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Spectrométrie d'absorption atomique

En chimie analytique, la spectromĂ©trie d'absorption atomique (Atomic absorption spectroscopy en anglais ou SAA) est une technique de spectroscopie atomique servant Ă  dĂ©terminer la concentration des Ă©lĂ©ments mĂ©talliques (mĂ©taux alcalins, alcalino-terreux, mĂ©taux de transition) ainsi que les mĂ©talloĂŻdes dans un Ă©chantillon. Ceux-ci sont atomisĂ©s Ă  l'aide d'une flamme alimentĂ©e d'un mĂ©lange de gaz ou d'un four Ă©lectromagnĂ©tique[1]. La sensibilitĂ© de ce dernier est plus importante que la flamme et permet de quantifier les Ă©lĂ©ments recherchĂ©s de l'ordre du ppb. En 2010, c'est une mĂ©thode monoĂ©lĂ©mentaire, chaque Ă©lĂ©ment Ă  doser necessite une source de lumière caractĂ©ristique. Elle fait partie des mĂ©thodes classiques d’analyse en chimie analytique. BasĂ©e sur des mĂ©thodes optiques, elle conduit aussi bien Ă  des rĂ©sultats qualitatifs qu'Ă  des donnĂ©es quantitatives. L'absorption est utilisĂ©e gĂ©nĂ©ralement pour faire un dosage, l'Ă©lĂ©ment est connu, on dĂ©termine une concentration.

un spectromètre d'absorption atomique.

L'analyse se base sur l’absorption de photons par des atomes Ă  l'Ă©tat fondamental, et on utilise Ă  cet effet en gĂ©nĂ©ral des solutions sauf dans le cas des hydrures. Une prĂ©paration est donc souvent nĂ©cessaire : dissolution d'un alliage par exemple.

Bien que cette technique date du XIXe siècle, sa forme moderne fut dĂ©veloppĂ©e dans les annĂ©es 1950 par des chimistes australiens, menĂ©s par Alan Walsh et travaillant Ă  la Division of Chemical Physics du CSIRO Ă  Melbourne[2].

Expériences de Kirchhoff

Illustration des trois lois de la spectroscopie

Les 3 expériences de Kirchhoff permettent de démontrer les principes de l'absorption et de l'émission atomique.

  • En faisant passer Ă  travers un prisme une lumière polychromatique on obtient un spectre continu.
  • En remplaçant la lumière polychromatique par un bec Bunsen, dans lequel brĂ»le un sel mĂ©tallique, on voit apparaĂ®tre les raies brillantes qui caractĂ©rise l'Ă©lĂ©ment. On obtient donc le spectre d'Ă©mission de cet Ă©lĂ©ment.
  • En combinant les deux expĂ©riences on obtient le spectre d'absorption du sel mĂ©tallique. On voit donc apparaĂ®tre la mĂŞme chose que dans la première expĂ©rience mis Ă  part qu'aux endroits oĂą on voyait apparaĂ®tre les raies d'Ă©missions de la seconde expĂ©rience on remarque des raies sombres. Ceci est dĂ» Ă  la prĂ©sence dans la flamme d'une large proportion d'atomes restĂ©s Ă  l'Ă©tat fondamental qui absorbent les radiations lumineuses de la lumière polychromatique aux longueurs d'onde caractĂ©ristiques de l'Ă©lĂ©ment, ce qui est une manifestation de l'absorption atomique.

Avantages

Elle est très sélective, il n'y a pas d'interférences spectrales ou alors elles sont connues. La technique est simple si on sait préparer les solutions initiales. Elle est très documentée. Depuis quelques années, les AAS peuvent être équipées de carrousels, permettant le passage d'un grand nombre d'échantillons avec, de plus en plus, un équipement de lampe mono- ou multi- éléments.

Limites de la technique

Pour des raisons technologiques et non de principes, certains éléments, comme les gaz rares, les halogènes... ne peuvent être analysés par spectrométrie, leur énergie d'absorption n'étant pas comprise entre 180 et 1000 nm. Les concentrations doivent être à l'échelle de traces afin de rester dans le domaine de linéarité de la loi de Beer-Lambert, car sa dynamique est limitée. L'existence d'interférences chimiques sévères complique parfois (exemple: calcium/phosphore). C'est le cas des matrices pouvant être en lien avec les domaines de l'agro-alimentaire, de certains végétaux ou encore des sols, qui s'avèrent être des solutions souvent aqueuses, salines ou organiques multi-éléments.

De plus, éléments de transitions et métalloïdes nécessitent un couplage avec un générateur d'hydrure.

Interférences

Les interférences proviennent principalement d'éléments présents dans la matrice, proche de l’élément à analyser au niveau des longueurs d'onde. Ces interférences peuvent être de l'ordre d'effets de matrices, des absorptions moléculaires, particulaires ou atomiques.

L'analyse d'un composĂ© peut ĂŞtre perturbĂ©e par deux types d'interfĂ©rences :

  • Chimique : C'est une des interfĂ©rences les plus courantes, elle est due au fait que certains sels mĂ©talliques sont difficiles Ă  atomiser, ou qu'ils forment des composĂ©s peu volatils qui sont Ă©galement difficiles Ă  atomiser. Ce qui aura pour effet de rĂ©duire la vitesse d'atomisation ainsi que l'intensitĂ© du signal.

Pour corriger ce problème il faudrait travailler à une température plus élevée ou ajouter un complexant à l'échantillon.

  • Spectrale : Cette interfĂ©rence est due Ă  la prĂ©sence de particules solides qui diffusent le rayonnement de la lumière incidente dans l'atomiseur mais Ă©galement Ă  cause de la prĂ©sence de produits de combustion, dont les bandes d'absorption sont larges. Ce qui a pour effet de diminuer l'intensitĂ© du signal.

Pour corriger ce problème il faudrait changer la composition du comburant ou du combustible.

Afin de limiter ou d'éliminer ces phénomènes d’interférences, il est possible d'associer les décrites ci-dessus à un paramétrage ou un développement technique de l'outil d'analyse.

Notes et références

  1. Waterlot Christophe, « Évaluation des effets d’une lampe à cathode creuse pulsée à courant variable sur les interférences spectrales de l’arsenic dans le dosage du cadmium par spectrophotométrie d’absorption atomique », Rev. can. genie civ.,‎
  2. L’vov, B. V., « Fifty years of atomic absorption spectrometry », Journal of Analytical Chemistry, vol. 60,‎ , p. 382 (DOI 10.1007/s10809-005-0103-0)
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