– UE 8: –

2016-2017
Absorption et émission atomique
Absorption et émission atomique
– UE 8: –
Semaine : n°1 (du 05/09/16 au
09/09/16)
Date : 08/09/2016
Heure : de 10h30 à
11h30
Binôme : n°14
Professeur : Pr. Goossens
Correcteur : n°33
Remarques du professeur
•
Diapos disponibles sur moodle
PLAN DU COURS
I)
Introduction
II)
Théorie
A)
Principe de la SAA
B)
Origine de l'absorption atomique
III)
Appareillage
A)
Lampe à cathode creuse
B)
Les dispositifs thermiques pour obtenir des gaz atomiques
1)
Le système nébuliseur-brûleur : atomisation par flamme
2)
Le four graphite : atomisation électrothermique
IV)
Applications
V)
Conclusion
A)
Avantages
B)
Inconvénients
Le but du cours est d'expliquer les techniques spectroscopiques liées à l'étude d'atomes.
La spectrométrie d'absorption atomique (SAA) ou d'émission atomique (émission de flamme ou à partir de
plasmas → haute T°) permettent, dans le domaine pharmaceutique, de doser essentiellement des composés
chimiques appartenant à la famille des métaux (70) pouvant être présents à l'état de traces en solution (surtout les
éléments des colonnes 3 à 12).
Ex : métaux alcalino-terreux (calcium) ou alcalin (sodium)...
On dose très souvent à l’hôpital du platine, du zinc, du platine...
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I)
Absorption et émission atomique
Introduction
La spectrométrie d'absorption atomique (SAA) et l'émission de flamme (EF).
→ On prend une lumière blanche (dans le visible), on la fait passer dans une fente puis au travers d'un prisme ou
d'un monochromateur. On a un spectre continu, bordé par les couleurs bleue et rouge. Avant le bleu ce sont les UV
au delà du rouge ce sont les IR. Ici les UV ont des longueurs d’ondes plus basses donc des énergies plus hautes
contrairement aux IR.
→ Si on chauffe un gaz qui contient des alcalino-terreux à des températures très élevées (au delà de 5 000 degrés
K) on est dans le cas d'une émission de flamme car le gaz chauffé va capter de l'énergie thermique et qu'il va
restituer sous forme de photons. Si on regarde la lumière qui émane de ce gaz chauffé, on observe des raies
appelées les raies de Kirchhoff. Ce sont des raies d'émissions de lumière car on a fournir l'énergie thermique à
l'atome qui l'a rendu sous forme de radiations.
Comment fait on de l’absorption atomique ?
→ On va placer l’élément que l'on veut étudier à une température plus froide, mais qui amène cet échantillon sous
forme de gaz : ici on est dans des températures entre 2 000 et 4 000° Kelvin. On parle d'un gaz froid, qui fournit
juste l'énergie nécessaire pour amener l'échantillon sous forme d'un gaz.
Cet échantillon est dans une configuration de gaz atomique. On fait traverser cet échantillon par une lumière
blanche qui émet dans le visible et toutes les longueurs d'ondes. Ce gaz absorbe alors de l'énergie pour faire passer
ses électrons d'un état fondamental à un état excité. On va observer des raies sombres par rapport à l'échantillon
chauffé : raies sombres car l'énergie est absorbée par l'élément.
Les raies ne seront pas les mêmes selon les éléments (intensité différente...). On pourra donc identifier quels types
d’éléments seront dans le gaz : on peut aller jusqu'à la quantification.
Pour faire de l'absorption atomique, on étudie les absorptions de lumière par l'atome libre (placé sous
forme de gaz), son énergie varie au cours d'un passage d'un de ses électrons d'une orbite électronique à une
autre.
Exemple de l'absorption du sodium (Na) : Passage de l'orbitale électronique 3s à 3p (absorption) : raie 589 nm.
