La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma: De l’échantillon au résultat 9782759820832

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Sous la direction de Fabien Pilon, Alexandre Labet, Karine Vielle, Olivier Vigneau, Guy Granier, Philippe Bienvenu, Jean-Michel Mermet

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES) : de l’échantillon au résultat

Ont contribué à cet ouvrage : Christelle Adam, Jeanine Amiel, Nadège Arnal, Régine Arnaud, Céline Augeray, Alexandre Bellefleur, André Beres, Philippe Bienvenu, Jean-Claude Birolleau, Jean-Marc Blanchard, Béatrice Boulet, David Bourgarit, Valérie Boyer-Deslys, René Brennetot, Véronique Broudic, Virginie Camilleri, Magali Celier, René Chevillotte, Nicole Delteil, Joël Faure, Pascal Fichet, Gilbert Fuchs, Guy Granier, Aline Klelifa, Alexandre Labet, Gilles Le Coq, Caroline Marques, Jean-Michel Mermet, Régis Michel, Benoît Mille, Hugues Paucot, Marine Pierre, Fabien Pilon, Cédric Rivier, Jean-François Tessier, Nathalie Vaissières, Karine Vielle, Olivier Vigneau. (Voir liste détaillée p. 305.)

Relecteurs scientifiques : Hugues Paucot (Formations & Conseil UT2A, docteur en Sciences de l’Université Libre de Bruxelles), Éric Ansoborlo (CEA Marcoule, docteur en Chimie Appliquée de l’École Centrale Paris).

Mise en forme du manuscrit : Astrid Emery (Graphiste / Assistante d’édition – Prestataire indépendante).

Illustration de couverture : Image d’un plasma d’argon issu d’un générateur radiofréquence (© CEA).

Imprimé en France

ISBN (papier) : 978-2-7598-2062-7 - ISBN (ebook) : 978-2-7598-2083-2 Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. © EDP Sciences 2017

Table des matières

Préface 25 Liste des abréviations, sigles et acronymes 27  Chapitre 1  • Introduction 31 1 Principes fondamentaux de l’ICP-OES 33 1.1 Excitation et relaxation 33 1.2 Domaine de longueurs d’onde 34 1.3 Identification des raies 34 1.4 Définition d’un plasma 35 1.5 Gaz plasmagène (ou de refroidissement) 35 1.6 Mécanisme d’excitation dans un plasma du type ICP 35 2 Instrumentation 36 2.1 Genèse du plasma 36 2.2 Torche et mode d’observation 37 2.3 Systèmes d’introduction des échantillons 39 2.4 Spectromètres 39 2.4.1 Réseaux 39 2.4.2 Spectromètres 40 2.5 Détecteurs 40 2.5.1 Tubes photomultiplicateurs 41 2.5.2 Détection multicanal 41

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3 Spectres observés 42 4 Mesures et interférences 43 4.1 Mesures 43 4.2 Description des interférences 43 4.2.1 Les interférences non-spectrales 43 4.2.2 Résolution des interférences non-spectrales 44 4.2.3 Les interférences spectrales 44 4.2.4 Résolution des interférences spectrales 45 5 Cahier des charges 46 6 Plan du livre 47  Chapitre 2  • Définitions 49 1 Introduction 49 2 Matériau 50 2.1 Matrice et analyte 50 2.2 Vocabulaire associé aux concentrations des analytes 50 2.3 Échantillonnage 50 2.4 Échantillon 51 2.5 Prise d’essai 51 3 Processus de mesure 51 3.1 Mesurage 52 3.2 Mesurande & grandeur 52 3.3 Indication 52 3.4 Méthode & procédure 52 3.5 Résultat 53 3.6 Validation de la méthode de mesure 54 4 Procédure de mesure 54 4.1 Préparation des blancs 54 4.1.1 Blanc de matrice 54 4.1.2 Blanc de réactifs 55 4.1.3 Blanc instrumental 55 4.1.4 Blanc de méthode 55 4.2 Étalonnage 55 4.2.1 Définitions 55 4.2.2 Solution d’étalonnage 56 4.2.3 Solution de vérification 56 4.2.4 Dérive instrumentale 56 4.3 Mesurage 56 4.3.1 Signal (brut, net, stabilité) 56

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4.3.2 Bruit 57 4.3.3 Correction de fond 57 4.3.4 Rapport signal sur bruit 58 4.3.5 Rapport signal sur fond 58 4.3.6 Répliques 58 4.3.7 Résolution spectrale et pouvoir de résolution 58 4.4 Résultat 58 4.4.1 Valeur d’une grandeur 58 4.4.2 Valeur vraie 59 4.4.3 Valeur de référence 59 5 Qualités analytiques 59 5.1 Erreurs 59 5.2 Exactitude 60 5.3 Justesse 61 5.4 Fidélité 61 5.5 Conditions de répétabilité 61 5.6 Répétabilité de mesure 61 5.7 Conditions de fidélité intermédiaire 61 5.8 Fidélité intermédiaire de mesure 62 5.9 Conditions de reproductibilité 62 5.10 Reproductibilité de mesure 62 5.11 Incertitude de mesure 62 5.12 Limite de détection 63 5.13 Limite de quantification 63 5.14 Linéarité 63 5.15 Robustesse 63 5.16 Sensibilité 64 5.17 Sélectivité 64 5.18 Traçabilité métrologique 64  Chapitre 3   • Gestion des échantillons au laboratoire 65 1 Introduction 65 2 Gestion administrative 65 2.1 De la réception des échantillons à l’émission des résultats 65 2.2 Exigences normatives 67 2.3 Exemple de procédure 67 3 Gestion physique 71 3.1 Choix du conditionnement 71 3.2 Précautions de stockage 71

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3.2.1 Causes d’instabilité 72 3.2.2 Parades possibles 73 3.3 Exemple de procédure 73  Chapitre 4   • Préparation et traitement des échantillons avant analyse 83 1 Introduction 83 2 Contraintes et précautions à prendre 86 3 La transformation solide – liquide 87 3.1 Les réactifs 87 3.1.1 L’eau 87 3.1.2 Les acides 87 3.1.3 Les fondants 88 3.1.4 Les solvants organiques 88 3.2 L’attaque acide 89 3.2.1 Principe 89 3.2.2 Spécificités des acides et de leurs mélanges 90 3.2.3 Le matériel associé 93 3.2.4 Des étapes préliminaires possibles : la fusion alcaline, le frittage, la calcination 94 3.2.5 Exemples de préparation avec attaque acide 96 4 L’extraction liquide – liquide 100 5 La transformation liquide – gaz 101  Chapitre 5   • Qualification et suivi de l’appareillage 103 1 Principe général des tests de qualification 104 2 Qualification de l’installation 105 2.1 Temps de stabilisation 106 2.1.1 Procédure 106 2.1.2 Résultats 106 2.2 Stabilité à long terme 107 2.2.1 Procédure 107 2.2.2 Résultats 107 2.3 Transfert d’énergie 108 2.3.1 Procédure 109 2.3.2 Résultats 109 2.4 Sensibilité et répétabilité 110 2.4.1 Procédures 110 2.4.2 Résultats 110

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2.5 Limite de détection 111 2.5.1 Procédure 111 2.5.2 Résultats 112 3 Résolution 112 4 Temps de dépollution 113 5 Qualification opérationnelle 114 5.1 Tests de premier niveau 114 5.1.1 Performances de l’appareil 114 5.1.2 Propreté de l’appareil 115 5.2 Tests de deuxième niveau 115 5.2.1 Conditions énergétiques du plasma 116 5.2.2 Efficacité et répétabilité de la nébulisation 116 5.2.3 Résolution 117 5.2.4 Propreté de l’optique 117 5.2.5 Performances 117 5.3 Tests de troisième niveau 119 6 Qualification de performances 120 7 Conclusion 121  Chapitre 6   • Réglages instrumentaux et stratégie d’étalonnage 123 1 Les paramètres opératoires 123 1.1 Paramètres instrumentaux 124 1.1.1 Systèmes d’introduction 124 1.1.2 Les conditions de plasma 139 1.2 Paramètres d’acquisition et d’exploitation des signaux 145 1.2.1 Temps d’intégration 145 1.2.2 Nombre de répliques 148 1.2.3 Mode d’intégration (surface/hauteur) et nombre de points 151 1.2.4 Exploitation du signal (intensité brute/nette, correction de fond) 157 1.2.5 Sélection des raies et problématiques associées 158 2 Les paramètres liés à la prise en compte des effets de matrice 160 2.1 Notion de robustesse 161 2.2 Changement de la répartition spatiale de l’analyte 162 2.3 Robustesse et effet dépressif dans la zone d’observation 164 2.4 Tests pour vérifier un effet dépressif identique pour tous les analytes 164 2.5 Étalonnage interne 166 2.6 Conclusion 167

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3 Les paramètres associés à l’étalonnage 167 3.1 Rappels théoriques 168 3.1.1 Principe de l’étalonnage 168 3.1.2 Régression linéaire 168 3.1.3 Vérification de la linéarité 171 3.1.4 Observation des résidus 177 3.1.5 Incertitude sur la concentration 178 3.1.6 Pondération 187 3.1.7 Autres types de régression 192 3.1.8 Réétalonnage 199 3.2 Applications 201 3.2.1 Comparaison des mesures indépendantes et dépendantes 201 3.2.2 Influence de la pondération 202 3.2.3 Influence du nombre d’étalons 209 3.2.4 Phénomènes de courbure 211 3.2.5 Optimisation 218 3.3 Conclusion 220  Chapitre 7   • Exploitation des résultats 223 1 Évaluation de la justesse, de la fidélité et des incertitudes 223 1.1 Évaluation de la justesse 223 1.1.1 À partir de matériaux de référence 224 1.1.2 Sans matériau de référence 226 1.2 Évaluation de la fidélité 227 1.3 Évaluation de la reproductibilité 227 1.4 Évaluation des incertitudes 228 1.4.1 Introduction 228 1.4.2 Rappel des notions de base : estimation des incertitudes élargies 228 1.4.3 Incertitude liée à un pipetage 230 1.4.4 Incertitude liée à un ajustement de volume 232 1.4.5 Incertitude liée à une pesée 234 1.4.6 Application à une mesure en ICP-OES 235 1.4.7 Conclusion 237 2 Détermination des limites de détection et de quantification 237 2.1 Limite de détection 237 2.1.1 Signal 237 2.1.2 Bruit 239

