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Outils d'analyseNote préliminaire : le département peut examiner des demandes d'analyses qui pourraient lui être faites. Ces demandes ne peuvent être acceptées que si elles n'entravent en aucune manière le programme de recherche scientifique du laboratoire.
Liste des outils d'analyse disponibles
Le dosage du carbone est un pré-requis analytique indispensable dans de nombreuses problématiques agronomiques et environnementales : séquestration du carbone dans les sols, dosage de la matière organique dans les sols et dans divers types de milieux aqueux, détection de contaminants organiques dans les sols, suivi de la décomposition des matières organiques à la surface des sols, analyses des boues, etc. Dans ces divers contextes, le recours à un analyseur de carbone s'avère particulièrement judicieux lorsque les substances organiques apparaissent à de faibles niveaux de concentration. Notre laboratoire dispose d'un analyseur de carbone Dohrmann DC-180C dont le principe est basé sur une oxydation des substances carbonées et le dosage du CO2 émis par spectrométrie infra-rouge. L'équipement permet de rencontrer deux types de besoins : le dosage de matières organiques dissoutes ou solides de même qu'une séparation de certaines formes carbonées. Dans tous les cas, la limite de détection est de l'ordre du ppm. Deux modules différents seront utilisés selon le type d'échantillon:
Module " réacteur " : carbone dissous Le dosage en module réacteur permet de déterminer quantitativement les formes suivantes :
Le caractère purgeable se mesure par l'extractabilité des substances, à partir de la phase liquide, sous l'action d'un courant de gaz. Le schéma de fonctionnement est le suivant :
Module "Boat" : échantillons solides et suspensions Le dosage en module boat permet de déterminer quantitativement les substances carbonées qui s'oxydent à 800° C. Le principe du dosage est basé sur une combustion dans un micro-four porté à cette température. Le CO2 produit par la combustion est dosé par spectrométrie infra-rouge (NDIR). Au cours des cinq dernières années, les applications développées au sein de notre laboratoire ont essentiellement concerné le stockage du carbone et la mobilité des substances organiques solubles dans l'environnement, à savoir :
Responsables: Claudine Givron, Annne Iserantant
Chromatographie ionique en phase liquide (IC) L'analyse du contenu en anions dans le sol, l'eau, la plante, etc. s'inscrit dans le protocole général de l'analyse minérale par voie humide; qu'il s'agisse d'une caractérisation d'un échantillon ou d'un diagnostic environnemental. La chromatographie ionique en phase liquide (IC) permet l'identification et la quantification simultanées de divers ions (cations et anions) inorganiques et organiques. Ses applications sont donc multiples. Le principe de la technique repose sur les différences d'affinité des ions pour un substrat fonctionnalisé (la résine échangeuse d'ions) en présence d'une phase liquide porteuse (l'éluant). Pratiquement, quelques millilitres d'échantillon préalablement mis en solution par des techniques appropriées sont injectés au travers d'une colonne contenant la résine échangeuse d'ions. Un flux continu d'éluant est appliqué à la colonne échangeuse. Tandis que l'éluant traverse celle-ci, les ions en solution sont adsorbés à la surface de la résine au prorata de leur affinité sélective et en fonction de la composition de l'éluant. Il se forme dans la colonne un front d'avancée pour chaque ion qui est en retard par rapport à l'avancée de la phase porteuse. On aura ainsi séparé à la sortie de la colonne les différents ions en solution. La détection des ions élués est réalisée par conductimétrie ou par spectrophotométrie UV. Le dosage des ions nécessite une calibration qui consiste à déterminer précisément le temps d'élution et la surface du pic associé au front d'avancée de chaque ion présent dans des solutions de référence. Notre laboratoire utilise un instrument Dionex 500 équipé d'une pompe à gradient pour la régulation du débit de l'éluant, d'un conductimètre et d'un passeur automatique d'échantillons. L'instrument est piloté par un ordinateur. Nos applications concernent en premier chef l'analyse des anions inorganiques tels F-, Cl-, NO2-, NO3-, SO42-, et PO43- dans les eaux naturelles, les eaux usées ainsi que dans les sols. A titre d'exemples, le chromatographe ionique est utilisé dans notre laboratoire pour :