L'émission atomique ou l'émission de flamme étudie les émissions de lumière par l'atome libre, son
énergie varie au cours d'un passage d'un de ses électrons d'une orbite électronique à une autre. On cherche
à observer le retour à l'état fondamental car l'atome est déjà excité, on n'a pas besoin de radiations.
Exemple du sodium (Na) : passage de l’orbitale électronique 3p à 3s (émission) : raie 589 nm.
On parle de photométrie de flamme dans le cas de l'émission, car il n'y a pas de radiations. Très souvent
il y a confusion lorsqu'on parle de spectrophotométrie d'absorption, or dans ce cas c'est forcément de
l'absorption.
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II)
Absorption et émission atomique
Théorie
A)
–
Principe de la SAA
Chauffer l'échantillon (liquide, solide, gaz) entre 2 000 et 3 000° kelvin
→ T° froide pour évaporer si c'est sous forme liquide ou amener l'atome à un gaz à l'état atomique, libre .
–
Faire traverser le nuage atomique par un faisceau lumineux
→ Mesure de l'absorption (domaine spectral : 190 -1 000nm et UV)
B)
Origine de l'absorption atomique
Loi de répartition de Maxwell et Boltzmann
Ne
Z
= g.exp[
]
N0
kT
–
N 0 : nombre d'atomes à l'état fondamental
–
N e : nombre d'atomes à l'état excité
–
g : rapport des poids statistiques des états 0 et e (nombre entier)
–
E : écart d'énergie entre deux populations des états 0 et e (en eV ; 1ev = 1,6.10-19) → dépend de l'atome :
on ne maîtrise pas cette valeur.
–
k : constante de Boltzmann ( 1,38.10
–
T : Température en K°, imposée
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J/K°)
Est ce qu'il y a des chances pour que ce métal soit observé facilement ou pas ?
Pour répondre à cette question on a l'équation de Boltzmann qui dit que :
On a besoin d'un atome libre, mais pas déjà excité : il faut un passage de l'état
fondamental à l'état excité.
→ AA implique une valeur de
→ Valeur de
Rapport de
N0 >
Ne
N e / N 0 la plus petite possible
N e / N 0 , pour quelques éléments à différentes températures :
Ne
E
= g.exp
N0
kT
N e / N 0 est d'autant plus petit que :
–
E est grand
→ Indépendant de nous mais dépendant des atomes.
→ On va plus facilement observer un élément à plus haute énergie et à basse température
ex : ENa < EZn → on observe plus de Zn en AA
–
La température est basse (parfois on doit quand même se mettre à des T° plus élevées et ça n'es pas grave
mais dans d'autres cas ça a une importance et on ne parle plus de « trace » (Na)).
→ atomes majoritairement à l'état fondamental
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III)
Absorption et émission atomique
Appareillage
Le schéma optique d'un appareil d'absorption atomique comporte 4 parties principales :
–
Source : première chose dont il faut disposer. Comme une lampe qui émet de la lumière dans tout l'UVvisible.
C’est compliqué lorsque l'on veut analyser un atome dans un échantillon. On a donc développé des lampes
particulières pour l'AA qui n'émettent pas dans toutes les longueurs d'ondes de l'UV-visible pour éviter les
artefacts. Pour cela il faut supposer connaître l'élément à analyser dans l'échantillon.
→ Lampe à cathode creuse : va permettre la production des raies de résonance spécifique de l’élément à
doser.
–
Dispositif d'atomisation
→ Flamme ou four : va permettre de porter l’élément à doser à l'état de gaz atomisé.
–
Système dispersif
→ Monochromateur : sélectionne la longueur d'onde analytique qui nous intéresse.
–
Ex : sodium 589
Détecteur
→ Photomultiplicateur : reçoit et amplifie le signal.
A)
La lampe à cathode creuse
Elle fait 20cm de long, est reliée au courant électrique et a une fenêtre de 3 à 5 cm d'ouverture. C'est un
appareillage métallique, l’ensemble est transparent : pyrex qui résiste à de très grandes températures.