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Table des matières

2.1.3 Courbe de Gauss 239 2.1.4 Signal et concentration minimale, méthode « 3sB » 241 2.2 Détermination de la limite de quantification 243 2.2.1 Limite de détermination dite « 10sB » 243 2.2.2 Limite de quantification fondée sur l’estimation de l’écart-type relatif du signal net 244 2.2.3 Limite de quantification fondée sur l’exactitude 246 2.2.4 Limite de quantification résultant de la procédure d’étalonnage 248 2.2.5 Démarche pour la détermination de la limite de quantification 250 2.3 Conclusion 254 3 Établissement du profil d’exactitude 255 3.1 Justesse 255 3.2 Fidélité 256 3.3 Profil d’exactitude 256 3.4 Évaluation de l’exactitude 257 3.4.1 Composants de la fidélité intermédiaire 257 3.4.2 Calcul des variances 257 3.4.3 Facteur d’élargissement ks 260 3.4.4 Incertitude sur le biais 261 3.4.5 Application aux limites de tolérance 262 3.4.6 Limites d’acceptabilité 263 3.4.7 Essais interlaboratoires 264 3.4.8 Détermination pratique du profil d’exactitude 265 3.5 Exemples de résultats intralaboratoires 266 3.5.1 Comportements typiques 266 3.5.2 Influence de la pondération de la droite d’étalonnage 266 3.5.3 Variabilité en fonction des laboratoires 268 3.5.4 Comparaison des limites de quantification 270 3.6 Conclusions 271  Chapitre 8   • Dossier de validation 273 1 Définition d’un dossier de validation 273 2 Exemple 275 3 Matériel 275 3.1 Appareillage 275 3.2 Réactifs et produits 276 3.2.1 Eau ultrapure 276

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3.2.2 Solutions étalons 276 3.2.3 Solution de vérification d’étalonnage 276 3.3 Conditions opératoires 277 4 Programme de validation 278 4.1 Plan d’étalonnage et plan de validation 278 4.2 Critères statistiques 279 5 Résultats 280 5.1 Sodium 280 5.1.1 Étude antérieure : détermination de la LQ par la norme XP T90-210 [93] 280 5.1.2 Construction du profil d’exactitude 280 5.2 Nickel 283 5.2.1 Étude antérieure : détermination de la LQ 283 5.2.2 Construction du profil d’exactitude 283 5.3 Autres éléments 285 6 Conclusion 288  Chapitre 9  • Conclusion 291 Bibliographie 293 Les coordinateurs 304 Les contributeurs 305

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Liste des tableaux

Tableau 1. – Références normatives pour la conservation des échantillons. 76 Tableau 2. – Recommandations pour le prélèvement et la conservation des échantillons. 77 Tableau 3. – Principales méthodes de transformation solide – liquide. 84 Tableau 4. – Types de matrices. 84 Tableau 5. – Types de préparations. 85 Tableau 6. – Exemples de concentrations maximales garanties en microgrammes par litre (ppb) pour un acide nitrique (65 % massiques) (certificats Merck™ - www.merckmillipore.com site consulté le 17/08/2016). 88 Tableau 7. – Caractéristiques de quelques solvants organiques. 89 Tableau 8. – Principales propriétés des acides minéraux. 90 Tableau 9. – Exemples de sels insolubles. 91 Tableau 10. – Exemples d’applications pour quelques fondants. 95 Tableau 11. – Exemples d’additifs pouvant être ajoutés aux fondants. 95 Tableau 12. – Raies d’émission sélectionnées pour les tests de qualification, longueurs d’ondes (nm) et types de raies (atomiques I ou ioniques II). 105 Tableau 13. – Paramètres mesurés et informations apportées. 105 Tableau 14. – Exemples de détermination des écarts-types relatifs pour la stabilité à long terme. 108 Tableau 15. – Exemples de rapport Mg II/Mg I. 109 Tableau 16. – Exemples de valeurs de RSD et de SBR. 111 Tableau 17. – Exemples de limites de détection obtenues. 112

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Tableau 18. – Exemple de suivi du signal en manganèse à 257,610 nm. 115 Tableau 19. – Exemple de spécifications pour les tests de deuxième niveau. 119 Tableau 20. – Paramètres de fonctionnement liés au plasma et au système d’introduction. 124 Tableau 21. – Caractéristiques des matériaux utilisés pour les systèmes d’introduction des échantillons. 125 Tableau 22. – Liste de nébuliseurs pneumatiques (BU : Burgener, CPI : CPI international, GE : Glass Expansion, HJY : Horiba Jobin-Yvon, ME : Meinhard®, PE : PerkinElmer®, PG : Precision Glassblowing, TSP : Texas Scientific Products). 127 Tableau 23. – Différentes chambres disponibles commercialement. (BU : Burgener, GE : Glass Expansion ; ESI : Elemental Scientific Incorporate ; ME : Meinhard® ; SA : Savillex). 130 Tableau 24. – Effet du débit de gainage sur les pentes des droites d’étalonnage pour différentes raies d’alcalins. 136 Tableau 25. – Occurrence du nombre de cas où on observe x points successifs du même côté de la moyenne. 149 Tableau 26. – Écarts-types obtenus en utilisant trois, cinq, dix, vingt et trente répliques sur un total de 200 données et en faisant glisser le calcul le long des 200 données. 149 Tableau 27. – Choix possible pour les couples de raies II et I. 161 Tableau 28. – Caractéristiques des raies de magnésium sélectionnées. 162 Tableau 29. – Température t (K), densité électronique ne (Nbre d’électrons.m–3) et rapport des intensités Mg II 280,270 nm/ Mg I 285,213 nm en supposant l’équilibre thermodynamique. 162 Tableau 30. – Sélection de raies pour tester les conditions de robustesse. 165 Tableau 31. – Différentes sommes des écarts et variances. 171 Tableau 32. – Concentration xi (mg.L–1), valeurs de l’intensité yi (moyenne de cinq répliques) pour six concentrations. Raie Rh II 233,477 nm sans correction de fond. 172 Tableau 33. – Valeurs du coefficient de corrélation calculées en appliquant des écarts de +10, +20 et +30 % aux valeurs expérimentales d’intensités données dans le tableau 32. 173 Tableau 34. – Concentrations xi (mg.L–1), valeurs de l’intensité yi (moyenne de cinq répliques) pour huit concentrations. Raie Rh II 233,477 nm sans correction de fond. 174 Tableau 35. – Différentes sommes des écarts, variances et tests F. 175 Tableau 36. – Exemple d’application. 176 Tableau 37. – Sommes des carrés des écarts (SC) et variances déduites des tableaux 35 et 36. 176

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Liste des tableaux

Tableau 38. – Influence de la dispersion des points expérimentaux, exprimée en écart-type relatif (% RSD), sur la valeur du test F1. 177 Tableau 39. – Valeurs du coefficient t (1 – a/2) pour différents pourcentages de confiance 100(1 – a) % et degrés de liberté dl. 184 Tableau 40. – Concentrations xi (mg.L–1), valeurs de l’intensité yi (cinq répliques) et valeurs de l’intensité calculée yc pour différentes combinaisons de concentrations (huit, quatre et trois étalons). Raie Rh II 233,477 nm sans correction de fond. 185 Tableau 41. – Concentrations xi (mg.L–1), valeurs de l’intensité yi (cinq répliques) et de l’intensité calculée yc. 186 Tableau 42. – Simulation d’un étalonnage à trois points équidistants. 189 Tableau 43. – Résultats obtenus avec différentes pondérations en comparaison avec une régression non pondérée : intensité calculée yc, résidus absolus, et résidus relatifs en 1/yc et en 1/yc2 dans le cas d’une régression pondérée en 1/s2. 189 Tableau 44. – Données expérimentales. 193 Tableau 45. – Valeurs retournées par Microsoft Excel en utilisant la fonction DROITEREG. 196 Tableau 46. – Comparaison des incertitudes sur la pente et l’ordonnée à l’origine entre deux droites d’étalonnage utilisant les mêmes concentrations, en vérifiant que 1 et 0 sont contenus respectivement dans les incertitudes sur la pente et sur l’ordonnée à l’origine. 199 Tableau 47. – Comparaison des incertitudes sur la pente et l’ordonnée à l’origine entre trois droites d’étalonnage utilisant les mêmes concentrations, en vérifiant que 1 et 0 sont contenus respectivement dans les incertitudes sur la pente et sur l’ordonnée à l’origine et en vérifiant que les incertitudes sont incluses dans l’ellipse de confiance. 200 Tableau 48. – Concentrations (mg.L–1) et intensités (Ba 455,403 nm) résultant de trois étalonnages indépendants. 201 Tableau 49. – Concentrations (mg.L–1) et intensités (Ba 455,403 nm) des cinq répliques correspondant à la série 1 du tableau 48. 202 Tableau 50. – Concentrations (mg.L–1) et intensités (Al 396,152 nm). 202 Tableau 51. – Intensités moyennes calculées à partir des données du tableau 50, écarts-types expérimentaux relatifs et absolus, et écarts-types recalculés en étant proportionnels à Yi,m. 203 Tableau 52. – Paramètres des différentes pondérations et comparaison avec une régression non pondérée. 204 Tableau 53. – Concentrations retournées pour une intensité de 18 430 c.s–1 correspondant à une concentration cible de 1 mg.L–1 et incertitudes associées. 205

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Tableau 54. – Concentrations retournées pour une intensité de 922,2 c.s–1 correspondant à une concentration cible de 0,05 mg.L–1 et incertitudes associées. 205 Tableau 55. – Concentrations retournées pour une intensité de 367 c.s–1 et une concentration cible de 0,02 mg.L–1 et les incertitudes associées. Haut : toutes les concentrations entre 0 et 5 mg.L–1 ont été utilisées. Bas : seules les concentrations entre 0 et 0,1 mg.L–1 ont été conservées. 206 Tableau 56. – Concentrations (mg.L–1) et intensités (Fe 259,940 nm). 207 Tableau 57. – Concentrations retournées pour une intensité de 172 264 c.s–1 correspondant à une concentration cible de 3 mg.L–1, pour une intensité de 618 c.s–1 correspondant à une cible de 0,01 mg.L–1 et les incertitudes associées. Bas : seules les concentrations entre 0 et 0,065 mg.L–1 ont été conservées. 208 Tableau 58. – Concentrations (mg.L–1) et intensités (Mg 280,270 nm). 209 Tableau 59. – Influence du nombre d’étalons sur les incertitudes (données du tableau 58). 210 Tableau 60. – Concentrations x (mg.L–1) et intensités yi (c.s–1) correspondantes (Mg I 285,213 nm). 211 Tableau 61. – Paramètres des différentes pondérations, y compris une régression quadratique, et comparaison avec une régression non pondérée à partir des données du tableau 60. 212 Tableau 62. – Concentrations retournées pour une intensité de 432 920 c.s–1 et une concentration cible de 75 mg.L–1. 213 Tableau 63. – Concentrations retournées pour une intensité de 3 056 c.s–1 et une concentration cible de 0,5 mg.L–1. 214 Tableau 64. – Concentrations x (mg.L–1) et intensités yi (c.s–1) correspondantes (Na 589,592 nm). 215 Tableau 65. – Paramètres des différentes pondérations, y compris une régression quadratique, et comparaison avec une régression non pondérée à partir des données du tableau 64. 216 Tableau 66. – Concentrations retournées pour différentes intensités et pour des concentrations cibles de 3, 0,1 et 0,03 mg.L–1. 217 Tableau 67. – Résultats en conservant les concentrations 0, 0,01, 0,065 et 0,1 mg.L–1. 217 Tableau 68. – Concentrations x (mg.L–1) et intensités yi (c.s–1) correspondantes (Ni 216,555 nm). 218 Tableau 69. – Concentrations et incertitudes retournées pour l’intensité 1 556 c.s–1. 219 Tableau 70. – Concentrations et incertitudes retournées pour une intensité de 1 556 c.s–1, en supprimant le blanc et les deux points hauts. 220

