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RÉSUMÉ
Les sols contiennent généralement de l'eau, de l'air, des composés minéraux et organiques. Mais des traces de métaux peuvent également être trouvées, et lorsque que la pollution est importante en métaux lourds, cela devient néfaste pour l'environnement et pour la santé. Avant de dépolluer les sols contaminés, il est nécessaire de réaliser des tests. La technique de spectroscopie d'émission de plasma induit par laser, dite LIBS, permet de réaliser des diagnostics directement sur les sites pollués. Elle permet un grand nombre d'analyses semi-quantitatives sur site, peu coûteuses, traçant une cartographie de la pollution du site examiné. Cet article détaille cette technique, en présentant en premier lieu l'intérêt de réaliser des mesures sur site. Ensuite, le principe de la spectroscopie laser est expliqué. Enfin, la méthode de traitement et d'analyse des données est détaillée.
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Soils generally contain water, air as well as inorganic and organic compounds. However, traces of metals can also be found, and where there is significant heavy metal pollution, it becomes harmful to the environment and to health. Tests must be carried out before proceeding to the decontamination of soils. The technique laser-induced breakdown spectroscopy, called LIBS allows for carrying out diagnostics directly on contaminated sites. It also allows for a large number of onsite, inexpensive, semi-quantitative analysis, inexpensive, which provide a mapping of the pollution of the site examined. This article details this technique by presenting the interest of making on-site measurement. The principle of the laser spectroscopy is then explained. To conclude, the method of treatment and data analysis is detailed.
INTRODUCTION
Sur un chantier de dépollution, les décisions relatives au traitement des sols contaminés par les métaux lourds sont prises sur la base de quelques analyses de laboratoire très coûteuses. Les mesures sur site présentent donc un immense intérêt car elles permettent d'optimiser la phase d'échantillonnage et d'analyser en laboratoire uniquement les quelques échantillons qui ont fait l'objet d'une sélection. Dans ce dossier, nous présentons un diagnostic sur site de sols pollués, basé sur la spectroscopie d'émission de plasma induit par laser, dite LIBS.
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Traitement des spectres LIBS dans l'analyse des sols
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2. Principe de la spectroscopie LIBS
La spectroscopie LIBS est une spectroscopie d'émission atomique à partir d'un plasma induit par laser. L'acronyme LIBS signifie Laser-Induced Breakdown Spectroscopy mais on trouve également la dénomination LIPS pour Laser-Induced Plasma Spectroscopy pour désigner cette même technique. Elle fait partie des nombreuses techniques de spectroscopie basées sur l'utilisation d'un laser . Des ouvrages récents décrivent en détail les principes physiques de la technique ainsi que ses applications. Une brève description est proposée ci-après.
Lorsque la focalisation d'une impulsion laser intense se produit à la surface d'un matériau solide, la fluence laser peut dépasser la valeur qui correspond au seuil d'ablation. Dans ce cas, l'ablation induite par le laser génère un cratère à la surface du matériau et s'accompagne de la création d'un plasma, c'est-à-dire d'un gaz ionisé, qui contient les éléments chimiques arrachés au matériau.
La matière éjectée constitue ce que l'on appelle une plume dans laquelle les atomes et les ions subissent de nombreuses collisions de la part des électrons libres et se trouvent ainsi dans des états excités. Lorsqu'ils se désexcitent, ils émettent un rayonnement caractérisé par un spectre de raies, chaque raie étant associée à une transition entre deux niveaux quantiques d'énergie.
Ainsi, chaque élément chimique est caractérisé par un ensemble de raies atomiques qui constituent son « empreinte digitale ». Etant donnée l'énergie déposée sur le matériau par le laser, un plasma LIBS est constitué d'atomes neutres et ionisés une à deux fois au maximum de sorte que les raies d'émission associées sont observables dans la gamme spectrale allant de l'ultraviolet au proche infrarouge. Certains éléments chimiques présentent des raies atomiques extrêmement proches si bien que la spectroscopie LIBS nécessite souvent l'utilisation d'un spectromètre à très bonne résolution spectrale (λ/Δλ > 10 000).
La température initiale d'un plasma LIBS est le plus souvent entre 10 000 et 20 000 K tandis que sa densité d'électrons est typiquement de l'ordre de 1017 à 1018 électrons/cm3. La plume analysée en spectroscopie LIBS est supposée représenter de façon stœchiométrique le matériau ablaté par le laser.
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Principe de la spectroscopie LIBS
ANNEXES
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À lire également dans nos bases
MAUCHIEN (P.) - LAZARE (S.) - MOTTAY (E.) - BERTHOUD (T.) - Spectrométries laser en analyse et caractérisation - [P 2 685] Rubrique « Spectrométries des rayonnements électromagnétiques » (2007).
MIZIOLEK (A.W.) - PALLESCHI (V.) - SCHECHTER (I.) - Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Fundamentals and applications - Cambridge University Press, New-York (2006).
CREMERS (D.A.) - RADZIEMSKI (L.J.) - Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy - Wiley (2006).
SINGH (J.P.) - THAKUR (S.N.) - Laser-Induced Breakdown Spectroscopy - Elsevier Science (2007).
NIST - Basic atomic spectroscopic data - [en ligne]. Dans NIST. Site Web du National Institute of Standards and Technology. http://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/periodictable.htm (site Web consulté le 29/09/2008).
BARNES (R.J.) - DHANOA (M.S.) - LISTER (S.J.) - Standard normal variate transformation and detrending of near-infrared diffuse reflectance spectra - Appl. Spectroscopy...
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