Le bout de la fenêtre est en quartz car seul le quartz laisse passer les UV tandis que le et le plastique les arrêtent.
–
Lampe à décharge remplie d'argon ou de néon
–
Anode en zirconium ou en tungstène
–
Cathode constituée de l’élément à doser (Pb, Ca, Mg... ou alliage)
→ La source primaire produit une radiation lumineuse à la longueur d'onde caractéristique de l’élément à
doser (raie d'émission)
1ère remarque : Fenêtre de lampe : pyrex ou silice.
2ème remarque :
–
L'intensité lumineuse doit être élevée
–
La largeur spectrale doit être faible.
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Absorption et émission atomique
L'appareillage métallique est relié à l'anode et à la cathode. Un courant électrique de 600-700V traverse
l'enceinte hermétique ce qui accélère les e-.
Dans cette enceinte on trouve du néon (ou de l'argon), un e- très rapide qui frappe un atome de néon. Ainsi
on arrache 1 ou 2 e- à l'atome ce qui le rend positif. Ce cation néon est attiré par la cathode (-) = percussion.
Si dans cette cathode la fabricant a placé un alliage ou un élément (plomb, calcium...) : les atomes vont être
arrachés du métal fer et repoussés dans toutes les directions de l'espace. Ils vont avoir en même temps une énergie
cinétique et une énergie très élevée qui les amènent à un EE. Le retour à l'EF est une émission : il y a libération
d'un photo. On observe de l’émission atomique de l’élément que nous voulons doser dans les échantillons.
Si on met du plomb, le plomb va être arraché du creuset. Ses électrons seront à un état très élevé et vont restituer
cette énergie sous forme d'un photon. On observe alors l’émission atomique de l’élément que nous voulons doser
dans les échantillons.
→ Il y a autant de cathodes creuses qu'il y a d'éléments à doser : ces cathodes sont spécifiques selon
l'atome présent dans l'alliage percuté par le néon.
B)
Les dispositifs thermiques pour obtenir des gaz atomiques
1)
Le système nébuliseur-brûleur : atomisation par flamme
Si on a un liquide il faut l’amener à la forme d'un gaz, on utilise donc la nébulisation :
–
Alimentation d'un brûleur par un mélange combustible/comburant → gaz rencontre liquide = spray qui
entre dans la buse sous forme de pseudo-gaz puis va être chauffé.
–
Flamme froide s'étalant sur 10 cm de long et 1 mm de large : on va faire traverser le rayonnement dans la
longueur de la flamme pour avoir le plus d'interactions possibles avec les atomes qui se situent dans ces
10cm.
–
Axe optique aligné avec la grande dimension de la flamme (sensibilité)
–
L'échantillon en solution aqueuse est aspiré puis nébulisé dans le mélange gazeux alimentant la flamme.
–
Les éléments à doser se retrouvent à l'état atomique dans la flamme.
→ Il ne faut pas confondre le gaz nébuliseur et le gaz atomique : le gaz nébuliseur n'est pas chauffé.
→ FLAMME = ATOMISEUR
LA FLAMME
–
Sa température doit être supérieure à 2 000 K
–
Un carburant gazeux (acétylène, hydrogène, propane) + comburant gazeux (air, oxyde
nitreux, oxygène en mélange avec de l'azote ou de l'argon)
Inconvénient de la méthode d'atomisation par une flamme :
–
Faible rendement d'atomisation : 5 à 15% de l'échantillon ayant subi une nébulisation atteint la flamme
alors que le spray arrive bien dans la buse.
–
Effet de dilution de l'échantillon dans la flamme → faible concentration
–
0,5 à 1 mL d'échantillon aqueux sont nécessaires pour un signal suffisant
–
Échantillons visqueux (sang, sérum, huiles) inadaptés = problèmes de dosage → la dilution est obligatoire.