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Liste des tableaux

Tableau 71. – Calculs des écarts normalisés pour les concentrations en aluminium et silicium (% massique) dans un matériau de référence correspondant à un sol. Les incertitudes sont données pour k égal à 2. 226 Tableau 72. – Comparaison des teneurs en éléments toxiques (en parties par million) mesurées en ICP-OES et ICP-MS dans un échantillon de boue, après mise en solution. Les incertitudes sont données pour k égal à 2. 227 Tableau 73. – Tolérances maximales en écart à la justesse et écart-type relatif. 230 Tableau 74. – Moyenne et écart-type des mesures. 231 Tableau 75. – Calculs des incertitudes-types du pipetage. 231 Tableau 76. – Incertitude-type sur le pipetage. 232 Tableau 77. – Écart à la justesse et écart-type relatif pour tubes de volume de 15 et 50 mL. 232 Tableau 78. – Moyenne et écart-type. 233 Tableau 79. – Calculs des incertitudes-types liées à l’ajustement à volume dans des tubes. 233 Tableau 80. – Incertitude-type absolue sur l’ajustement du volume. 234 Tableau 81. – Valeurs maximales des écarts à la justesse et écarts-types relatifs. 234 Tableau 82. – Moyenne et écart-type des vérifications de la balance. 234 Tableau 83. – Calculs des incertitudes-types pour une pesée. 235 Tableau 84. – Pourcentage a unilatéral au-delà de k fois le nombre d’écarts-types. 240 Tableau 85. – Pourcentage de valeurs communes dans le cas du recouvrement partiel de deux distributions gaussiennes en fonction du nombre k fois l’écart-type entre les moyennes des deux distributions. 241 Tableau 86. – Paramètres pour les bandes de confiance et de prédiction, et conséquence sur la LQbande. Les valeurs se calculent à partir des « données traitées conc., signal », figure 103. 253 Tableau 87. – Calcul de LQincert. 254 Tableau 88. – Exemple de calcul des sommes des carrés des écarts (déterminations en mg.L–1). 259 Tableau 89. – Calcul des différentes variances et écarts-types. 259 Tableau 90. – Calcul du coefficient kS. 260 Tableau 91. – Calcul des biais absolus et en pourcentage, et des pourcentages de récupération affectés ± de la fidélité intermédiaire. 262 Tableau 92. – Correspondance des terminologies entre essais intralaboratoires et interlaboratoires. 264 Tableau 93. – Nombre de laboratoires et éléments retenus dans chaque circuit EQRAIN. 265

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Tableau 94. – Bore : comparaison des limites de quantification (μg.L–1) obtenues par les trois méthodes (profil d’exactitude, incertitude due à l’étalonnage et bandes de prédiction). 271 Tableau 95. – Composition des solutions étalons. 276 Tableau 96. – Longueurs d’onde des raies utilisées. 277 Tableau 97. – Plan d’expériences du programme de validation. 278 Tableau 98. – Résultats des séries de mesure pour le sodium. 280 Tableau 99. – Analyse des écarts-types et des variances des séries de mesure (sodium). 281 Tableau 100. – Construction du profil d’exactitude du sodium avec b égal à 90 %. 282 Tableau 101. – Résultats des séries de mesures pour le nickel. 283 Tableau 102. – Analyse des écarts-types et des variances des séries de mesures (nickel). 284 Tableau 103. – Construction du profil d’exactitude du nickel (b égal à 90 %). 285 Tableau 104. – Biais et incertitudes sur la mesure pour les différents polluants et leur limite de quantification validée. 287 Tableau 105. – Comparaison des LQ validées par la norme XP T90-210 et par le profil d’exactitude. 289

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Figure 1. – Schéma de principe d’un ICP-OES. 37 Figure 2. – Domaine de fonctionnement des techniques ICP-OES, ICP-MS et AAS. 42 Figure 3. – Domaine des teneurs en éléments dans un échantillon liquide. 50 Figure 4. – Schéma conceptuel d’un processus de mesure. 51 Figure 5. – Représentation du signal. 57 Figure 6. – L’erreur de mesure. 60 Figure 7. – Circuit d’une DTA et de l’échantillon avant mesure. 69 Figure 8. – Vie de l’échantillon au laboratoire. 75 Figure 9. – Synopsis de réalisation des mesures. 78 Figure 10. – Contraintes de préparation d’un échantillon. 86 Figure 11. – Synoptique de préparation d’échantillons d’eaux douces et résiduaires. 100 Figure 12. – Exemple de détermination du temps de stabilisation (environ une heure). Longueurs d’onde en nanomètres ; intensités normalisées par rapport à la valeur moyenne. 107 Figure 13. – Exemple d’exploitation graphique pour la stabilité à long terme. Longueurs d’onde en nanomètres ; intensités normalisées par rapport à la valeur moyenne. 108 Figure 14. – Exemple de détermination graphique de la résolution du Ba 233,527 nm. 113

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Figure 15. – Exemple de détermination des temps de dépollution en aluminium, bore et silicium. Les valeurs obtenues sont de trois minutes pour l’aluminium et le silicium et de près d’une heure pour le bore. Longueurs d’onde en nanomètres. 114 Figure 16. – Exemple de suivi du transfert d’énergie. 118 Figure 17. – Exemple de suivi de l’efficacité de nébulisation. 118 Figure 18. – Exemple de suivi de la propreté du système optique. 119 Figure 19. – Variation de l’intensité mesurée sur la raie Zn 206,200 nm en fonction du temps et des valeurs de température relevées dans le laboratoire. Longueur d’onde en nanomètres. 120 Figure 20. – Comparaison entre les concentrations théoriques du fer et celles mesurées dans une solution référence (Spex™ CLMS-2). 121 Figure 21. – Les cinq types de nébuliseurs. 126 Figure 22. – Différents types de chambres. 129 Figure 23. – Signal en fonction du débit de solution pour trois types de nébuliseurs : concentrique, en V et à flux croisés (FC) (PE : PerkinElmer). 131 Figure 24. – Influence du débit de solution : intensité du signal entre 10 et 1 000 µL.min–1. 131 Figure 25. – Influence du débit de gaz de nébulisation sur le signal net S, le fond B et le rapport signal sur fond SBR (Ni II 231,604 nm). 133 Figure 26. – Influence du débit de gaz de nébulisation sur le rapport SBR pour deux raies d’énergie très différentes, Ba II 455,403 nm (7,93 eV) et Zn II 206,200 nm (15,40 eV) et sur le rapport Mg II/Mg I. 133 Figure 27. – Schéma d’un système de gaz de gainage à la sortie de la chambre de nébulisation. 134 Figure 28. – Influence du débit de gainage sur le rapport Mg II/Mg I. 134 Figure 29. – Influence du débit de gainage sur l’émission du sodium et du potassium. 135 Figure 30. – Influence du débit de gainage sur l’émission de Li I 670,783 nm (1,85 eV) et 610,365 nm (3,88 eV). 135 Figure 31. – Influence du débit de gainage sur l’émission de Ba 455,403 nm (faible énergie) et de Zn 206,200 nm (énergie élevée). 136 Figure 32. – Temps d’équilibrage lors du passage d’une solution d’acide nitrique de 0,9 M à 3,6 M et inversement. 137 Figure 33. – Comparaison du temps de rinçage avec une vitesse de pompe standard (PV) et une vitesse accélérée (GV). 138 Figure 34. – Comparaison des temps de rinçage entre le manganèse (courbe du bas) et le bore (courbe du haut), chambre cyclonique. 138

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Figure 35. – Test de dépollution. Détermination de la concentration en uranium dans un blanc après injection d’une solution à 1 g.L–1 (nébuliseur Meinhard A associé à une chambre cyclonique). 139 Figure 36. – Comportement des raies Ba II 455,403 nm, Zn II 206,200 nm et Ar I 420,067 nm en fonction du temps. 140 Figure 37. – Comportement sinusoïdal de la raie Zn II 206,200 nm. 141 Figure 38. – Évolution du rapport Mg II/Mg I en fonction du débit de nébulisation et de la puissance. 142 Figure 39. – Influence du débit de gaz de nébulisation et de la puissance sur Pb II 220,353 nm (mode axial). 142 Figure 40. – Influence du débit de gaz de nébulisation et de la puissance sur le signal (mode axial). 143 Figure 41. – Effet du gaz auxiliaire sur la base du plasma. 144 Figure 42. – Exemples d’effets du diamètre interne de l’injecteur et du débit de nébulisation : a. sur le rapport Mg II/Mg I ; b. sur le rapport signal sur fond. 144 Figure 43. – % RSD expérimental pour deux raies, une sensible, Mg II 280,270 nm, et l’autre peu sensible, Mg II 279,078 nm, en fonction du temps d’intégration. Les échelles sont logarithmiques. 146 Figure 44. – RSDB du fond vers 220 nm pour plusieurs instruments. Les échelles sont logarithmiques. 147 Figure 45. – Comparaison du RSDB du fond vers 230 nm et 460 nm. Les échelles sont logarithmiques. 147 Figure 46. – 200 mesurages successifs de la raie Ar 404,442 nm. 148 Figure 47. – Différentes possibilités de valeurs successives. 148 Figure 48. – Évolution de la détermination de l’écart-type en prenant soit trois mesures successives (carrés), soit dix mesures successives (cercles). Les courbes sont obtenues par glissement : mesures 1, 2, 3 puis 2, 3, 4, etc. pour trois mesures. De même pour dix mesures. 150 Figure 49. – Rapport des écarts-types maximal et minimal en utilisant trois, cinq, dix, vingt et trente répliques sur plusieurs installations. 150 Figure 50. – Évolution de la valeur de l’écart-type en fonction du nombre de mesures successives pris en considération. L’écart-type obtenu pour 200 mesures est représenté sur la figure par les tiretés. 151 Figure 51. – Principe de recherche de l’intensité maximale avec un tube photomultiplicateur. 152 Figure 52. – Comparaison entre un profil théorique gaussien et une régression gaussienne sur des données affectées d’un bruit. 153 Figure 53. – Comparaison entre un profil théorique gaussien et des régressions gaussienne ou polynomiale de degré 4 sur des données affectées d’un bruit en zoomant sur la partie supérieure du profil. 153

