Spectrophotométrie atomique

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1 ! Spectrophotométrie atomique GÉNÉRALITÉS Ces spectres font intervenir la variation de l énergie des électrons périphériques (électron de valence d un atome). On donne par exemple le cas du sodium (Z = 11) :! Na : 11 1s2 2s 2 2p 6 3s 1 hν = h C λ Dans le cas du sodium, λ = 589 nm. C est la raie D ou raie de résonance qui est la raie la plus intense et probable, la moins énergétique et la plus utilisée pour le dosage quantitatif car c est la raie la plus sensible. 1

2 !!! Potentiel d excitation : L énergie nécessaire pour exciter un atome (pour faire passer un électron d une orbite à une autre). Généralement, les alcalins et les alcalino-terreux sont facilement excitables donc nécessitent peu d énergie. Potentiel d ionisation : C est le potentiel nécessaire à ioniser un atome (éjecter complètement un électron de son noyau). Il faut plus d énergie pour ioniser un atome que pour l exciter : E i (Na) = 5,13 ev E i (K) = 4,3 ev Na 0!! Na + +1e SPECTROPHOTOMÉTRIE D ÉMISSION DE FLAMME I. PRINCIPE PHYSIQUE - EXCITATION THERMIQUE D UN ATOME Il y a émission d énergie et l intensité émise par l atome proportionnelle à la concentration : E = E 2 E 1 = hν = h C λ λ étant déterminée pour chaque élément II. PULVÉRISATION D UNE SOLUTION DANS UNE FLAMME Généralement, la flamme conduit à des énergies relativement faibles (5 à 6 ev) mais suffisantes pour exciter et doser un certain nombre d éléments notamment les alcalins et les alcalino-terreux. 2

3 Solution Nébuliseur Nébulisation Aérosol Liquide - Gaz Désolvatation (Élimination du solvant) Aérosol sec Gaz - Solide Fusion et volatilisation Vapeur moléculaire Flamme Molécules Atomisation ou dissociation Atomes Etat fondamental (non excité) Etat excité Absorption d une radiation extérieure émise par une lampe Spectrophotométrie d absorption atomique Emission Spectrophotométrie d émission de flamme Remarque : Le nombre d atomes qui restent à l état fondamental est supérieur au nombre d atomes qui passent à l état excité 3

4 !! III.ASPECT QUANTITATIF Le nombre d atomes à l état excité est donné par la formule de BOLTZMANN : N e = N 0 P e P f Avec e Ee k.t! N e : Nombre d'atomes à l'état excité. # # N 0 : Nombre d'atomes à l'état fondamental. # E e : Energie d'excitation. " # k : Constante de BOLTZMANN. # T : Température. # $ P e et P f : Poids statique des deux états exité et fondamental. N e N 0 est très faible et ne dépend essentiellement que de la température. Élément λ (nm) Pe /Pt Ee (ev) Ne /N0 Ne /N0 Na ,1 1 x 10 1 x 10 Ne /N0 égale à 10-4 veut dire qu on a un atome excité pour atomes à l état fondamental. Si on augmente trop la température, on risque l ionisation qui est un phénomène parasite et donc on n augmente pas trop la température même si c est un moyen d augmenter le nombre d atomes excités. IV.APPAREILLAGE Le spectrophotomètre d émission de flamme est composé de : Pulvérisateur ou nébuliseur. Flamme. Monochromateur.! Récepteur. 4

5 1. Pulvérisateur ou nébuliseur Il a pour objectif de transformer l échantillon liquide en gouttelettes fines (aérosols) et de les injecter dans la flamme grâce au gaz carburant. Il existe plusieurs types de pulvérisateurs : Pulvérisateur à aspiration : Il est munis d un tube capillaire et la solution va être aspirée. Pulvérisateur à ultrason : La solution est soumise à des vibrations ultrasoniques de fréquence très élevée (800 à 3500 khz). Les gouttelettes obtenues (nébulisats) vont être acheminés vers la flamme par un gaz carburant. 2. La flamme Elle résulte de la combustion de deux gaz : Gaz combustible : Propane, acétylène, hydrogène, butane, gaz de ville Gaz carburant : Oxygène, air, protoxyde d azote La température dépend de la nature de ces deux gaz. Selon les mélanges, on va avoir des températures plus ou moins élevées : Mélange Oxygène - Hydrogène : 2850 C Mélange Monoxyde d azote - Acétylène : 3000 C La flamme doit être stable c est-à-dire reproductible et répétable. Il faut que le débit et la pression soient constants. 3. Monochromateurs Ils isolent la longueur d onde de travail et donnent le maximum d intensité émise et le minimum d interférence. 5