Responsable: Claudine Givron
Analyseur à flux continu (Flow Injection Analysis FIA) Si l'analyse minérale par voie humide est très répandue dans les sciences environnementales, certaines caractérisations nécessitent une spéciation expérimentale précise. Un même élément est en effet susceptible d'être présent sous diverses formes en fonction du potentiel redox, de l'acidité ambiante, de la présence dans le milieu d'agents complexants et/ou d'ions susceptibles de former avec lui des paires ioniques. La forme de l'élément est souvent déterminante pour ses propriétés de comportement physico-chimique et pour les risques posés en matière de toxicité. À cet égard, le comportement de l'aluminium dans l'environnement, tout particulièrement dans les milieux aqueux, requiert une démarche de spéciation. Celle-ci est habituellement réalisée à l'aide de logiciels adaptés, la concentration totale de l'élément étant connue, de même que certaines conditions de milieu (pH, force ionique, concentrations en cations et anions, etc.). Cette démarche de simulation est toutefois très utilement complétée par une démarche de spéciation expérimentale. Dans le cas de l'aluminium, le recours au système d'analyse en flux d'injection continu ou Flow Injection Analysis (FIA) s'avère très pertinent. Dans son principe, le système FIA est une technique colorimétrique intégrant des temps réactionnels très brefs permettant de déterminer la concentration de formes spécifiques d'un élément dont la réactivité est précisée et appréciée. Le système FIA réalise en fait plusieurs opérations, suivant une séquence programmable et contrôlée par ordinateur : collecte par pompage d'un volume précis d'échantillon liquide ; ajout contrôlé de réactifs ; contrôle du temps de contact des réactifs spécifiques et mesure par spectrophotométrie. Notre laboratoire dispose d'un système FIA Alpkem FS 3000, dont les trois composantes essentielles sont :
Tout récemment, notre laboratoire a utilisé le système FIA pour déterminer les concentrations d'aluminium inorganique monomérique dans des milieux aqueux (eaux de surface, solution de sol, percolats de litières). Ce type de spéciation reconnaît l'aluminium rapidement réactionnel, via une réaction de complexation spécifique et appropriée. Il s'agit ici des formes d'aluminium quickly reactive tels Al3+, Al(OH)2+, AlSO4- (Clarke et al. 1991, Intern. J. Environ. Anal. Chem. 48: 77-100). Nous avons également recours au système FIA pour le dosage de l'ion ammonium dans des solutions de sol et divers types d'extraits. Responsable: Claudine Givron
La diffraction des rayons X (DRX) permet l'identification des composés cristallins. Au département MILA, cette méthode d’analyse est principalement utilisée pour la détermination et la quantification des minéraux du sol. Parmi ceux-ci, les phyllosilicates (les minéraux des argiles) constituent un objet d'étude privilégié compte tenu de leur localisation préférentielle dans la fraction fine des sols et de leurs propriétés colloïdales : surface spécifique élevée, charge électrique, échange d'ions, adsorption d'éléments métalliques, de pesticides, etc. La DRX est également utilisée pour l’identification et la caractérisation de minéraux des roches ainsi que des composés chimiques à la demande d’autres unités de recherche de l’UCL. Sur le plan du principe, cette technique d'analyse permet de caractériser l'arrangement des atomes au sein de cristaux. L'échantillon constitué d’une poudre de cristaux est irradié par un rayonnement X émis par un tube à rayons X. De ce rayonnement, on ne s’intéresse qu’à la longueur d'onde caractéristique du métal constituant l'anode en utilisant un détecteur qui n’est sensible qu’à cette longueur d’onde (détecteur solide Si-Li à dispersion d’énergie). Les cristaux dans l'échantillon diffractent les rayons X, c’est-à-dire que certains plans au sein des cristaux se comportent comme s’ils réfléchissaient les rayons X incidents. Le détecteur monté sur un bras tournant enregistre les angles pour lesquels il y a un rayon X diffracté et mesure l'intensité du rayonnement