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La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Figure 54. – Phénomène de pixellisation par moyennage de l’intensité à l’intérieur de chaque pixel. 154 Figure 55. – Positionnement des pixels par rapport aux raies avec un cas où trois pixels couvrent le profil. Raie à gauche : pixel centré sur le sommet, raie à droite : sommet à cheval sur deux pixels. 155 Figure 56. – Cas où un pixel est centré sur le sommet de la raie, avec obtention d’une symétrie, à gauche, comparé au cas où le pixel le plus intense est décentré de 40 % par rapport au sommet de la raie avec obtention d’une dissymétrie, à droite (six à sept pixels utiles). 155 Figure 57. – Cas où le pixel le plus intense est décentré par rapport au sommet de la raie (décalage de 40 %), avec obtention d’une dissymétrie (quatorze pixels utiles). 156 Figure 58. – Influence du nombre de pixels sur l’intégration du signal. 156 Figure 59. – Différentes possibilités d’estimer la valeur du fond au niveau du sommet de la longueur d’onde. 157 Figure 60. – Correction de fond erronée due à une structure sous la raie. 158 Figure 61. – Séparation des raies Cd 228,802 nm et As 228,812 nm avec une résolution pratique de 5 pm. 159 Figure 62. – Différentes étapes où peuvent se produire des effets de matrice. 160 Figure 63. – Répartition spatiale de l’intensité d’un analyte avec et sans matrice. 163 Figure 64. – Répartition spatiale de l’intensité d’un analyte avec et sans matrice. Illustration de l’effet par le rapport des signaux avec et sans matrice. Le point neutre correspond à l’absence de changement. 163 Figure 65. – Comparaison des conditions de robustesse. Les conditions non robustes conduisent à la présence d’un point neutre au-dessus des spires et donc à une augmentation du signal, et des conditions robustes conduisent au point neutre dans les spires et donc à un effet dépressif. 164 Figure 66. – Rapport des intensités des raies avec et sans matrice (calcium). La raie Mn II 293,305 nm proposée comme candidate à l’étalonnage interne. Conditions robustes (Mg II/Mg I égal à 8) et non robustes (Mg II/Mg I égal à 4). 166 Figure 67. – Étalonnage interne fondé sur l’utilisation de la raie Mn II 293,305 nm sous des conditions robustes (cercles) et non robustes (carrés). La coupure entre les raies I et II se trouve à 7,72 eV. 167 Figure 68. – Régression et erreur e. 169 Figure 69. – Représentation graphique du BEC (background equivalent concentration). 171 Figure 70. – Exemple de distribution aléatoire des résidus (carrés) autour de zéro. 178

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Figure 71. – Exemple de distribution des résidus (carrés) montrant une courbure. 178 Figure 72. – Droites représentant l’incertitude sur la pente. 179 Figure 73. – Représentation des intervalles de confiance. 181 Figure 74. – Intervalles de confiance et de prédiction. 181 Figure 75. – Intervalle d’incertitude sur une concentration xu à partir d’une intensité expérimentale. 182 Figure 76. – Concentration et incertitudes dans le cas de la méthode des ajouts dosés. 187 Figure 77. – Écarts-types absolus en fonction des différentes pondérations. 190 Figure 78. – Écarts-types relatifs en fonction des différentes pondérations. 190 Figure 79. – Bandes de confiance en régression pondérée et non pondérée. 191 Figure 80. – Comparaison des pourcentages d’incertitude obtenus avec et sans pondération. 191 Figure 81. – Variation de la fonction t · su dans le domaine de concentration 1-100. 197 Figure 82. – Intervalles de confiance au voisinage de la concentration 50 et interpolation linéaire de l’incertitude. 197 Figure 83. – Ellipse de confiance des deux paramètres b0 et b1. 200 Figure 84. – Comparaison des incertitudes dans le domaine 0,001-100 mg.L–1, fondée sur les données du tableau 50. 206 Figure 85. – Résidus en fonction des différentes régressions (tableau 61). 213 Figure 86. – Courbe d’étalonnage pour Na 589,592 nm. 214 Figure 87. – Résidus en fonction des différentes régressions (tableau 65). 215 Figure 88. – Résidus en fonction des différentes régressions (tableau 68). 219 Figure 89. – Représentation temporelle du signal brut de l’analyte X, du fond B, du signal net de l’analyte S = X – B, et des bruits (crête-à-crête) NS du signal et NB du fond. 238 Figure 90. – Profil d’une raie avec la contribution de l’intensité du fond Bpeak à la longueur d’onde de l’analyte, et du fond Boff-peak à côté du profil de la raie. 238 Figure 91. – Superposition partielle des courbes de distribution gaussiennes du fond B et du signal X de l’analyte, en fonction de l’écart k fois l’écart-type entre les moyennes du fond et du signal. 239 Figure 92. – Courbe de distribution de Gauss avec la tangente au point d’inflexion. 240 Figure 93. – Zone a au-delà d’un certain nombre d’écarts-types (courbe de distribution unilatérale). 240 Figure 94. – Signal brut minimum XL = B + 3sB pour détecter une valeur. 241 Figure 95. – Conversion signal-concentration entre le signal minimum XL et la limite de détection exprimée en concentration cL. 242

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Figure 96. – Évolution de la LQ déterminée selon la méthode « 10sB » (Ba II 455,403 nm) sur six mois. 244 Figure 97. – Représentation de la valeur du RSDnet en fonction de la concentration, avec échelles log-log et régression linéaire. La LD correspond à un RSDnet de 50 % et la LQ à 5 %. 246 Figure 98. – Détermination de la limite de quantification du cadmium (228,802 nm) suivant la norme NF T90-210. 247 Figure 99. – Représentation des différentes limites du profil d’exactitude, la limite de quantification, interception entre les limites de tolérance et d’acceptabilité, étant choisie du côté le plus pessimiste. 248 Figure 100. – Représentation de la limite de quantification « 10sB », de la limite LQbande due aux bandes de prédiction et de la limite LQincert due à l’incertitude relative. 249 Figure 101. – Représentation de la limite de quantification « 10sB », de la limite LQbande due aux bandes de prédiction et de la limite LQincert due à l’incertitude relative, dans le cas d’une régression pondérée (par exemple facteur de pondération 1/s2). 250 Figure 102. – Démarche dans l’estimation des différentes limites de quantification. 250 Figure 103. – Reproduction de la feuille de calcul. 251 Figure 104. – Reproduction graphique de la LQbande en régression non pondérée. 253 Figure 105. – Courbe de distribution gaussienne des résultats et comparaison de la moyenne expérimentale à la valeur de référence. 255 Figure 106. – Organigramme pour le calcul de ks · sR. 261 Figure 107. – Profil d’exactitude, limites de tolérance, limites d’acceptabilité et déduction de la limite de quantification. 263 Figure 108. – Mêmes données que la figure 107, mais avec des limites d’acceptabilité variables en fonction de la concentration. 263 Figure 109. – Exemple de feuille de calcul liée à l’étalonnage. 266 Figure 110. – Profils d’exactitude avec des limites d’acceptabilité de ± 20 % et un pourcentage de confiance b de 80 %. 267 Figure 111. – Profil d’exactitude du silicium avec des limites d’acceptabilité de ± 10 % et un pourcentage de confiance b de 80 %. Les concentrations ont été déterminées sans et avec pondération de l’étalonnage. 267 Figure 112. – Profils d’exactitude de l’aluminium obtenus par différents laboratoires avec des limites d’acceptabilité de ± 10 % et un pourcentage de confiance b de 80 %. 268 Figure 113. – Uranium : comparaison des limites de tolérance, supérieure ou inférieure, en sélectionnant la plus pessimiste, et d’une limite

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d’application à 30 % pour plusieurs instruments, y compris un instrument nucléarisé, ainsi que pour les circuits interlaboratoires EQRAIN. 269 Figure 114. – Comparaison des limites de tolérance du laboratoire D avec la raie U 263,553 entre une régression non pondérée (D) et une régression pondérée (D’). 269 Figure 115. – Plan d’étalonnage quotidien (a) et plan de validation (b). 279 Figure 116. – Profil d’exactitude du sodium (b égal à 90 %). 282 Figure 117. – Profil d’exactitude du nickel (b égal à 90 %). 285 Figure 118. – Profils d’exactitude pour quinze polluants (b égal à 90 %). 286

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Préface

Dans le cadre du CEA, la mission de la CETAMA (Commission d’ÉTAblissement des Méthodes d’Analyse) est d’être au service des laboratoires pour favoriser les échanges scientifiques et techniques et améliorer la qualité des résultats d’analyse. Elle dispose de plusieurs groupes de travail, dont le GT6 (spectrométrie d’émission et d’absorption atomique). Le rôle des groupes est l’organisation de réunions pour préparer la rédaction de méthodes, de projets de normes, de cahiers d’instrumentation et d’ouvrages de synthèse. De plus, il peut être proposé la réalisation, la certification et la commercialisation de matériaux de référence, ainsi que l’organisation et l’interprétation de circuits interlaboratoires (circuits EQRAIN) et la valorisation du retour d’expérience. Enfin la diffusion des informations scientifiques – journées techniques (sur la validation de méthode, l’échantillonnage, les détecteurs, l’analyse du nano au macro), publications, ouvrages de synthèse – est également une priorité. Dans le cadre du GT6, plus de trente laboratoires participent à ses activités, parmi lesquels on trouve des laboratoires du CEA, d’AREVA, de l’IRSN, d’EDF, d’ARKEMA et des Musées de France. S’il était nécessaire de démontrer l’intérêt et la pertinence d’une structure comme la CETAMA, et en particulier celle du GT6, le présent ouvrage en serait la preuve évidente. En effet, l’application des nombreuses normes ne peut être illustrée et explicitée que par des exemples variés fondés sur des instruments représentant le marché actuel de la spectrométrie atomique. La CETAMA, grâce à un personnel performant et motivé, est en effet l’outil idéal pour une telle implication. De plus, cela permet aussi de clarifier de nombreuses définitions ou approches comme la limite de quantification et l’exactitude, d’évaluer de nouvelles techniques comme le profil d’exactitude, et de critiquer certaines normes de façon constructive, comme celles traitant des tests de linéarité en étalonnage. La participation des laboratoires

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CETAMA à des congrès, en particulier à Spectr’Atom, permet une dissémination des résultats dont peuvent bénéficier d’autres laboratoires. Destiné à l’origine à un usage interne, il a semblé utile de diffuser plus largement ces travaux sous forme d’un livre. Cet ouvrage tente donc une synthèse entre une approche théorique des concepts nécessaires à l’analyse et à sa validation, et leur illustration par des démarches et exemples variés. Cette double démarche ne semble pas avoir d’équivalent à l’heure actuelle. Ce travail de longue haleine a été initié avec Philippe Bienvenu et Guy Granier, et soutenu par la présidente de la CETAMA Danièle Roudil. Je pense que sa lecture devrait être bénéfique et utile pour tous les utilisateurs de spectrométrie atomique. À titre personnel, j’ai eu grand plaisir à être impliqué dans ces activités. Il est toujours gratifiant de voir que des résultats de recherche peuvent être testés en grandeur réelle et validés par des laboratoires performants et réactifs. Des dialogues constructifs en découlent dont le bénéfice dépasse le cadre de la CETAMA. J’y ai également trouvé une ambiance de travail accueillante et ouverte où j’ai pu nouer de solides amitiés. Je suis donc très heureux que ce livre puisse voir le jour. Jean-Michel Mermet, Spectroscopy forever

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Liste des abréviations, sigles et acronymes

