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RÉSUMÉ
Dans la perspective de l'analyse chimique et du diagnostic, le laser constitue un outil privilégié, permettant d'effectuer des opérations de détection et d'identification dans des conditions d'environnement très variées. Les avantages pratiques des mesures par techniques lasers sont principalement l'analyse in situ et sans prélèvement ni contact, la rapidité d'acquisition des informations et l'utilisation pour des analyses locales ou à distance. Les performances de la spectrométrie plasma induite par laser sont présentées et illustrées par des exemples pratiques et des résultats expérimentaux.
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Philippe ADAM : DGA/DS/MRIS, Bagneux
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Nicolas LEONE : DGA/DT/DGA MN, Vert le Petit
INTRODUCTION
Dans la perspective de l'analyse chimique et du diagnostic, le laser constitue un outil privilégié, permettant d'effectuer des opérations de détection et d'identification dans des conditions d'environnement très variées. Parmi les avantages pratiques des mesures par techniques lasers : l'analyse in situ et sans prélèvement ni contact, la rapidité d'acquisition des informations et l'utilisation pour des analyses locales ou à distance.
Dans cet article, nous illustrerons par des exemples pratiques les performances de la spectrométrie plasma induite par laser (Laser Induced Breakdown Spectroscopy – LIBS). Après avoir présenté les principes et les performances (calibrage, analyse qualitative et/ou quantitative) de cette technique, nous rapporterons des résultats expérimentaux dans des domaines variés tels que la détection et l'identification des aérosols chimiques ou le diagnostic bactérien.
Cet article est extrait de la revue « Annales des falsifications, de l'expertise chimique et toxicologique » no 977 éditée par la SECF (Société des experts chimistes de France).
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applications laser aérosol chimique aérosol bactérien chimie biologie spectroscopie plasma analyse en composantes principales
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Applications de la LIBS
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2. Principe
Le principe général de la méthode LIBS consiste, dans des conditions ambiantes de températures et de pression, à focaliser un faisceau laser de durée, de longueur d'onde et d'énergie connues sur (ou dans) la cible à analyser . Dans ces conditions d'irradiation intenses, les fluences (puissance par unité de surface) induites sont de l'ordre de plusieurs dizaines de MW/cm2. Il en résulte une vaporisation immédiate de quelques microgrammes de matière au point focal et la fragmentation des molécules avec formation d'un système atomes-ions-électrons, c'est-à-dire la formation d'un plasma dense ayant une composition représentative de la cible étudiée (gaz, liquide, solide, aérosols, etc.) (figure 1).
Après la phase initiale d'allumage du plasma, les espèces sont générées hors d'équilibre, dans des états excités. La désexcitation radiative de ces états provoque des émissions lumineuses intenses caractéristiques de transitions électroniques intrinsèques de la structure de la matière excitée. Elles sont émises dans toutes les directions de l'espace. En collectant une partie de cette énergie lumineuse, par exemple à l'aide de fibres optiques, et en la dirigeant vers un spectromètre, on peut analyser la signature spectrale des espèces et avoir ainsi accès à la composition initiale. L'identification à la fois qualitative et quantitative est alors possible en considérant les temps de relaxation différents suivant les espèces, ioniques, atomiques et moléculaires.
La compréhension des interactions laser-matière, la détection, l'analyse et le diagnostic des « situations » chimiques ou bactériologiques, industrielles ou militaires, imposent de considérer des « échantillons » non prélevés et sous leur forme physique initiale (gaz, surface, liquide et aérosol). Cela exige donc la conception d'un outil analytique qui assemble plusieurs sous-systèmes (laser, optiques, spectromètre, détecteur, algorithme de traitement des données spectrales).
Ces matériels (tableau ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRECH (F.), CROSS (L.) - Optical microemission stimulated by a ruby maser. - Applied Spectroscopy, 16, p. 59 (1962).
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(2) - DEBRAS-GUÉDON (J.), LIODEC (N.) - De l'utilisation du faisceau d'un amplificateur à ondes lumineuses par émission induites de rayonnement (laser à rubis), comme source énergétique pour l'excitation des spectres d'émission des éléments. - C.R. Acad. Sci., 257, p. 3336 (1963).
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(3) - CREMERS (D.A.), RADZIEMSKI (L.J.) - Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy. - Éd. John Wiley & Sons, Chichester (2006).
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(4) - LEONE (N.) - Développement d'une technique d'analyse hautement sensible et polyvalente par spectroscopie de plasma induit par laser : applications aux aérosolset aux matériaux biologiques. - Thèse de doctorat de l'Université Pierre et Marie Curie, Paris 6, 5 juil. 2007.
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(5) - GOTTFRIED (J.L.), DELUCIA (F.C.Jr.), MIZIOLEK (A.W.) - Discrimination of explosive residues on organic and inorganic substrates using laser-induced breakdown spectroscopy. - J....
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