dans cette direction. Il existe une correspondance directe entre l'angle de diffraction et les distances caractéristiques du réseau (l’arrangement ordonné et périodique des atomes au sein du cristal). L’analyse se présente sous la forme d’un diffractogramme qui donne, en fonction de l’angle du détecteur, quelle est l’intensité du rayonnement diffracté. On y observe un ensemble de pics qui correspondent chacun à une angle pour lequel il y a diffraction des rayons X. L’ensemble de pics est souvent appelé le « spectre » de diffraction. Il constitue l’empreinte digitale de la substance cristalline qui se trouve dans l’échantillon. Ce spectre est ensuite comparé à une base de données qui renferme les spectres de toutes les substances cristallines connues . On peut ainsi identifier les minéraux. Les échantillons sont de deux types : ils peuvent être broyés sous la forme d'une poudre qui est disposée telle quelle dans un porte-échantillon (préparations non orientées) ou sous la forme d'un dépôt de minéraux sur une plaquette de verre par séchage d'une suspension (préparation orientée). Divers prétraitements sont appliqués pour contribuer à l'identification des minéraux de type phyllosilicates : choix du cation compensateur, gonflement interfoliaire, chauffage à diverses températures, extractions préalables, etc. Le département MILA dispose d'un diffractomètre Bruker D8 muni d’un détecteur Si-li à dispersion d’énergie SOL-X. Les spectres de diffraction obtenus sont exploités à l'aide de logiciels. Les logiciels Diffrac plus et Topas (Bruker) permettent de modéliser les pics de diffraction en retranchant par calcul les effets instrumentaux (approche dite des " paramètres fondamentaux "). La préparation des échantillons sans orientation préférentielle et l'analyse des spectres à l'aide de la méthode de Rietveld permettent d'estimer les proportions de chaque minéral présent dans le mélange (analyse quantitative de mélanges de phases cristallines et des amorphes). Les pourcentages poids des différents minéraux présents sont ainsi obtenus à l'aide du logiciel Topas et du logiciel Siroquant. Enfin, les spectres de diffraction des phyllosilicates sont simulés à l'aide du logiciel Newmod. Au sein du département MILA, la technique DRX a supporté de nombreuses études portant sur la caractérisation des minéraux du sol et tout particulièrement sur celle des minéraux argileux afin de comprendre les relations entre ces constituants minéraux, les propriétés du sol et, le cas échéant, leur degré d'altération, leur fonctionnement et leurs propriétés mécaniques. Le diffractomètre Bruker D8 permet d'aborder l'analyse quantitative des mélanges de phases cristallines par la méthode de Rietveld et la modélisation des spectres sur base des structures cristallines des phyllosilicates. Nous pouvons ainsi quantifier les proportions relatives des minéraux argileux présents dans les sols, la teneur en matière amorphe (non diffractante) et les abondances des autres minéraux. Responsables: Anne Iserantant, Prof. Philippe Sonnet
Spectrométrie d'émission et d'absorption L'analyse minérale par voie humide est très répandue dans les sciences agronomiques et environnementales : dosage des éléments majeurs et traces dans les plantes, les sols, les sédiments et divers substrats géologiques, contrôle de la qualité des aliments et de divers produits, caractérisation de déchets solides et d'effluents liquides, analyses d'eaux souterraines, d'eaux de surface et d'eaux usées, diagnostic environnemental, etc. Dans ces divers contextes, les spectrométries d'absorption atomique (AAS) et d'émission plasma (DCP, ICP) constituent des outils privilégiés d'analyse d'échantillons liquides, soit prélevés tels quels (milieux aqueux), soit obtenus après extractions spécifiques de matériaux solides (analyses de roches, sédiments, sols, végétaux). Notre laboratoire dispose d'un parc instrumental lourd pour ces divers usages : spectromètre d'émission plasma à couplage inductif (ICP OES), spectromètre d'émission plasma directe (DCP) et spectromètre d'absorption atomique (AAS) avec four graphite. Compte tenu des développements actuels de notre laboratoire, seules la spectrométrie d'émission plasma à couplage inductif et la spectrométrie d'absorption atomique sont