AAS AFNOR ASTM BE CCD CCQM CEI CETAMA CID CITAC COFRAC COMAR CMA CNRTL COT CTD CV

Atomic Absorption Spectrometry (Spectrométrie d’absorption atomique) Association Française de NORmalisation American Society for Testing and Materials Bordereau d’envoi Charge-Coupled Device (dispositif à transfert de charge) Comité consultatif pour la quantité de matière Commission électrotechnique internationale Commission d’établissement des méthodes d’analyse Charge Injection Device (dispositif à injection de charges) Cooperation on International Traceability in Analytical Chemistry (Coopération sur la traçabilité internationale en chimie analytique) Comité français d’accréditation Code d’indexation des matériaux de référence Concomitant Metal Analyser Centre national de ressources textuelles et lexicales Carbone organique total Charge-Transfer Device Coefficient de variation

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DBO DCO DTA EIL EMT EPA EQRAIN

Demande biochimique en oxygène Demande chimique en oxygène Demande de travaux d’analyse Essais interlaboratoires Écart maximal toléré Environmental Protection Agency Évaluation de la qualité des résultats d’analyse de l’industrie nucléaire ETV Electrothermal Vaporisation EURACHEM Focus for Analytical Chemistry in Europe FD Fascicule de documentation FTI Fiche de travail interne GD-AES Glow Discharge - Atomic Emission Spectrometry GD-MS Glow Discharge - Mass Spectrometry GUM Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure HDPE High-Density Polyethylene HDPP High Density Polypropylene HSS High Speed Steel ICP-AES Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry ICP-MS Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry ICP-OES Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry IEC Inter Element Correction (correction inter-éléments) IRMM Institute for Reference Materials and Measurements ISO International Organization for Standardization IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry LDPE Low Density Polyethylene LFL Long Flexible Life LIBS Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIMS Laboratory Information Management System MES Matières en suspension MRA Mutual Recognition Arrangement MRC Matériaux de référence certifiés NIST National Institute of Standards and Technology PCTFE Polychlorotrifluoroethylene PEEK Polyetheretherketone PET Polyethylene terephthalate PFA Perfluoroalkoxy alcane

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Liste des abréviations, sigles et acronymes

pH Potentiel hydrogène EI Énergie d’ionisation PI Polyimide PM Photomultiplicateur PP Polypropylene (poly(1-methylethylene)) PPS Polyphenylene sulfide PTFE Polytetrafluoroethylene PVC Polyvinyl chloride PVDF Polyvinylidene difluoride (poly-1,1-difluoroethene) QC Quality Control (contrôle de qualité) REP Réacteur à eau pressurisée RF Radiofréquence RSD Relative Standard Deviation (écart-type relatif ou coefficient de variation) SCD Segmented-array Charge-coupled Device SD Standard Deviation (écart-type) SBR Signal-to-Background Ratio SEE Spectrométrie d’émission à étincelles SNR Signal-to-Noise Ratio VIM Vocabulaire international de métrologie VIRM Virtual Institute for Reference Material XRF X-ray Fluorescence Spectrometry

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1 Introduction

La chimie analytique élémentaire a connu une importante évolution au cours des quatre dernières décennies du fait de développements instrumentaux majeurs. Beaucoup de techniques sont apparues et font désormais l’objet d’une acceptation très large pour l’analyse de routine au moyen de systèmes commerciaux. Parmi les plus usuelles figurent la spectrométrie d’émission optique et la spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-OES et ICP-MS), la spectrométrie d’absorption atomique (AAS) éventuellement associée à un four graphite pour l’atomisation, ou encore la spectrométrie de fluorescence X (XRF). D’autres, comme la spectrométrie d’émission de plasma créé par laser (LIBS), s’avèrent moins polyvalentes et sont plutôt destinées à des marchés de niche comme ceux de l’analyse en ligne, de l’analyse à distance ou de la cartographie. La décharge luminescente fait également l’objet d’un large consensus tant pour l’analyse élémentaire (GD-MS) que pour l’obtention de profils en profondeur (GD-AES), même si des techniques plus anciennes et comparables comme la spectrométrie d’émission à étincelles (SEE) continuent à être utilisées pour la caractérisation de métaux et d’alliages. Parmi cet ensemble de techniques, l’ICP-OES est l’une des plus largement déployées dans les laboratoires dédiés à l’analyse chimique élémentaire (Frayret et al., Techniques de l’Ingénieur [1] ; Moore [2]). De nombreuses années ont néanmoins été nécessaires pour qu’elle acquière sa pleine maturité. Fondamentalement, ces dispositifs analytiques sont constitués principalement de deux entités, une source de photons, en l’occurrence un plasma d’argon, autrement appelé ICP (pour Inductively Coupled Plasma), et un système dispersif des longueurs d’onde et de détection, l’AES ou OES (pour Atomic Emission Spectrometry ou Optical Emission Spectrometry). Cette dernière appellation est privilégiée par l’IUPAC (Butler, Laqua et al. [3]) pour éviter la confusion avec l’Auger Electron Spectroscopy.

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La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Historiquement, si l’on regarde ces deux entités essentielles, on s’aperçoit que l’une – l’OES – s’est développée beaucoup plus rapidement. C’est en effet dès le début du xixe siècle que la spectroscopie optique prend son essor grâce aux recherches sur l’astronomie physique (Le Gars [4, 5]). En comparaison, la spectrométrie de masse n’apparaît qu’au début du xxe siècle : avec Joseph John Thomson, qui en établit le principe en 1908 en mettant au point un appareil permettant de séparer les atomes par leur masse ; puis en 1922, avec Francis William Aston, qui reçoit le prix Nobel de chimie « pour sa découverte, au moyen de son spectrographe de masse, des isotopes d’un grand nombre d’éléments non radioactifs ». En 1814-1815, l’opticien Joseph Fraunhofer invente un appareillage associant le système fente/prisme à une lunette astronomique. Puis il introduit en 1821 le réseau plan qui donne un spectre où la déviation des rayons est proportionnelle à leur longueur d’onde ; cette innovation permettra ensuite la mesure absolue des longueurs d’onde (Saillard [6], p. 23). Il étudie différentes flammes avec ce système et sera le premier à diriger son appareil vers les corps célestes afin d’étudier le spectre solaire (raies dites de Fraunhofer), mais aussi la lumière de Vénus et de la Lune. Son dispositif sera utilisé jusqu’à la fin du xixe siècle (Salet [7], p. 23-24). Entre 1820 et 1840, c’est en Angleterre que la plupart des travaux sur la spectroscopie se poursuivent, avec David Brewster et John Herschel pour l’obtention d’une lumière homogène (« monochromatique »), mais aussi William Henry Fox Talbot qui, en 1826, énonce l’idée d’une caractérisation chimique fondée sur l’observation de spectres. Il écrit notamment qu’« un coup d’œil jeté sur le spectre prismatique d’une flamme pourrait suffire pour y indiquer la présence de substances qui autrement n’y auraient été découvertes qu’à l’aide d’une analyse chimique laborieuse » ; en 1836, le savant revient sur l’analyse spectrale des flammes et insiste sur l’importance de la mesure des positions des raies observées dans les spectres, qui pourrait venir « jeter un jour nouveau sur la chimie » (Delaunay [8], p. 465-466, 470). À la même époque, Charles Wheatstone réalise la première véritable étude des spectres métalliques obtenus dans un arc et une étincelle électriques en utilisant un spectroscope à prisme et un télescope muni d’une échelle oculaire. Pour le physicien, les différences entre les spectres obtenus « sont si évidentes que chaque métal peut se distinguer des autres à partir de l’apparence de son étincelle, et nous avons là un mode de distinction des corps métalliques bien meilleur que celui donné par un examen chimique, et qui peut dorénavant être employé à des fins utiles » (Saillard [6], p. 28). D’un point de vue instrumental, l’analyse des spectres électriques intègre les évolutions techniques de l’époque : après avoir été obtenue par une machine électrostatique (Wollaston, Fraunhofer), l’étincelle électrique est produite par une bobine d’induction (Wheatstone). En parallèle avec un condensateur, cette bobine d’induction donne une étincelle dite condensée. Grâce à ces innovations, « l’usage de l’étincelle électrique offre des ressources infinies pour l’expérimentation. En faisant varier la source d’électricité, la distance, la forme des électrodes, la pression du gaz, on modifie à son gré la température de l’étincelle, c’est-à-dire du gaz incandescent, et chaque modification apporte un changement dans le spectre » (Cazin [9], p. 37). En 1859, les travaux de Kirchhoff et Bunsen sur l’élucidation des raies du système solaire donnent naissance à l’astrophysique, en apportant un support théorique aux observations physico-chimiques des astres. Les deux savants découvrent peu de

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1. Introduction

temps après le césium et le rubidium en réalisant la spectroscopie d’une eau minérale. Quand Marie Curie découvre le radium en 1898, c’est encore la spectroscopie optique qui ouvre la voie grâce à une expérience conduite par Eugène Demarçay, qui observe une raie dans l’ultra-violet ne pouvant être attribuée à aucun élément connu. D’autre part, si l’on regarde l’autre constituant essentiel de la technique, inventer une méthode d’excitation performante et stable n’a pas été un défi facile. L’ICP ne se développe en effet qu’au milieu des années soixante, soit près d’un siècle et demi après l’OES. Les découvertes sur la création et la stabilisation de plasmas ICP à la pression atmosphérique (Babat [10] ; Reed [11]) vont être les précurseurs des applications analytiques de l’ICP que développent notamment Stan Greenfield, Richard Wendt et Velmer Fassel (Greenfield et al. [12] ; Wendt, Fassel [13] ; Scott et al. [14]). Très rapidement, la puissance et le formidable potentiel de cette technique s’imposent à la communauté scientifique, en France en particulier (Mermet, Trassy [15]), du fait de ses qualités qui la font ressembler à la méthode « idéale ». Depuis 1974, date de sa première commercialisation, les performances de la technique se sont énormément améliorées et l’ICP-OES est devenue un succès commercial. Depuis les années quatre-vingt-dix, les systèmes simultanés ont de plus apporté rapidité et compacité des appareillages, et donc largement contribué au très grand développement de la technique.

1 1.1

Principes fondamentaux de l’ICP-OES Excitation et relaxation

Chaque élément chimique possède un nombre donné d’électrons égal au nombre de protons, et chaque électron, suivant la théorie quantique, a une probabilité d’être situé sur une des couches et sous-couches des orbitales situées autour du noyau. Quand un atome absorbe de l’énergie, les électrons se déplacent vers des couches et sous-couches plus externes, c’est-à-dire vers des niveaux d’énergie plus élevée, appelés états excités. Cette théorie avait été introduite par Planck, qui a supposé que l’énergie électromagnétique était émise (ou absorbée) par valeurs discrètes, ce qui signifie que l’énergie est discontinue. À chaque niveau correspond donc une énergie. Ainsi, si une transition optique se produit entre deux états Em et Ek où Em > Ek, elle correspond à une fréquence n de la lumière donnée par : h ⋅ ν = Em − E k où h est la constante de Planck (h = 6,626 · 10–34 J.s = 3,336 · 10–11 cm–1.s) et n la fréquence. En spectrométrie d’émission atomique cependant, on relie généralement la différence énergétique à la longueur d’onde l par : λ=

c c⋅h et donc λ = ν Em − E k

où c est la vitesse de la lumière (c = 299 792 458 m.s–1).

