Métrologie de l environnement

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1 Métrologie de l environnement Méthodes d analyse de l arsenic au laboratoire Patrick Thomas Département Eaux & Environnement Institut Pasteur de Lille

2 L arsenic L arsenic appartient au groupe Va de la classification périodique; Ces propriétés sont intermédiaires entre celles des métaux et des métalloïdes; Son numéro atomique est 33 et sa masse atomique 74,922; On lui connaît 8 isotopes, mais seul l isotope 75 est stable; Sa configuration électronique externe lui permet des valences variant de 3 à +5 qui autorisent des liaisons covalentes avec de très nombreux éléments;

3 L arsenic Mis à part les sulfures et arséniures, les composés minéraux les plus courants sont les combinaisons avec l oxygène: Arsénites (As III) et arséniates (As V); L arsenic forme également des composés organiques très stables tant trivalents que pentavalents: Acide méthylarsonique, acide diméthylarsinique, etc. L arsenic est aussi présent dans la chimie du vivant, sous forme de molécules telles que l arsénobétaïne, l arsénocholine et les arsénoriboses; Son appartenance au groupe Va lui vaut de pouvoir se substituer au phosphore dans de nombreuses molécules organiques; Sur le plan toxicologique, les composés (As III) sont considérés comme toxiques et ont d ailleurs été largement utilisés dans ce but, tandis que l arsénobétaïne et l arsénocholine sont considérés comme inoffensifs.

4 L arsenic La chimie de l arsenic est donc complexe du fait de ses différents états de valence et de l existence de plusieurs anions dont la répartition varie considérablement avec le ph et le EH, et de l existence de composés organo-arséniés. Malgré cette complexité, il existe environ une dizaine de méthodes qui permettent un dosage de l arsenic total. Nous nous intéresserons dans cette présentation aux méthodes les plus couramment utilisées: Dans le domaine de l analyse de l eau; Dans le domaine de l analyse des sols; Pour l étude des différentes formes.

5 Les différentes méthodes de dosage La spectrométrie d absorption moléculaire ou colorimétrie, normalisée en 1967, n est plus utilisée au laboratoire; La polarographie est peu ou pas utilisée en routine au laboratoire; La fluorescence aux rayons X peut- être utilisée, mais la quantification est difficile; La spectrométrie d absorption atomique avec flamme est très interférée et manque de sensibilité; La spectrométrie d absorption atomique avec atomisation électrothermique; La spectrométrie d absorption atomique après génération d hydrure ; La spectrométrie de fluorescence atomique après génération d hydrure; La spectrométrie d émission atomique par plasma d argon ; La spectrométrie de masse couplée à un plasma d argon ; L activation neutronique instrumentale est une méthode qualitative et quantitative. Cette technique est souvent utilisée comme technique de référence pour l analyse des solides. Elle nécessite l accès à un réacteur nucléaire.

6 Schéma d une méthode analytique Échantillonnage Prélèvement : solides ou liquides Détermination Introduction de l analyte et excitation Détection et calcul Selon G.Gottschalk Résultat

7 Analyse des échantillons d eau En France, suite à l abrogation du décret n puis du décret n remplacé par les décrets n et de mai 2003 codifiés dans le Code de santé publique. Il ressort que comme certain paramètre, l arsenic a vu sa limite de qualité baisser de 50 à 10 µg/l. Aux Etats-Unis, depuis février 2002, la Federal Environmental Protection Agency (EPA) a réduit la MCLG de 50 à 10 µg/l. Applicable à partir de En France, l arrêté du 17 septembre 2003 précise les caractéristiques de performances des méthodes d analyse : pour As la justesse et la fidélité sont à 10 % de la valeur paramétrique de 10 µg/l. La limite de détection est également fixée à 10 % de cette valeur soit 1 µg/l.