présentées ci-dessous. Spectrométrie d'émission plasma à couplage inductif (ICP OES) L'équipement concerné est un spectromètre ICP OES Thermo Jarrell Ash Iris Advantage. Le spectre des éléments dosés est très large : il comprend les éléments métalliques et semi-métalliques de même que certains éléments non métalliques. Le principe de la spectrométrie d'émission plasma à couplage inductif est basé sur la formation de plasma dans un flux de gaz rare. Le plasma à couplage inductif est formé à partir d'une décharge électrique créée dans un flux d'argon gazeux circulant à travers une série de tubes de quartz concentriques (torche) entourés par une spire (bobine d'induction). Celle-ci est reliée à un générateur de radiofréquence. Le passage d'un courant alternatif dans la bobine d'induction produit un champ électromagnétique qui engendre des courants induits. La torche étant alimentée en argon, une étincelle est produite pour permettre l'excitation de l'argon gazeux. Les électrons sont accélérés par le champ électromagnétique ; il en résulte une collision entre atomes d'argon et une production subséquente d'un plus grand nombre d'électrons et d'ions argon, qui seront eux-mêmes accélérés. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le gaz soit fortement ionisé. On obtient in fine la formation d'un plasma d'une température de 10.000 degrés Kelvin. L'échantillon liquide est nébulisé puis transmis vers le plasma. Il subit différentes étapes de décomposition, d'atomisation et d'ionisation conduisant à une excitation des atomes et des ions. Après excitation, les atomes contenus dans l'échantillon émettent de la lumière dont la longueur d'onde leur est caractéristique. La lumière est transmise par l'intermédiaire du système optique (réseau + prisme) vers un détecteur CID (caméra vidéo), qui permet le dosage. Les limites de détection des éléments traces varient selon l'élément : elles sont de l'ordre du ppb ou de la dizaine de ppb. Au cours des cinq dernières années, les applications développées au sein de notre laboratoire ont essentiellement concerné l'analyse des phases liquides et solides des sols et de phases liquides dans des systèmes expérimentaux sol-solution-plante. A titre d'exemples, l'utilisation privilégiée du spectromètre ICP-OES a porté sur :
Spectrométrie d'absorption aomique (AAS) Au même titre que la spectrométrie d'émission plasma à couplage inductif (ICP OES), la spectrométrie d'absorption atomique (AAS) constitue un outil privilégié d'analyse minérale par voie humide en sciences agronomiques et environnementales. Couplée à un four graphite, la spectrométrie AAS autorise le dosage d'éléments majeurs et traces dans divers types de substrats : végétaux, sols, sédiments, roches, aliments, déchets solides, effluents liquides, eaux souterraines, eaux de surface, eaux usées, etc. Notre laboratoire dispose d'un spectromètre Spectra AA-300 Varian opérationnel en mode flamme ou à four graphite. Dans son principe, la spectrométrie AAS consiste à vaporiser l'échantillon liquide et à le chauffer à l'aide d'une flamme. En mode flamme, l'équipement peut être utilisé en spectrométrie d'absorption et d'émission. La flamme est dirigée vers une lumière émise par une lampe appropriée émettant les longueurs d'onde caractéristiques de l'élément recherché. En traversant la flamme, les ondes lumineuses - dont les longueurs d'onde correspondent à l'élément dosé - sont absorbées par les ions excités présents dans la flamme. L'absorption est mesurée à l'aide d'un prisme dispersif et d'une cellule photoélectrique : elle est directement proportionnelle à la concentration de l'élément. Lorsque les atomes d'un élément ont été excités, leur retour à l'état fondamental s'accompagne de l'émission de lumière d'une fréquence F bien définie et propre à cet élément. Le même élément dispersé dans une flamme possède la propriété d'absorber tout rayonnement de même fréquence F. Il en résulte une absorption du rayonnement incident lié à la concentration de l'élément considéré. En mode flamme, la limite de détection est de l'ordre du ppm. La sensibilité des dosages en mode flamme est limitée par des réactions secondaires (évaporation) et par le temps très court de passage dans la flamme. Pour accroître la sensibilité du dosage, il est