Bibliographie & annexes
Présentation
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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Configurations instrumentales3. Paramètres expérimentaux
L'acquisition d'un système LIBS nécessite de définir les caractéristiques de l'instrument en fonction des besoins, tandis que comme pour toute technique d'analyse, l'utilisateur doit optimiser les paramètres de mesure afin d'obtenir les performances analytiques requises. Ce paragraphe présente quelques éléments permettant de spécifier ces paramètres.
Les spécifications de l'instrument doivent tenir compte du cahier des charges analytique, des contraintes liées à l'application et du coût envisageable. Elles portent essentiellement sur le laser (énergie et longueur d'onde) et le dispositif de focalisation associé, le système de collecte de l'émission du plasma, le spectromètre et le détecteur.
3.1 Paramètres de l'instrument
3.1.1 Longueur d'onde du laser et éclairement
Il est important de souligner que les paramètres de l'ablation laser sont les seuls que l'on impose en LIBS pour contrôler l'interaction laser-matière qui est à la base de la formation du plasma. Il s'agit essentiellement de la longueur d'onde λ et de l'éclairement à la surface de l'échantillon préalablement défini (§ 2.1).
Les lasers utilisés en LIBS sont en très grande majorité des lasers Nd:YAG nanoseconde, souvent à leur longueur d'onde fondamentale (1 064 nm), moins fréquemment à la deuxième, troisième ou quatrième harmonique (respectivement 532, 355 et 266 nm). Leurs spécifications en termes d'énergie, de durée d'impulsion et de compacité sont en effet compatibles avec les besoins de la technique.
Pour un laser donné, la longueur d'onde et l'éclairement sont couplés car la conversion de fréquence s'accompagne d'une perte d'énergie. L'optimisation de ces deux paramètres...
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Paramètres expérimentaux
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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