8 Caractéristiques des méthodes Dynamic range Atomic spectroscopy typical detection limits ICP-MS ICP-AES FAAS ETAAS ICP-MS ETAAS HYG-AFS HYG-AAS ICP-AES Axial ICP-AES Radial FAAS ,1 0,01 0,001 Orders of magnitude of calibration linearity Detection limit range (µg/l) From : Thomas. P. (2003) Metal Analysis in Chemical Analysis of Contaminated Land Edited by K.C.Thompson and C.P. Nathanail. Blackwell CRC Press

9 La spectrométrie d absorption atomique avec atomisation électrothermique Cette technique née en 1967, a été considérablement améliorée grâce au traitement du signal et au développement des systèmes d atomisation. La détermination de l arsenic est plus facile (Super lampe, nacelle, modificateur, effet Zeeman..), les résultats sont plus fiables. La récente norme ISO (2003) donne une limite de détection de 1µg/l et un domaine de travail de 10 à 100 µg/l. ( CVr de 3 à 8 % CVR de 14 à 36 % pour 9 à 80 µg/l ). La méthode EPA 7010 donne les mêmes valeurs de performance. Masse caractéristique 15 pg à 193,7 nm. Pas d influence de la forme sur la réponse

10 La spectrométrie d absorption atomique ou de fluorescence après génération d hydrure Cette technique a été développée en 1969 pour la mesure des éléments formant des hydrures. La détermination de l arsenic nécessite une étape de préréduction. HG-AAS (ISO/CD ) sensibilité (0,0044 Abs) = 0,20 µg/l LOQ : 2 à 5 µg/l Dynamique réduite de 0,5 à 20 µg/l HG-AFS (ISO/CD ) LOD : 0,01 µg/l LOQ : 0,5 à 2 µg/l Dynamique plus importante de 0,02 µg/l à 100 µg/l. La réponse dépend de la forme sous laquelle se trouve l arsenic. Ex: la réponse de As V est 20 à 30 % plus faible que As III.

11 La spectrométrie d émission atomique par plasma d argon ICP-OES Cette technique commercialisée en 1970 a évolué considérablement grâce aux technologies nouvelles. Cependant la détermination de l arsenic reste peu sensible. Trois raies sont utilisable 193,696, 197,197 et 189,042 nm. Interférences de Fe et Al. Les limites de quantification sont de l ordre de 100 µg/l. La norme ISO donne une limite de détection de 1µg/l. ( CVr de 3 à 8 % CVR de 14 à 36 % pour 9 à 80 µg/l ). La méthode EPA donne une LD de 53 µg/l pour la raie à 197,759 nm. La limite de détection instrumentale pour un ICP axial est de l ordre de 3 µg/l et de 12 µg/l pour un radial.

12 La spectrométrie de masse couplée au plasma d argon ICP-MS Cette technique née en 1975 puis commercialisée en 1983, a été considérablement améliorée depuis son développement. La détermination de l arsenic est simple mais l interférence isobarique due aux ions Cl - pose un problème (ArCl, CaCl). La norme ISO (2003) donne une limite d application de 1µg/l. (CVr de 6 % CVR de 14 % pour 7 µg/l) La méthode EPA donne 1,4 µg/l. La limite de détection instrumentale (BEC) se situe au niveau de 0,05 ng/l. Un seul isotope pour M/Z = 75 (abondance 100%

13 Rappels, définitions Exactitude = étroitesse de l accord entre le résultat d analyse et la valeur de référence acceptée Justesse = étroitesse de l accord entre la valeur moyenne obtenue à partir d une large série de résultats d essais et une valeur de référence acceptée Fidélité = étroitesse de l accord entre résultats de mesures répétées indépendantes Exactitude = Justesse + Fidélité

14 Rappels, définitions (suite) Répétabilité et Reproductibilité sont respectivement les bornes inférieures et supérieures de la Fidélité Répétabilité = étroitesse de l accord entre résultats de mesures répétées indépendantes réalisées dans les conditions les plus homogènes qui soient Concrètement, on travaille au sein d une seule et même série analytique ; on modifie le moins possible les conditions de réalisation des analyses. Reproductibilité : étroitesse de l accord entre résultats de mesures répétées indépendantes réalisées dans les conditions les plus hétérogènes qui soient Concrètement, les mesures répétées sont réalisées par des laboratoires différents.