nécessaire de réduire ou d'éliminer ces deux facteurs par atomisation. Celle-ci est réalisée dans un four graphite d'un volume réduit sous atmosphère inerte. La limite de détection est alors de l'ordre du ppb. Les applications développées au sein de notre laboratoire permettent de doser, en mode flamme et au four graphite, les éléments suivants : Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Rb, Au, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb, Co, Zn. Ces dosages ont supporté plusieurs études sur le fonctionnement des sols, la caractérisation d'échantillons liquides (solution du sol, lixiviats de litière, eaux) et le comportement d'éléments traces métalliques ou radioactifs dans les sols et la rhizosphère. Responsables: Anne Iserantant, Claudine Givron
En sciences du sol comme dans d'autres sciences environnementales, les propriétés des phases liquides (solution du sol, lixiviats de litières, eaux de surface, eaux souterraines), doivent être mesurées dans des conditions précises. Souvent, il faut aussi contrôler l'acidité du milieu. Les méthodes potentiométriques sont alors requises. L'Unité des sciences du sol possède en plus de pH-mètres classiques, un pH-stat de type PHM 82 standard pH meter. Le pH-stat permet de stabiliser le pH du milieu aqueux étudié dans des fourchettes de valeur de pH très précises. Le principe de cet équipement est basé sur le contrôle du pH par ajout automatique de bases ou d'acides forts dilués. L'ajout est mesuré précisément en fonction de la valeur du pH du milieu étudié et de la valeur recherchée du pH. Le pH-stat est utilisé de manière privilégiée pour maintenir des conditions de pH constantes dans diverses études d'adsorption de substances et d'échange ionique. Tout particulièrement, le pH-stat est utilisé pour mesurer la capacité de complexation des matières organiques dissoutes dans la solution du sol et dans des lixiviats de litière. Dans ce contexte, nous effectuons un titrage de ces échantillons aqueux par une solution (acide) de Cu2+ afin de mesurer leur capacité de complexation résiduelle pour ce cation. L'Unité des sciences du sol a également recours à des électrodes spécifiques pour le dosage de certains ions en solution (ex. NH4+, Cl-, F-). La méthode peut s'avérer intéressante dans le cas d'échantillons avec des matrices complexes. Cependant, elle requiert de plus grands volumes d'échantillon que ceux nécessaires à l'analyse par chromatographie ionique. Responsables: Claudine Givron, Anne Iserantant
NC (azote-carbone) soil analyser (Thermo) Le principe : oxydation du carbone et de l'azote en CO2 et N2 par chauffage dans un courant d'oxygène. Cette réaction est catalysée par du cuivre. Les éléments sont séparés sur une colonne de chromatographie sous un courant d'hélium. Le détecteur mesure la conductivité thermique.
En sciences naturelles, l'observation au microscope est un outil majeur de recherche. L'observation et l'étonnement ne sont-ils pas les premiers pas de l'esprit vers la recherche des causes (Jean Diderot) ? A cet égard, la microscopie optique s'avère très utile en sciences du sol pour décrire le matériau naturel (sol, roche, sédiment, minéraux) et certains de ses constituants. L'observation morphologique permet d'étudier l'organisation du matériau, la forme des micro-agrégats, l'aspect des grains, leur état d'altération. Elle permet également d'identifier et d'isoler des minéraux spécifiques, par exemple les feldspaths, le quartz, les micas, les minéraux lourds, etc. Ces éléments d'observation seront ensuite confrontés à d'autres caractérisations, par exemple l'analyse élémentaire, l'analyse en diffraction aux rayons X. L'Unité des sciences du sol possède un microscope binoculaire et des microscopes polarisants pétrographiques Leitz orthilux II POL-MKORTHOLUX II Pol - MK. Ce dernier permet de travailler en lumière réfléchie (lames minces) et en lumière transmise (sections polies). Les applications développées jusqu'ici concernent principalement l'étude de l'organisation du matériau, l'identification de minéraux et l'appréciation de leur état d'altération, tout particulièrement dans les sédiments, les roches et les matériaux parentaux des sols. Responsables: Prof. Philippe Sonnet |
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