33

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Quand l’énergie absorbée devient trop élevée, par exemple 5,98 eV pour l’aluminium, l’électron n’appartient plus à l’atome, et celui-ci est ionisé ; ceci correspond à l’énergie d’ionisation. L’association des différentes désexcitations, ou relaxations, produit un ensemble de raies, c’est-à-dire un spectre, qui est spécifique de l’élément. La raie de résonance correspond à la transition entre le premier niveau excité (niveau de résonance) et le niveau fondamental. Dans le cas de l’aluminium, par exemple, on observe 46 niveaux excités possibles pour l’atome en dessous de l’énergie d’ionisation, correspondant à 118 raies dans le domaine spectral allant de 176 à 1 000 nm, et 226 niveaux pour l’ion, correspondant à 318 raies dans le domaine allant de 160 à 1 000 nm. De façon pratique, pour une concentration en aluminium de 1 g.L–1, on observe expérimentalement environ 90 raies avec un plasma du type ICP. Ainsi, le spectre de l’aluminium s’avère relativement simple et toutes les transitions sont connues. Dans le cas de l’uranium, par contre, le nombre de raies possibles dépasse plusieurs dizaines de milliers et tous les niveaux d’énergie possibles ne sont pas encore identifiés. Si les conditions d’excitation le permettent, chaque élément aura ainsi la possibilité d’émettre un spectre spécifique. Dans une solution d’échantillon, caractérisée par la présence d’un grand nombre d’éléments à des concentrations pouvant aller, selon les cas, de plusieurs pourcents au nanogramme par litre, les spectres des différents éléments peuvent se mélanger, donnant ainsi naissance à une véritable forêt de raies.

1.2

Domaine de longueurs d’onde

Le domaine de longueurs d’onde de la spectrométrie d’émission couvre l’ultraviolet (UV), qui correspond aux longueurs d’onde inférieures à 380 nm, et le visible, allant de 380 à 780 nm. Dans le cas de la spectrométrie d’émission avec un plasma du type ICP, le domaine couvert avec les spectromètres et les détecteurs actuels s’étend en général de 160 à 782 nm. On trouve cependant quelques appareils qui permettent de l’étendre dans le bas UV, soit jusqu’à 120 nm, pour permettre l’observation de raies sensibles de certains éléments spécifiques comme le chlore, l’iode ou le brome, ainsi que vers l’infrarouge pour d’autres, qui peuvent alors atteindre 850 nm.

1.3

Identification des raies

Une raie est décrite par le symbole de l’élément, suivi de l’état d’ionisation en chiffres romains – I pour un atome, II pour un ion, III pour un ion ionisé deux fois – et par la longueur d’onde exprimée en nanomètres. On notera par exemple, Mg II 280,270 nm, la raie du magnésium issue d’un atome ionisé une fois et émise à la longueur d’onde de 280,270 nm. Dans ce cas, on parle généralement de raie ionique. Dans le cas d’une raie émise par un atome, on parle d’une raie atomique. Un atome excité est symbolisé par M* et un ion excité par M+*. On n’observe cependant pratiquement pas de raies III avec un plasma du type ICP, car l’énergie mise en œuvre n’est pas suffisante pour atteindre ces niveaux d’ionisation.

34

1. Introduction

1.4

Définition d’un plasma

Stricto sensu, un plasma est un gaz ionisé globalement électriquement neutre. Cette notion a été cependant étendue à tout gaz ionisé, même partiellement. Pour un plasma à l’équilibre thermodynamique, il existe un équilibre entre les populations de particules neutres (X), et chargées, c’est-à-dire les ions X+ et les électrons libres e– : X ↔ X + + e− Par ailleurs, on décrit le plasma comme étant le quatrième état de la matière après les phases solide, liquide et gazeuse. Un certain nombre de propriétés des gaz restent applicables, par exemple l’influence de la pression sur la densité de particules, mais d’autres, liées à la présence de particules chargées, sont beaucoup plus spécifiques comme par exemple la conductivité thermique ou la viscosité.

1.5

Gaz plasmagène (ou de refroidissement)

Le plasma va se comporter comme une source d’énergie pour dissocier, atomiser puis exciter et ioniser les atomes. Il est donc nécessaire de bénéficier d’une température élevée pour dissocier n’importe quel type de composé, même réfractaire, et de disposer d’une énergie d’ionisation importante pour pouvoir ioniser si possible tous les éléments de la classification périodique. Il faut également s’assurer d’un transfert efficace d’énergie entre le plasma et l’échantillon. Les propriétés d’un plasma produit par couplage inductif sont étroitement liées au choix du gaz plasmagène. À cet égard, les gaz rares sont de bons candidats, car peu perturbateurs : monoatomiques, ils émettent en effet un spectre simple constitué quasi uniquement de raies atomiques, et ne se combinent pas de façon stable avec les autres éléments. L’hélium est le gaz rare ayant l’énergie d’ionisation la plus élevée, 24,6 eV, mais il est relativement coûteux et difficile à mettre en œuvre. Le néon vient ensuite avec une énergie de 21,56 eV mais son coût est prohibitif. L’argon, avec une énergie de 15,76 eV, est un bon compromis entre son coût et ses propriétés. C’est le plus abondant des gaz rares, environ 1 % dans l’air, et constitue donc un résidu de la distillation de l’air. Son seul problème est une conductivité thermique très faible par rapport à l’hélium ou à des gaz moléculaires comme l’oxygène ou l’hydrogène. Pour assurer, malgré cette faible conductivité thermique, un bon transfert d’énergie entre le plasma d’argon et l’échantillon, il est nécessaire d’optimiser le temps de séjour des espèces dans le plasma.

1.6

Mécanisme d’excitation dans un plasma du type ICP

Le plasma se forme par ionisation des atomes d’argon sous l’effet des collisions avec des électrons accélérés par le champ haute fréquence : e − (HF) + Ar → Ar + + e − + e − où e– (HF) désigne les électrons accélérés par le champ haute fréquence.

35

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Plusieurs espèces de l’argon réagissent avec les éléments présents dans le plasma, mais une des principales réactions est le transfert de charge à partir de l’ion Ar+ : Ar + + M → M +* + Ar Cette réaction est très efficace si la somme de l’énergie d’ionisation Eion d’un élément M et de l’énergie Eexc nécessaire pour ensuite exciter l’ion M+ est inférieure ou voisine de l’énergie d’ionisation de l’argon, c’est-à-dire environ 16 eV. E ion (M) + E exc (M + ) ≤ 16 eV Lorsque cette condition est satisfaite pour une ou plusieurs raies ioniques, ces raies seront plus sensibles que les raies atomiques du même élément. Dans le cas contraire, ce sont les raies atomiques qui sont les plus sensibles. Un exemple classique est la raie Al II 167,080 nm. C’est la seule raie ionique répondant à la condition, avec Eion égale à 5,99 eV et Eexc égale à 7,42 eV, soit une somme de 13,41 eV inférieure à 16 eV, et c’est effectivement la raie la plus sensible pour l’aluminium en ICP-OES. Cependant, certains éléments constituent des cas particuliers. Ainsi, les raies les plus sensibles pour des éléments facilement ionisables comme les alcalins devraient être des raies II. En fait, si ces éléments s’ionisent facilement, l’excitation des raies II exige une énergie très élevée. Si on prend l’exemple du sodium, Eion est égale à 5,14 eV, mais l’énergie d’excitation de l’ion est de 36 eV. Le cas des alcalins est donc paradoxal. Dans les conditions normales du plasma, on n’observe pratiquement pas les raies atomiques car la majorité des atomes se trouve sous forme ionisée, et pas du tout les raies ioniques car leur potentiel d’excitation est trop élevé par rapport aux capacités d’excitation du plasma. Ces éléments sont donc très peu sensibles. On est alors obligé d’adopter des conditions spécifiques pour refroidir le plasma et favoriser l’émission des raies I. Il est évident que ces conditions ne s’appliquent qu’aux alcalins et non aux autres éléments, et nécessitent donc souvent une méthode dédiée.

2

Instrumentation

Le principe de l’ICP-OES peut être schématisé selon la figure 1.

2.1

Genèse du plasma

Dans le cas qui nous intéresse, le gaz rare est ionisé à l’aide d’électrons accélérés par un champ magnétique. Ces électrons sont créés préalablement par une décharge annexe et rentrent ensuite en collision avec les atomes du gaz rare, et les ionisent. Ce champ est fourni par un générateur au travers d’un inducteur, ce qui a conduit à l’appeler plasma induit par haute fréquence ou Inductively Coupled Plasma (ICP) (fig. 1).

36

1. Introduction

Plasma Lumière émise Générateur RF

Réseau de diffraction Fenêtre d’entrée Prisme

Bobine d’induction

Détecteur CCD

Torche

Système dispersif et détecteur Argon

Nébuliseur

Aérosol Chambre de nébulisation

Drain vers poubelle

Argon

Échantillon Pompe péristaltique

Figure 1 Schéma de principe d’un ICP-OES.

2.2

Torche et mode d’observation

Dans un ICP, le plasma est généré dans une torche située à l’intérieur de l’inducteur. Le rôle de la torche est de permettre la formation d’un plasma stable, d’isoler le plasma de la spire pour éviter un arc électrique, et de permettre l’introduction de l’échantillon. Elle doit être réalisée dans un matériau résistant à la température du bord du plasma (2 000 K), transparent pour le tube extérieur si l’on souhaite utiliser le mode d’observation radial, et être un isolant électrique. De plus, ses dimensions doivent être reproductibles pour obtenir des performances constantes d’une torche à l’autre. Le quartz est quasi le seul matériau répondant à ces critères. À titre anecdotique, on trouve également sur le marché des torches démontables où les tubes extérieurs sont en alumine et susceptibles de résister beaucoup mieux à l’acide fluorhydrique par exemple. La conception actuelle des torches (fig. 1) fait appel à trois tubes concentriques, un tube extérieur, un tube intermédiaire et le tube d’injection des échantillons ou injecteur. Pour créer un plasma stable, il faut une vitesse minimum pour l’argon plasmagène. Afin de limiter le débit, on introduit l’argon plasmagène entre les tubes extérieur et intermédiaire (fig. 1). La réduction de l’espace permettant la circulation du gaz, induite par la présence du tube intermédiaire a pour effet d’augmenter la vitesse du gaz pour un même débit. Cet espace est d’épaisseur actuellement inférieure à 1 mm, généralement aux alentours de 0,7-0,8 mm, conduisant à des débits de gaz plasmagène généralement compris entre 9 et 16 L.min–1.