15 Valeurs de fidélité fournies par AGLAE

16 Coefficient de variation de reproductibilité CVR 15 % entre 15 et 50 µg/l 25 % entre 5 et 15 µg/l. Limite de détection annoncée Par 80 % des laboratoires 10 µg/l. Valeurs de fidélité fournies par AGLAE

17 Valeurs de fidélité fournies par AGLAE

18 Analyse des échantillons de sol Analyse directe des solides. Analyse après mise en solution des échantillons solides après attaque acide. Valeur de Définition de Source Sol (VDSS) = 19 mg/kg MS si 10% de la valeur LOQ de 2 mg/kg

19 Détermination de l arsenic total dans un échantillon de sol Mise en solution classique par attaque acide sur plaque ou à reflux. Norme ISO (eau régale) Norme EN ISO (eau- régale) Norme EN (eau régale) Norme EN (HF, HNO3, HCl) Mise en solution par attaque acide en µ- onde fermé. Norme EN ISO Norme EN ou EN Norme EPA 3051 (HNO3 ou HNO3-HCl). Norme EPA 3052 (HCl, HNO 3, HF).

20 Détermination de l arsenic total dans un échantillon de sol ICP-AES 5 à 5000 mg/kg ETAAS 0,25 à 2,5 mg/kg Hydrure 0,05 à 1,0 mg/kg ICP-MS 0,025 à 2,5 mg/kg

21 La spectrométrie de fluorescence X L évolution instrumentale de cette technique permet d atteindre actuellement des niveaux de concentration proches de ceux rencontrés dans le domaine de l environnement. Appareils à dispersion angulaire WDXRF sont principalement utilisés pour déterminer la composition des éléments de numéro atomique <= à 26 Appareils à dispersion d énergie EDXRF As gamme LOD 1.8 ppm As gamme 0,2 412 LOD 1.5 ppm Répétabilité +/- 2 ppm 1954 Contraintes de la technique : Préparation des échantillons Étalonnage et prise en compte des effets de matrice. 2004

22 La spéciation de l arsenic Au cours de ces dix dernières années de nombreuses techniques analytiques permettant la différenciation des formes inorganiques et organiques de l arsenic ont été développées. Ces techniques résultent d un couplage entre une méthode séparative et une méthode de détection spécifique élémentaire. Les techniques de séparation utilisées sont : la chromatographie (HPLC, GC) Adsorption sur phase solide, échange d ions Injection de flux. Les techniques de détection les plus couramment utilisées sont : La SAAF La génération d hydrure L ICP-AES L ICP-MS.

23 La spéciation de l arsenic dans l eau Exemple de chromatogramme obtenu avec couplage HPLC-ICP-MS (X7-CCT). Colonne PRP 1 phase mobile TBAP ph=8.5 injection 20 µl en mode isochratique. M/Z = 75 sensibilité cps/ppb sans CCT. Limite de quantification 1 µg/l en As. 10 µg/l en espèce injecté

24 La spéciation de l arsenic dans un sol Exemple de chromatogramme. PRP X100 injection 10 µl ph = 6,0 Elution en mode isochratique Limite de quantification 1 mg/kg Extraction de 0,3 g de sol par H 3 PO 4 1 M Par µ-onde ouvert à la puissance de 40 W pendant 20 minutes.

25 Les perspectives de recherche Amélioration de la justesse des résultats par le développement de matériaux de référence aussi bien pour la mesure de l arsenic total que pour la mesure des différentes formes de l arsenic. Développer des recherches dans le domaine de la spéciation pour déterminer les limites des méthodes choisies. Développer des protocoles de préconcentration des échantillons d eau afin de réduire les limites de quantification. Continuer à développer les couplages avec détection multiple d éléments tels que l arsenic, le sélénium et l antimoine.