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2)
Absorption et émission atomique
Le four graphite : atomisation électrothermique
Ce dispositif moderne permet d’amener le gaz à 2000 - 4000K sans utiliser de flamme.
–
Dispositif sans flamme (pas de dilution) et sans nébuliseur (rendement de nébulisation nul)
–
Quantité précise d'échantillon solide (qq mg) ou liquide (1 à 100 µL) contrairement à la flamme
→ Déposée dans une nacelle à l’intérieur du four
–
Four chauffé par paliers par un courant électrique
→ Température de 2 000° C
–
Flux électromagnétique passe dans toute la longueur.
Courbe de programmation de la température en fonction du temps :
On constate que lorsqu'on commence à chauffer
l'échantillon le rayonnement électromagnétique n'est pas
absorbé : il est maximal. Lorsqu'il rencontre l'échantillon
il est absorbé. Il n'y a pas de variations à des T° faibles.
Quand on passe à des T° plus élevées on atomise le gaz
donc le rayonnement électromagnétique est absorbé.
1. Séchage (100°C) : élimination du solvant
2. Décomposition (400°C) : élimination partielle de la matrice
3. Atomisation (2 000°C) : dissociation des molécules → élément à l'état atomique.
4. Pyrolyse : nettoyage de la nacelle (2 300°C)
Si on veut quantifier la quantité d'échantillon on regarde la surface sous la courbe mais on va devoir faire
une calibration : on place dans la nacelle un élément étalon dont on connaît la concentration. Cela va nous donner
une surface de pic X puis avec une règle de trois on pourra trouver la concentration de l'inconnue.
Avantages de la méthode d'atomisation par un four graphite :
–
Très faibles volumes d'échantillon (jusqu'à 5 µL), pas de dilution
–
Peu de préparation d’échantillon : analyse directe de certains solides qui peuvent se sublimer
–
Meilleure sensibilité par rapport à l’absorption atomique de flamme (concentration 100 à 1000 fois plus
basses)
–
Précision (notion d'erreur quand on répète l'opération) accrue avec la présence d'un passeur automatique
d'échantillon, on répète la manipulation mais on n'aura pas les mêmes résultats et on va avoir un taux
d'erreurs.
Attention différence entre précision et exactitude !
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2016-2017
Absorption et émission atomique
Inconvénients de la méthode d'atomisation par un four graphite
–
Absorbance du fond généralement plus importante : accumulations de trace → changement de nacelle →
coût
–
Perte possible des analytes les plus volatils au moment de la minéralisation (arsenic, sélénium, mercure)
–
Atomisation de l'échantillon parfois incomplète → effet mémoire du four. Il y a des compromis : travail à
4000K quand on ne peut pas à 2000K mais dans ce cas le rapport Ne/N0 augmente.
IV)
Applications
–
Méthodes quantitatives dédiées à l'analyse de traces
–
Dosage de Ca ; Sr ; Zn dans les os → biopsie
–
Analyse des eaux
–
Analyse des médicaments contenant un métal (ex : Cis-Pt) → anticancéreux : complexe = métal +
molécule organique → dosage du métal et non de la forme organique pour doser le médicament
–
Analyses hospitalières (plasmas, urines)
V)
Conclusion - AA
A)
Avantages
–
Haute sensibilité = pour une petite variation de concentration on observe une grande variation de signal,
grande spécificité = distinction dans un mélange (cathode creuse spécifique), rapidité
–
Faible quantité de substance
–
Facilité de préparation des solutions
–
Étalons
B)
Inconvénients
–
Coût important
–
Nécessité d'utiliser pour chaque élément à doser une source caractéristique d'où développement d'alliages
avec plusieurs éléments
–
Technique d'analyse destructrice : on ne récupère pas l'échantillon après atomisation
–
Domaine d'application limité presque exclusivement aux métaux : Cu ; Zn ; Pb ; Cr ; Fe ; Cd
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