37

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Divers modèles de torches sont actuellement proposés sur le marché, parmi lesquels les torches du type monobloc où les trois tubes en silice sont soudés d’usine, ou celles dont l’injecteur est amovible. À noter que dans ce cas, l’injecteur peut être réalisé dans un matériau réfractaire mais non transparent comme l’alumine, voire même en saphir. Si ces torches diffèrent par leur coût et leur facilité de maintenance, leurs caractéristiques n’influent pas sur les performances analytiques, à l’exception notable du diamètre intérieur de l’injecteur. En effet, l’injecteur se situe dans l’axe du plasma, car du fait de l’utilisation d’un champ haute fréquence, l’introduction est facilitée le long de l’axe du plasma par formation d’un canal virtuel. Ce canal confine ensuite l’échantillon le long de cet axe. Pour un débit de gaz de nébulisation donné servant à créer un aérosol à partir d’une solution et à le transporter, la vitesse à la sortie de l’injecteur – et donc à la base du plasma – dépend du diamètre de sortie de l’injecteur (voir chapitre 6). En principe, il suffit de deux débits de gaz pour alimenter une torche. Cependant, il est possible d’utiliser un débit de gaz dit auxiliaire entre le tube intermédiaire et l’injecteur afin de créer une surpression pour décoller la base du plasma. On évite ainsi une surchauffe éventuelle et une fusion du bout de l’injecteur, ainsi que le dépôt de carbone sur l’injecteur et le tube intermédiaire dans le cas de l’injection de solvants organiques (lesquels commencent généralement à se décomposer à la base du plasma). Le débit du gaz auxiliaire s’établit entre 0,5 et 2,25 L.min–1 (voir chapitre 6, § 1.1.2.5). Il est également possible sur certains types d’appareils de mettre en œuvre un gaz de gainage, destiné à entourer l’aérosol d’une gaine d’argon sec qui évite toute diffusion de l’aérosol vers les parois de l’injecteur (voir chapitre 6, § 1.1.1.5). En ce qui concerne l’observation du plasma, deux modes d’observation de l’émission spectrale des analytes sont possibles : le mode radial, c’est-à-dire perpendiculaire à l’axe du plasma, et axial, c’est-à-dire le long de cet axe. Le plasma y étant vertical, le mode radial est historiquement le plus ancien et nécessite seulement un ajustement de la hauteur d’observation pour optimiser la zone de mesure sur l’émission la plus intense des raies. Une des limitations de ce mode d’observation est liée au fait qu’à l’émission utile du canal central, de quelques millimètres de diamètre, se superpose le pourtour du plasma dont le diamètre est d’environ 16-18 mm. Or, l’émission due au plasma consiste essentiellement en un fond continu qui va détériorer le rapport signal sur fond. Dans le mode axial, la torche était historiquement horizontale, mais plusieurs appareils proposent aujourd’hui une observation axiale sur plasma vertical. Le canal central est directement observé et la contribution de la couronne extérieure du plasma dans le signal du fond est minimisée, ce qui améliore le rapport signal sur fond du spectre des analytes et, par conséquent, les limites de détection. En revanche, la zone située au-delà du plasma est généralement instable à cause de la chaleur des gaz et est également une zone de recombinaison des différentes espèces présentes dans le plasma avec l’air environnant. Il est donc nécessaire de l’éliminer lors de ce type d’observation. Pour cela, on peut par exemple utiliser un gaz de cisaillement (shear gas) perpendiculairement à la sortie de la torche, qui permet d’éliminer la zone de recombinaison de la pointe du plasma ; mais il est

38

1. Introduction

également possible d’utiliser un cône tronqué au travers duquel on envoie un gaz à contre-courant du plasma, qui rejette ainsi la zone tout autour de la pointe du plasma. Enfin, on peut utiliser un tube extérieur de la torche beaucoup plus long qu’habituellement, ce qui minimise la formation d’une zone de recombinaison avec l’air. Il existe plusieurs avantages à la vue axiale : la hauteur d’observation n’étant plus un paramètre ajustable, on observe donc généralement une amélioration du rapport signal sur fond et donc des limites de détection. En revanche, il est nécessaire d’avoir une interface dédiée pour rejeter la zone de recombinaison, et ce mode est peu adapté aux fortes concentrations et aux solvants organiques. De plus, le phénomène d’auto-absorption est plus marqué et il semble que l’on soit plus sensible aux effets de matrice. Enfin, la durée de vie de la torche peut s’en trouver réduite. C’est pourquoi les deux modes d’observation sont disponibles chez la plupart des constructeurs, parfois même sur le même instrument (double visée).

2.3

Systèmes d’introduction des échantillons

Le principe fondamental du système d’introduction consiste à injecter l’échantillon sous forme d’un aérosol liquide ou de fines particules solides directement au cœur du plasma via l’injecteur. Dans la plupart des cas cependant, l’échantillon liquide est transformé en un aérosol par un nébuliseur. Celui-ci introduit l’aérosol dans une chambre de nébulisation dont le rôle essentiel est de filtrer les gouttelettes de taille supérieure à 10 µm. En effet, bien que la température du plasma soit suffisamment élevée pour pouvoir volatiliser et atomiser n’importe quel type d’échantillon, il apparaît que la distribution granulométrique de l’échantillon doit se limiter à des tailles inférieures à 10 µm, sous peine d’encourir une déstabilisation, voire une extinction du plasma. De plus, les gouttes de taille supérieure ne seraient pas entièrement volatilisées. Il existe de très nombreux types de nébuliseurs et d’accessoires permettant d’amener l’échantillon dans le plasma. Les chambres de nébulisation peuvent également être de plusieurs types. Des descriptions exhaustives de ces dispositifs sont données au chapitre 6 (tableaux 22 et 23). Au final, la quantité d’échantillon issu du nébuliseur qui traversera effectivement la chambre jusqu’à l’injecteur ne représente que quelques pourcents du total.

2.4

Spectromètres

2.4.1

Réseaux

Dans le cas de la spectrométrie d’émission avec un plasma du type ICP, la dispersion de la lumière s’effectue à partir d’un réseau de diffraction. Celui-ci se caractérise par sa forme – plan ou concave –, son nombre de traits (n) par millimètre, sa largeur, son angle de miroitement (blaze) et la longueur d’onde correspondante, ainsi que la

39

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

longueur d’onde diffractée maximale lmax. La forme a une influence directe sur le schéma optique du système dispersif, et l’angle de diffraction sur le domaine utile de longueurs d’onde. En combinant forme et nombre de traits par millimètre, on distingue trois types de réseaux : le réseau plan à grand nombre de traits, typiquement supérieur à 1 800 traits par millimètre ; le réseau plan du type échelle, avec un nombre de traits inférieur à 100 par millimètre ; et le réseau concave avec également un nombre de traits supérieur à 1 800 par millimètre. Un réseau à grand nombre de traits par millimètre travaille dans le premier ou éventuellement le second ordre. En revanche, pour les réseaux échelle, les ordres (k) peuvent être élevés de sorte que le produit k · n reste du même ordre de grandeur.

2.4.2

Spectromètres

Un spectromètre est la combinaison d’un système dispersif qui isole une ou plusieurs fenêtres spectrales (ou bande passante) couvrant chacune quelques picomètres, afin d’isoler soit la partie centrale des raies, soit tout leur profil, et d’un détecteur qui transforme les photons en courant électrique pour mesurer l’intensité des raies. Les spectromètres sont classés en deux catégories : les monochromateurs et les polychromateurs. Un monochromateur est un spectromètre qui isole une seule fenêtre spectrale spécifique à un moment donné. Cette fenêtre peut être fixe, ou le monochromateur peut balayer de façon continue un domaine donné de longueur d’onde, ou encore le monochromateur peut se déplacer séquentiellement d’une fenêtre à une autre. Dans ce dernier cas, le monochromateur est appelé système séquentiel. Un polychromateur est un spectromètre qui isole simultanément plusieurs fenêtres spectrales spécifiques, ce nombre de fenêtres étant lié au type de détecteurs, tubes photomultiplicateurs (au maximum jusqu’à 40 fenêtres) ou à une détection multicanal (grand nombre de fenêtres, pouvant aller jusqu’à couvrir la quasi-totalité du domaine spectral). C’est pourquoi on l’appelle système simultané. Le réseau plan est essentiellement utilisé pour les monochromateurs. Le réseau échelle peut être utilisé également pour les monochromateurs mais l’est surtout pour les polychromateurs. Dans ce cas, du fait de la superposition des ordres qui rend difficile l’exploitation du spectre, une dispersion croisée est ajoutée (prisme ou second réseau) afin d’obtenir un spectre en deux dimensions, appelé échellogramme. Enfin le réseau concave n’est utilisé que dans les polychromateurs.

2.5

Détecteurs

On distingue deux types de détection : les détections monocanal et multicanal. Dans le premier cas, les détecteurs mesurent l’intensité d’une seule longueur d’onde à la fois, comme le tube photomultiplicateur (PM). Dans le second cas, ils mesurent l’intensité de plusieurs longueurs d’onde simultanément ou quasi simultanément, comme la barrette de photodiodes ou les dispositifs à transfert de charge.

40

1. Introduction

2.5.1

Tubes photomultiplicateurs

Un tube photomultiplicateur est constitué d’une enceinte sous vide (10–4 Pa) qui comprend une fenêtre d’entrée transparente au rayonnement à étudier, une cathode photoémissive qui convertit par effet photo-électrique des photons en électrons, un multiplicateur d’électrons constitué d’une série de dynodes portées à des hautes tensions positives, où les électrons sont multipliés par émission secondaire, et une anode qui collecte les électrons à la sortie de la dernière dynode. Le gain de la multiplication des électrons varie en fonction de la tension appliquée aux dynodes. Le tube photomultiplicateur a beaucoup d’avantages. Sa sensibilité permet de détecter quelques photons, il peut travailler en mode analogique ou numérique ; sa réponse est directe en mode analogique et proportionnelle au nombre de photons incidents. De plus, il couvre un large domaine de longueurs d’onde (120-900 nm). Son gain étant réglable, il permet de mesurer des intensités avec une large gamme dynamique, qui correspond à celle des intensités observées dans un plasma. De plus, il n’est pas nécessaire de le refroidir, son bruit de fond électronique étant négligeable à température ambiante. Cependant, c’est un détecteur monocanal, et dans le cas d’un polychromateur, il est nécessaire d’en utiliser plusieurs au détriment du coût et de l’encombrement.