6 ! 4. Mesure finale Il s agit d une cellule photo-électrique qui transforme l intensité lumineuse en un courant électrique mesuré par ampérométrie. V. INTERFÉRENCES - PHÉNOMÈNES PERTURBATEURS 1. Interférences entre les raies d émission des différents atomes Généralement, on travaille avec la raie de résonance mais dans certains cas il peut y avoir des émissions parasites dues à la présence d un autre élément qui donne une raie proche de la raie de mesure. Par exemple : K émet vers 404,4 nm. Mn émet vers 403,3 nm. Pour éviter toute interférence, on utilise des monochromateurs assez sélectifs (prisme ou réseau) ou bien changer de raies et avoir un dosage plus sélectif mais moins sensible. 2. Interférences dues à l ionisation Na 1!! 2! Na + + e Ceci arrive dans le cas où la flamme est trop chaude. On ajoute donc un ion facilement ionisable : K!! K + + e La réaction d ionisation de K fait augmenter la quantité d électrons libres ce qui fait basculer la réaction de Na dans le sens 2. 6

7 Eémise Na0 + TI Na0 sans l enjeu du tampon d ionisation TI : Tampon d ionisation Ex : 100 ppm de K Eémise Na0 + TI Na0 sans Concentration l enjeu du tampon d ionisation Surtout pour un flamme chaude! 3. Phénomènes TI : Tampon d auto-absorption ou self-absorption d ionisation Ex : 100 ppm de K Ce phénomène se traduit par un affaiblissement (diminution) de l intensité de la raie de résonance qui est due au fait que les atomes à l état fondamental Concentration (les plus nombreux) sont susceptibles d absorber des protons émis par les Surtout pour un flamme chaude! atomes excités. en effet, certaines radiation émises, au lieu de parvenir aux appareils de comptage et être détectés, vont être absorbés par les atomes à l état fondamental. On observe une diminution Iabsorbée de l intensité émise et donc une diminution de l intensité Iémise de la raie de résonance. Iémise mesurée Iémise Iabsorbée Iémise mesurée 7

8 !! Il faut donc travailler en milieu très dilué pour avoir le moins d atomes possibles dans la flamme : intensité émise C diminuées due à l autoabsorption C élevées C 4. Interférences dues aux substances réfractaires Dans les aliments, on peut rencontrer par exemple Ca 2+, PO4 3- ou encore du SO4 2- On peut donc avoir des sels réfractaires quo sont très difficilement dissociables. Pour remédier à cela, on utilise un tiers élément qui est le chlorure de Lanthane et qui réagit avec le sel CaSO4 selon la réaction : LaCl 2 + CaSO 4!! CaCl 2 + LaSO 4 On peut aussi utiliser l EDTA : Y 4 + CaSO 4 " " [YCa] 2 + SO 4 2 Le complexe obtenu est relativement facile à dissocier. 8

9 VI.ANALYSE QUANTITATIVE : MÉTHODE DE DOSAGE L intensité émise est proportionnelle au nombre de photons émis. Or, ce nombre de photons dépend de plusieurs facteurs : Température de la flamme. Nombre d atomes excités. Nature de la pulvérisation. Si on utilise une flamme avec un mélange de gaz ayant une composition constante et si la pulvérisation est constante alors I = k x Ne avec I l intensité émise et Ne le nombre d atomes excités. I est proportionnelle au nombre d atomes à l état fondamental N0. Il s agit donc d une courbe linéaire. 1. Dosage direct avec étalonnage préalable 9

10 2. Méthodes avec étalon interne On part d une solution mère et on effectue plusieurs dilutions. Ensuite dans chaque étalon, on ajoute l étalon interne (sel facilement excitable par la flamme) avec la même quantité dans toutes les solutions étalon. On mesure ensuite l intensité de l élément à doser par rapport à l intensité de l étalon interne. On détermine la courbe suivante : On utilise généralement le Lithium (Li) comme étalon interne pour le dosage du sodium (Na) et le molybdène (Mo) pour le dosage du magnésium (Mg). Cette méthode permet d éliminer les irrégularités au niveau de l excitation (à cause du débit ou de la pression) car ceux-ci vont affecter les deux atomes et donc ne vont pas changer le rapport (avantage par rapport à la première méthode).! 10

