Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (laser-induced breakdown spectroscopy ou LIBS) est une technique entièrement optique qui permet de réaliser rapidement des analyses chimiques élémentaires sans contact avec l'échantillon. Elle est donc particulièrement destinée à l'analyse hors du laboratoire : analyse en ligne ou in situ sur procédés industriels, analyse à distance dans l'environnement. Cet article expose les principes physiques de la technique, décrit ses configurations expérimentales et les paramètres expérimentaux influents, et passe en revue ses principales applications.
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Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a fully optical technique for elemental analysis of materials. It allows rapid qualitative and quantitative measurements without contact with the sample. It is therefore well-suited to remote, online or in situ analysis. This article presents the physical principles of LIBS, describes its experimental configurations, makes recommendations on the choice of experimental parameters and on data processing, and reviews its main applications.
Auteur(s)
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Daniel L'HERMITE : Ingénieur-chercheur CEA Saclay, direction de l'énergie nucléaire, Département de physico-chimie, Gif-sur-Yvette, France
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Jean-Baptiste SIRVEN : Ingénieur-chercheur CEA Saclay, Direction de l'énergie nucléaire, Département de physico-chimie, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
La LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique d'analyse élémentaire par spectrométrie d'émission optique. Entièrement basée sur l'optique, elle permet de réaliser des mesures sans contact qui lui confèrent des possibilités d'application uniques dans de nombreux domaines. Non intrusive, elle est ainsi bien adaptée à l'analyse à distance, en ligne ou in situ, de terrain, sans prélèvement ni préparation d'échantillon. C'est une technique rapide, la durée de mesure étant généralement de quelques secondes à quelques minutes selon les conditions expérimentales. Comme toutes les méthodes basées sur la spectroscopie d'émission, la LIBS permet de réaliser des analyses multi-élémentaires simultanées. Enfin, c'est une technique dont le principe s'applique aussi bien à l'analyse des solides, des liquides, des gaz et des aérosols. L'instrumentation va du système entièrement portable jusqu'au dispositif transportable dans un véhicule, voire entièrement robotisé, selon l'application et les besoins. Ses domaines de prédilection couvrent l'analyse en milieu industriel, la microanalyse de matériaux, les applications liées à l'environnement, la biologie, le patrimoine culturel et la sécurité.
Cet article offre un aperçu de toutes les facettes de la technique. Son principe et son positionnement par rapport aux autres techniques sont abordés ainsi que les notions physiques associées. Le lecteur trouvera des indications sur les mécanismes en jeu et sur l"influence des paramètres expérimentaux sur les résultats analytiques. Les instruments LIBS sont adaptés aux besoins et aux contraintes d'utilisation sur le terrain. Il existe donc différentes configurations types qui sont présentées à titre d"exemples, en décrivant leurs particularités. Nous abordons également les différentes façons de traiter, en fonction du besoin, les données spectrales recueillies, ainsi que les différents types d"informations que l"on peut en déduire. Les phénomènes physiques pouvant affecter le signal tels que les interférences spectrales, l"auto-absorption et les effets de matrices sont passés en revue. Enfin, un portrait non exhaustif est dressé des nombreuses applications de la LIBS.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
plasma | laser ablation
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Glossaire – Définitions7. Conclusion
La LIBS est une technique d'analyse élémentaire des matériaux basée sur l'ablation laser et la spectrométrie d'émission optique. Conçue très tôt après l'invention du laser, elle bénéficie depuis une vingtaine d'années d'un fort regain d'intérêt en raison des progrès réalisés en matière d'instrumentation (lasers, spectromètres, détecteurs). Par rapport à d'autres techniques également fondées sur la spectrométrie des rayonnements, la LIBS combine l'échantillonnage et l'excitation du matériau en une seule étape.
Entièrement fondée sur l'optique, elle ouvre de nouveaux champs d'application pour l'analyse hors du laboratoire sur tout type de matériau. Elle trouve ainsi beaucoup d'applications dans le domaine de l'analyse de terrain, à distance voire in situ dans des milieux complexes. Elle est aujourd'hui développée pour cela dans de nombreux secteurs.
Les méthodologies employées pour l'identification de matériaux par LIBS sont actuellement bien maîtrisées et des instruments commerciaux se développent. Les évolutions à envisager sont désormais essentiellement technologiques. Elles portent sur le développement d'instruments plus robustes, plus compacts et moins chers.
La quantification par droite d'étalonnage conduit aux meilleures performances analytiques, parfois comparables à celles d'autres techniques de référence. Cependant, elle nécessite de disposer d'étalons représentatifs. En l'absence d'étalons, d'autres approches sont en cours de développement, incluant la modélisation de la formation et de l'émission du plasma afin de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux. Ces approches constituent un enjeu majeur pour l'élargissement de l'implantation de la LIBS en milieu industriel.
Il faut souligner que les conditions d'analyse hors du laboratoire, domaine de prédilection de la LIBS, limitent la standardisation de la technique. En particulier, les approches traditionnelles de validation de méthode analytique s'appliquent moins pour la LIBS que pour d'autres techniques car les configurations instrumentales et les protocoles de mesure sont extrêmement variés. Ces conditions spécifiques imposent d'adapter l'instrumentation à l'application et d'optimiser les méthodologies en fonction ; les problématiques analytiques doivent être abordées plutôt au cas par cas. Le futur de la LIBS devrait être en bonne partie guidé par ce constat et tiré par le développement de systèmes dédiés...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DEBRAS-GUEDON (J.) et al - De l'utilisation du faisceau d'un amplificateur à ondes lumineuses par émission induite de rayonnement (laser à rubis), comme source énergétique pour l'excitation des spectres d'émission des éléments. - CR Acad. Sci., 257, p. 3336 (1963).
-
(2) - RADZIEMSKI (L.J.) - From laser to LIBS, the path of technology development. - Spectrochim. Acta. Part. B, 57, p. 1109 (2002).
-
(3) - BERTHOUD (T.) et al - Recent advances in laser spectroscopy for analysis and control in nuclear industries. - J. Phys. Colloques, 48, p. C7-765 (1987).
-
(4) - HAHN (D.W.) et al - Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part I : Review of basic diagnostics and plasma-particle interactions : still-challenging issues within the analytical plasma community. - Appl. Spectrosc., 64, p. 335A (2010).
-
(5) - HAHN (D.W.) et al - Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part II : Review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Détecteurs quantiques pour l'ultraviolet, le visible et le proche infrarouge.
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ICP-OES : couplage plasma induit par haute fréquence – Spectrométrie optique.
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Limite de détection de méthodes d'analyse et termes apparentés.
Base de données de raies d'émission atomiques http://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/periodictable.htm http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html http://www.cfa.harvard.edu/amp/ampdata/kurucz23/sekur.html
HAUT DE PAGE
Groupe LinkedIn sur la LIBS http://www.linkedin.com
Club LIBS de la Société Française d'Optique http://www.libs-france.com/
Équipe ChemCam (instrument LIBS du rover Curiosity) http://www.msl-chemcam.com/
HAUT DE PAGE
LIBS : congrès international bisannuel (années paires)
EMSLIBS (Euro-Mediterannean symposium on LIBS) : congrès international bisannuel...
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