmann T la température de la source de radiation g k le poids statistique (g k = 2J+1) 48

49 Population des niveaux Le nombre d’atomes d’un niveau d’énergie particulier est donné par N étant le nombre total d’atomes N = n 0 + n 1 + n 2 + …..n m + … On peut sommer tous les termes g m.exp(-E m /kT) et ainsi définir la fonction de partition Z : Z = g 0 + g 1.exp(-E 1 /kT) + … + g m.exp(-E m /kT) + …. 49

50 I = cte. A mk. (E m - E k ). n m La constante est  4  et tient compte  de l’émission dans un angle solide de 4  stéradiants  Pour une raie donnée  g   et E sont constants donc I est proportionnel à N et par suite C la concentration Intensité d’une raie Si on combine les expression 50

51 Intensité d’une raie Si l’on veut comparer l’intensité de raies d’un même élément : I est proportionnel à : 51

52 Intensité d’une raie : exemple de Mg Longueur d’onde A 10 8 s -1 E (nm) 516.7320.116 41 197 cm -1 517.2680.346 41 197 cm -1 518.3600.575 41 197 cm -1 285.2125.3 35 051 cm -1 Mg I Pour ces raies gi = 3 52

53 Expression du rapport de deux raies d’un même élément dans le même état d’ionisation  MgI à 285.2nm est plus sensible  Mg 517.268 aura toujours une intensité triple de celle de Mg 516.732 (A1/A2 = 2.98) (Jid, E2id)  Le rapport de 285/518 est fonction de T : 53

54  En spectrométrie d ’émission la stabilité de température de la source est importante  prenons l’exemple de MgI à 285.2nm E ex = 35051cm -1  pour T = 3000K une variation de température de 100K provoque une variation du terme exponentiel de 70%  pour T = 8000K la même variation de T de 100 K provoque une augmentation de 8% du terme exponentiel Température de la source d’émission 54

55 Rapport n m /n k suivant l’équation de Maxwell Boltzmann nmev2000K 3000K4000K Cs8521,46 4,4.10 -4 7,2410 -3 2,98.10 -2 Na5892,11 9,86.10 -6 5,88.10 -4 2,98.10 -3 Ca422,72,93 1,21.10 -7 3,69.10 -5 6,04.10 -4 Zn213,85,8 7,29.10 -15 5,38.10 -10 1,48.10 -6 55

56 Intensité d’une raie absorbée en spectrométrie d’absorption atomique Lorsqu’on irradie un atome à la même longueur d’onde que la raie de résonance d’un analyte et présentant une largeur de raie plus fine que la largeur de résonance, il est possible d’évaluer l’absorption du faisceau Le facteur de transmission T est le rapport de I intensité transmise sur I 0 intensité incidente La valeur de l’absorbance est reliée à la concentration des atomes à l’état fondamental (dans la flamme ou la source d’atomisation) et par suite à la concentration de l’élément dans l’échantillon 56

57 L’intensité d ’absorption est quantifiée par la loi de Beer- Lambert : T = facteur de transmission = I/I 0 Intensité d’une raie absorbée en spectrométrie d’absorption atomique k est le coefficient d’absorption et l est le trajet optique On définit un facteur d ’absorption  = 1-T  = 1-exp(k. l ) 57

58 Intensité d ’une raie absorbée en spectrométrie d’absorption atomique Le facteur d’absorption s’écrit également en fonction de la probabilité de transition A, la population de l’état d’énergie initial n 0 (l’état d’énergie à partir duquel se produit la transition), de g Abs = - log(T) =- log(1-  )  eff est la largeur à mi-hauteur de la raie de l’élément affectée d’un facteur de forme 58

59 Excitation par collisions Émission atomique Emission AES Détecteur Cellule d’atomisation Spetrométries employant les phénomènes d’absorption et d’émission du rayonnement Détecteur AAS Excitation radiative Source de radiation Cellule d’atomisation Absorption atomique AFS Excitation radiative Détecteur Cellule d’atomisation Source de radiation Fluorescence atomique 59