11 3. Méthodes des ajouts standards (ajouts dosés) a) La méthode par calcul A représente la quantité ajoutée (ou surcharge) de l échantillon. On détermine ainsi la constante k et ainsi la concentration. On peut facilement déterminer k car I2 est l intensité émise avec ajout, I1 la quantité émise sans ajout et A la quantité ajoutée. b)la méthode par graphique 11

12 Cette méthode à fractionner l échantillon en plusieurs fractions (avec un minium de 5 fractions). On surcharge ensuite chaque fraction par une quantité croissante en élément atomique. On trace ensuite la courbe qui nous donne l intensité (sans ajout) et la quantité (en valeur absolue) de l échantillon. VII.APPLICATIONS On peut utiliser l'émission de flamme en analyse minérale pour doser le lithium et essentiellement le sodium et le potassium dans le visible et également certains alcalino-terreux. On peut aussi faire des analyses en ultraviolet. On peut utiliser l émission de flamme en biologie pour doser Na et K dans le sérum (on détermine l ionogramme). On peut aussi doser le Li dans le sérum. En bromatologie, on peut utiliser l émission de flamme pour doser le sodium dans le lait. Avantages de la méthode : Méthode rapide. Permet le dosage de certains éléments difficiles à doser par des éléments chimiques classiques (tel que le sodium, le lithium ou le potassium). Méthode qui nécessite peu d échantillon (quelques gouttes). Inconvénients et limites de la méthode : Méthode limitée à quelques éléments (Na, K, Li et Ca à la limite). Méthode qui présente pas mal d interférences. Cette méthode a connu un certain recul au dépend de la spectrophotométrie d absorption atomique. Cependant, ces dernières année, cette méthode a eu un regain d intérêt avec une autre technique qui est l émission plasma ou torche à plasma. 12

13 ÉMISSION PLASMA-TORCHE À PLASMA Dans ce cas, on utilise une autre source qui est appelée plasma (ou radiofréquence à couplage inductif). Ce plasma est constitué par un courant gazeux d argon qui est excité au moyen d un champs électrique à fréquence radio entre 27 MHz et 60 MHz. Dans ces conditions, l argon devient lumineux et sa température peut atteindre 5000 C. à cette température, on augmente le nombre d atomes excités et la sensibilité de la méthode. On peut pratiquement doser tout les atomes sauf les halogénures. Avantages : On peut utiliser l analyse multi-élémentaire (des oligo-éléments au même temps). Augmentation de la sensibilité et la limite de détection de la méthode. Peu d interférences (Pas de formation de sels réfractaires). Inconvénient : Appareil coûte cher. Applications : On peut par exemple l appliquer au niveau de l industrie pharmaceutique, en analyse alimentaire, en analyse biologique et en toxicologie (doser les produits toxiques tel que le mercure, cadmium ). On peut coupler la torche à plasma à d autres méthodes comme par exemple la chromatographie en phase gazeuse, à la chromatographie liquide et à la spectrophotométrie de masse. 13

14 SPECTROPHOTOMÉTRIE PAR ABSORPTION ATOMIQUE Cette méthode d absorption atomique a été mise en évidence en 1955 par WALSH. C est une méthode beaucoup plus sensible et plus spécifique que la spectrophotométrie d émission puisqu on s adresse aux atomes à l état fondamental. I. PRINCIPE On pulvérise l échantillon liquide contenant l élément à doser dans une flamme. Dans cette flamme, les éléments à doser se transforment en atomes neutres dont la plupart se trouvent à l état fondamental. (Refaire la représentation de l effet de la flamme et la formation des atomes et expliquer quelle portion nous intéresse dans ce cas) II. COMPARAISON AVEC LA PHOTOMÉTRIE DE FLAMME 1. Phénomènes produits dans la flamme Ces phénomènes sont identiques aussi bien en émission qu en absorption atomique mais on n exploite pas la même chose. En photométrie d émission de flamme, on cherche l excitation d atomes puisque ce sont des atomes excités qui vont émettre des radiations et c est l intensité émise qui est mesurée. 14

15 En spectrophotométrie d absorption atomique, ce sont les atomes à l état fondamental qui vont absorber la radiation de résonance et on mesure log(i0/i). 2. Échange d énergie En émission, ce sont tous les atomes excités qui cèdent de l énergie. En absorption, il va y avoir échange d énergie entre les atomes à l état fondamental et la radiation incidente de résonance et tous les atomes n absorbent pas. Il faut que l atome rencontre un photon pour qu il puisse absorber. Pour augmenter la probabilité de rencontre, il faut augmenter le nombre d atomes, augmenter le nombre de photons (augmenter l intensité lumineuse) et augmenter l épaisseur de la flamme (utiliser une flamme allongée). 3. Avantages de l absorption En émission, la sensibilité dépend du rapport Ne/N0. Ce rapport est très faible (entre 10-4 et 10-5 ) et donc la sensibilité est faible en émission de flamme. Par contre, en absorption, la sensibilité est beaucoup plus grande puisque c est les atomes à l état fondamental qui interviennent. Donc, l absorption atomique est applicable à un plus grand nombre d éléments (pratiquement tous les métaux et les métalloïdes). 15

16 III.APPAREILLAGE 1. Lampe à cathode creuse (source) Le but de cette lampe est de fournir le spectre de raies de l élément à doser et d isoler la raie de résonance à l aide d un monochromateur. Cette lampe se compose d un tube en verre qui est rempli par un gaz rare qui est généralement l argon. On a également l anode et une cathode. La particularité de cette lampe est la cathode. Cette cathode est recouverte par un film du métal à doser. On applique entre ces deux électrodes une différence de potentiel (200V - 400V) qui provoque l ionisation du gaz (Ar + ). Les ions formés vont migrer vers la cathode, acquérir une énergie suffisante pour pouvoir arracher les atomes métalliques de la cathode (entrer en collision). Suite à cette collision, ces atomes vont être excités et vont donc revenir à leur état fondamental en émettant un spectre d émission propre au métal à doser et on obtient donc le spectre de raie de l élément à doser. Chaque élément possède sa lampe qui lui est spécifique. Cependant, il existe une lampe multi-élément qui est une cathode en alliage de divers métaux (de préférence à des longueurs d onde différentes pour éviter les interférences). 2. Modulateur ou Chopper 16

17 On utilise un modulateur pour résoudre un problème qui est dû aux atomes excités. En effet, au niveau de la flamme, il est vrai que la plupart des atomes sont à l état fondamental mais il y a quelques atomes à l état excité qui représentent un phénomène parasite en spectrophotométrie par absorption atomique. Ce qu on mesure c est l intensité transmise. Or, au niveau de la flamme, il existe toujours des atomes excités qui vont émettre des radiations et donc on risque de mesurer deux intensité (transmise et émise) : ITotale = ITransmise + IÉmise Pour atténuer cette intensité émise, on utilise le modulateur. C est un disque qui est divisé en secteurs alternativement transparents et opaques. Il transforme les faisceaux lumineux d intensité constante en un courant alternatif. Ce modulateur est mis entre la source te la flamme. Il est directement lié à l amplificateur de telle manière que seul le signal dû à la radiation provenant de la source est amplifié. 3. Flamme ou Four Le but de la flamme est de transformer les molécules (les sels à doser) en atomes à l état fondamental. Théoriquement, la flamme n a pas besoin d être très chaude parce que son rôle n est pas d exciter les éléments mais seulement de fournir des atomes à l état fondamental. On utilise généralement une flamme d énergie moyenne (environ 2200 C comme une flamme à air / acétylène). Pour les hydrures volatils (mercuriques ), on doit utiliser un mélange de deux gaz qui donnent une température basse (exemple d hydrogène et de mercure (800 et 1000 C)). On utilise des brûleurs à flux laminaire c est-à-dire des flammes larges de manière à augmenter la largeur de la flamme et donc la probabilité de rencontre entre les photons et les atomes. On peut aussi utiliser le four : C est une cellule de volatilisation généralement en graphite qui est fixée à la place de la flamme (du brûleur) et qui peut être portée par effet joule à une température assez élevée généralement sous atmosphère inerte d argon. Cette cellule est chauffée selon un cycle bien programmé utilisant 4 étapes : Étape de désolvatation de l échantillon (élimination du solvant). 17

18 Étape de la minéralisation (destruction de la matière organique pour donner des sels oxydés). Cette étape dure 1 à 5 minutes et on passe de 100 C à 1800 C. Étape d atomisation qui se fait à une température élevée (passe de 1800 C à 2600 C). La durée est assez brève (quelques secondes) et l échantillon qui était sous forme de sel se transforme de sel neutre. Étape de nettoyage (à température maximale : 2800 C) pour éliminer toute trace susceptible de rester sur le four. Avantages : Prise d essai réduite. Microanalyse. Sensibilité plus grande et composés réfractaires facilement atomisés. Inconvénients : Précision médiocre (répétabilité et reproductibilité) en raison de la complexité de la programmation thermique du four. Fixation de certains éléments tel que le titane sur le graphite (très difficiles à enlever). Appareillage très élevé. 4. Monochromateur Sélectionne la radiation de résonance la plus probable qui donne le maximum d absorption. Ces monochromateurs sont placés après la flamme de manière à sélectionner λmax et éviter les radiations parasites. IV.INTERFÉRENCES - PHÉNOMÈNES PERTURBATEURS 1. Interférences spectrales Elle peut être due à la flamme elle-même car elle peut donner son propre spectre (exemple de la flamme acétylène/air qui peut donner des bandes qui sont dues aux groupements OH et aux groupements CH). L argon (gaz rare) peut aussi s exciter et donner son spectre. Le calcium peut donner l oxyde de calcium (par combustion) et donc donne un spectre de bande. 18

19 Pour y remédier, on utilise un monochromateur très sélectif placé après la flamme et également un modulateur de manière à éliminer les radiations parasites provenant des atomes excités. 2. Interférences dues à l ionisation C est le même phénomène qu en émission de flamme. La température n est pas très élevée donc ces phénomènes sont moins importants (voir spectrophotométrie d émission de flamme). 3. Interférences dues aux substances réfractaires (voir spectrophotométrie d émission de flamme) 4. Interférences par diffusion de la lumière Cette interférence se rencontre avec des éléments interférents se trouvant à forte concentration. Ces éléments vont pouvoir diffuser et disperser une partie de la lumière incidente qui est considérée comme une absorption supplémentaire (on a l impression que ces radiations ont été absorbés par les atomes à l état fondamental alors qu en réalité une partie de la lumière a été diffusée et non pas absorbée) d où un risque d erreur par excès. C est le cas par exemple du dosage du plomb dans les urines. Dans ce cas, on a une concertation importante en sodium au niveau des urines et au niveau de la flamme on va assister à la formation de particules solides de chlorure de sodium et ces particules solides vont entrainer la diffusion de la lumière à 217 nm (λmax du plomb). On fait donc une mesure vers 220 nm (assez proche de 217 nm) pour ne mesurer que l absorption non spécifique qui est due à la diffusion de la lumière. On fait ensuite la deuxième mesure à 217 nm pour mesurer l absorbance totale (non spécifique et spécifique) et on fait ensuite la différence entre ces deux absorbances pour avoir l absorption spécifique de l élément à doser. 19

20 V. ANALYSE QUANTITATIVE On retrouve les mêmes méthodes qu en spectrophotométrie d absorption de flamme. Mais, dans ce cas on trace la courbe suivante : VI.APPLICATIONS Les avantages par rapport à la spectrophotométrie par émission de flamme sont : Méthode plus sensible. Elle se prête à l analyse de traces (très petites quantités). Méthode plus spécifique que l émission de flamme car elle nécessite une lampe correspondante à l élément à doser. Moins d interférences. On peut appliquer la spectrophotométrie d absorption atomique dans les cas suivants : Analyse minérale pour doser les alcalins, les alcalino-terreux et les métaux de transition. Bromatologie (analyse des aliments) pour le dosage d un certain nombre de cations tel que le cuivre dans le beurre. Dosage de composés toxiques tel que le cadmium et le plomb dans certaines conserves alimentaires, dosage du mercure dans le poisson. Domaine du médicament : Dosage de l insuline par le dosage de l élément zinc dans l ensemble zinc-insuline, dosage du cobalt dans la 20

21 vitamine B12 et, de manière générale, dosage de tous les médicaments qui donnent des complexes avec les cations. Biologie pour doser le sodium, le potassium, le lithium, le calcium, le cobalt, le zinc On a un tableau qui nous donne les limites de détection et donc la sensibilité de ces différentes méthodes : On peut voir que : La spectrophotométrie avec four est nettement plus sensible qu avec la flamme. La torche à plasma est beaucoup plus sensible que l émission de flamme. La spectrophotométrie d absorption avec four est plus sensible que les trois autres méthodes. 21

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