2.5.2

Détection multicanal

L’utilisation de tubes photomultiplicateurs, même associés en sortie d’un polychromateur, ne donne accès qu’à un nombre très limité de raies parmi toutes celles émises par le plasma. On a donc une perte importante de l’information émise. À l’inverse, le but d’une détection multicanal est de combiner les avantages de la plaque photographique et du tube photomultiplicateur, c’est-à-dire la richesse d’information et la conversion photon–électron. Cela revient à créer une plaque « photographique électronique » tout comme on le réalise actuellement en photographie numérique. On peut ainsi mesurer simultanément la raie et le fond adjacent, et cela pour plusieurs raies de plusieurs éléments. Actuellement, ce sont essentiellement les détecteurs à dispositifs à transfert de charge (Charge-Transfer Device ou CTD) comprenant les dispositifs à couplage de charge (Charge-Coupled Device ou CCD) et ceux à injection de charge (Charge-Injection Device ou CID) qui sont utilisés. Les détecteurs du type CCD comprennent un sous-groupe, les détecteurs segmentés (SCD). En pratique, ces détecteurs sont constitués d’une série de détecteurs adjacents. Chaque détecteur d’un tel dispositif s’appelle un pixel, terme provenant de la contraction des mots picture et element. La gamme dynamique est le rapport entre la capacité maximale de stockage des charges dans un pixel et le bruit de lecture. Dans le cas d’un tube photomultiplicateur, celui-ci se comporte comme un amplificateur à gain réglable à l’aide de la haute tension. D’où une dynamique d’au moins 108. Dans le cas d’un dispositif à transfert de charge, il n’y a pas d’amplification au niveau du détecteur. Il est donc

41

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

nécessaire de jouer sur le temps d’exposition, c’est-à-dire le temps d’ouverture de l’obturateur, pour ne pas saturer le détecteur. Ce temps d’exposition est fixé par l’instrument, par exemple à l’aide d’une première mesure (preshot) qui permet d’évaluer l’ordre de grandeur de l’intensité à mesurer. Une alternative est l’acquisition de mesures systématiques à plusieurs temps d’exposition et la sélection a posteriori de la mesure adéquate en fonction de l’intensité. De par la conception de tels détecteurs, il y a circulation de charges dans un conducteur et on observe un échauffement par effet Joule. Il est donc nécessaire soit de refroidir ces détecteurs, soit de les maintenir, a minima, à température constante. De plus, pour éviter les risques de condensation sur la surface du détecteur en cas de refroidissement, il est indispensable de maintenir sur cette surface un débit constant de gaz sec ou de sceller une fenêtre (généralement en silice) qui isole la surface de l’atmosphère.

3

Spectres observés

Dans le cas d’analyses élémentaires telles que celles réalisées en ICP-OES, les spectres obtenus peuvent être relativement simples ou complexes en fonction des éléments présents et de leurs concentrations. En effet, en matrice simple et très peu concentrée, chaque élément présent ne génèrera qu’un nombre limité de raies suffisamment sensibles pour être observées. À l’inverse, si la concentration augmente, certains éléments, tels que le fer, le chrome ou encore le tungstène, verront un accroissement important du nombre de raies émises et de leurs intensités. Au final, la présence de fortes concentrations de tels éléments dans la matrice va induire une complexification du spectre, qui ressemblera alors à une véritable forêt. Si cela présente des avantages pour la mesure de l’élément en question puisque le choix des raies est étendu, cela rend la tâche beaucoup plus complexe en ce qui concerne la mesure d’éléments présents à l’état de traces dans ce type d’échantillon. Ceci obligera donc l’opérateur, lors du développement d’une méthode, à rechercher des raies libres d’interférences spectrales. De plus, la présence d’espèces moléculaires (par exemple bandes OH, NO, N2, etc.) dans le plasma va contribuer à la genèse d’un fond spectral qui affectera d’autant les limites de détection en dégradant le rapport signal sur fond. L’ICP-OES permet aujourd’hui d’opérer sur une large gamme de concentration ; associé à un ICP-MS, il couvre une gamme de concentration allant du nanogramme par litre au gramme par litre (fig. 2). ICP-MS AAS Four 1 ng.L–1

1 μg.L–1

ICP-OES

AAS Flamme 1 mg.L–1

 Figure 2  Domaine de fonctionnement des techniques ICP-OES, ICP-MS et AAS.

42

1 g.L–1

1. Introduction

4 4.1

Mesures et interférences Mesures

L’ICP-OES, comme toutes les techniques de spectrométrie atomique, est une technique comparative nécessitant un étalonnage. Il convient donc de mesurer des solutions de concentrations croissantes et d’en déduire une courbe en fonction des sensibilités respectives obtenues pour les différentes solutions. Pour tous les éléments, il est possible de trouver des raies pour lesquelles cette relation est linéaire jusqu’à des valeurs élevées en concentration (au moins au gramme par litre). Un étalonnage inverse permettra alors de déduire la concentration de la sensibilité obtenue pour chaque analyte lors de la mesure d’un échantillon inconnu. Les courbes d’étalonnage sont obtenues par étalonnage externe ou par ajouts dosés, éventuellement complétés par un étalonnage interne (voir chapitre 6, § 3).

4.2

Description des interférences

Comme toute technique analytique, l’ICP-OES n’échappe pas à un certain nombre d’interférences qui constituent une des limites à ses performances. Deux types d’interférences peuvent être identifiés : • les interférences non spectrales dues aux effets de matrice qui induisent une diminution ou une exaltation plus ou moins importante du signal ; • les interférences spectrales qui se traduisent par le recouvrement plus ou moins important du signal de la raie analysée par le signal d’une autre raie, ou par la présence d’un fond spectral.

4.2.1

Les interférences non-spectrales

Les interférences non spectrales ne sont pas caractéristiques de l’ICP-OES puisque nombre d’entre elles affectent également d’autres techniques comme la spectrométrie de flamme et l’ICP-MS. Ces interférences sont en réalité fonction de la viscosité de l’échantillon, de la concentration en acide ou de la concentration en gaz ou solides dissous. Ces paramètres affectent alors principalement le transport de l’échantillon, l’efficacité de la nébulisation, le transport de l’aérosol ou/et l’ionisation des éléments dans le plasma, entraînant au final une exaltation ou une diminution du signal. Des problèmes importants d’ionisation peuvent également survenir en fonction de l’énergie d’ionisation des éléments analysés et de ceux présents dans la matrice. Ainsi de fortes concentrations en sodium dissous, élément facilement ionisable, peuvent influer sur le taux d’ionisation d’un élément qui l’est beaucoup moins, comme le zinc. En fonction de la raie observée, atomique ou ionique, une augmentation de la concentration en sodium se traduira, respectivement, par une exaltation ou une diminution de la sensibilité du zinc. De plus, ce phénomène peut encore

43

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

être accru lors de la mesure des alcalins ou des alcalino-terreux, en fonction du mode d’observation, axial ou radial, du plasma. Il est en effet beaucoup plus critique lorsque le plasma est observé axialement, ou lorsqu’il est observé radialement dans sa partie haute. Un autre problème est lié aux effets mémoires de certains éléments qui sont particulièrement difficiles à éliminer correctement du système d’introduction d’échantillon au cours de la phase de rinçage. Parmi les éléments les plus critiques, on trouve par exemple le mercure, le bore ou encore l’iode, qui présentent ce comportement. Enfin, on peut également mettre en évidence que la forme physico-chimique de l’élément (spéciation) influe sur sa sensibilité. C’est par exemple le cas pour les halogènes (iode, chlore, etc.), pour lesquels le caractère plus ou moins volatil de l’espèce favorise, ou pas, le transfert vers le plasma, et donc exalte, ou non, la sensibilité.

4.2.2

Résolution des interférences non-spectrales

En ce qui concerne les interférences non spectrales, les techniques permettant de s’affranchir des problèmes de transport ou de nébulisation sont relativement simples et fréquemment utilisées : reconstitution de la matrice, quantification par ajouts dosés et usage d’étalons internes sont parmi les plus employées. L’introduction d’un étalon interne, présent en concentration identique dans l’ensemble des solutions analysées et servant en quelque sorte de référence, permet en effet souvent de corriger dans une certaine mesure l’influence de la matrice sur la sensibilité d’un élément. Pour les problèmes d’ionisation, l’observation du plasma en visée radiale dans sa partie basse, l’augmentation de la température du plasma et/ou la mise en œuvre d’un tampon d’ionisation (par exemple, le césium qui est alors introduit dans toutes les solutions analysées), permet généralement de minimiser le problème. Si ces différentes méthodes donnent généralement satisfaction, elles peuvent néanmoins s’avérer insuffisantes pour corriger certaines difficultés liées à un problème un peu différent, celui de la spéciation des éléments. Ainsi, le comportement de l’ion iodure par rapport à l’anion iodate est assez différent en fonction du pH de la solution par exemple ; de même, la manière dont l’arsenic As(III) est transporté par un nébuliseur ultrasonique est assez différente de celle avec laquelle l’arsenic As(V) peut l’être. Dans ces cas, il est extrêmement complexe de résoudre ces interférences, quels que soient les modes de correction appliqués.

4.2.3

Les interférences spectrales

Les interférences spectrales peuvent être séparées en deux catégories : • Le recouvrement plus ou moins important de la raie étudiée d’un élément par une raie émise par un autre élément présent dans l’échantillon. Ce phénomène est observé lorsque les raies émises par deux éléments distincts possèdent une différence de longueurs d’onde trop faible pour que les raies ne puissent être

44

1. Introduction

discriminées par le spectromètre. Compte tenu des progrès réalisés par les constructeurs dans l’amélioration des performances résolutives des instruments, elles deviennent relativement rares dans les applications courantes. On trouve cependant encore les exemples P 213,617 nm/Cu 213,597 nm, ou encore As 228,812 nm/Cd 228,802 nm (fig. 61). Toutefois, cette situation se complexifie énormément si un élément particulièrement riche en raies se trouve présent en forte concentration. Ainsi la mesure de traces dans un échantillon sidérurgique, caractérisé par la présence massive de fer, riche de près de 4 500 raies, peut rendre difficile la sélection d’une raie non interférée. Les éléments comme le cobalt, le fer, le molybdène, le niobium, le tantale, l’uranium, le vanadium et le tungstène, sans compter les terres rares, sont considérés comme les sources les plus importantes d’interférences spectrales. • La présence d’un fond spectral. La présence dans l’échantillon de fortes concentrations en éléments tels que le carbone va générer, dans la partie initiale du plasma, des bandes d’émission moléculaire sur lesquelles vont venir se superposer les raies atomiques des éléments. Ces interférences sont d’autant plus importantes et gênantes que la raie de l’analyte est peu sensible. Dans le meilleur des cas, seul le rapport signal sur fond sera affecté ce qui engendrera une dégradation des limites de détection. Dans le pire des cas, le signal de la raie de l’analyte sera noyé dans le bruit du fond spectral. Il est toutefois évident que cette interférence sera d’autant plus importante que le plasma sera observé axialement plutôt que radialement, les espèces moléculaires étant majoritairement présentes dans la partie initiale du plasma.

4.2.4

Résolution des interférences spectrales

L’importance des recouvrements spectraux est évidemment fonction des caractéristiques du spectromètre utilisé, les appareils disposant d’une résolution plus importante étant évidemment nettement moins affectés que les autres. Outre le choix évident mais pas toujours possible, et parfois pénalisant en termes de sensibilité, de la sélection d’une autre raie, deux types de corrections peuvent être mises en œuvre : • la correction inter-éléments (IEC) ; • la déconvolution. La correction inter-éléments est basée sur la mise en œuvre d’une équation de correction qui permet de déduire l’intensité issue de l’interférant du signal total mesuré. Cette méthode est fondée sur la mesure d’une autre raie de l’interférant, les intensités relatives des deux raies ayant été déterminées préalablement ; un facteur de correction multiplicatif permet alors de quantifier la part de l’interférant dans le signal global de la raie analysée. La limite de cette technique réside dans la variabilité du coefficient de proportionnalité en fonction des caractéristiques du plasma ; l’idéal est alors de sélectionner deux raies de caractéristiques voisines (même état d’ionisation, énergies d’excitation voisines).

45

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Pour réduire les interférences spectrales, une autre solution proposée par certains constructeurs consiste à filtrer le spectre en le décomposant entre ses différentes contributions (fond, analyte et interférant). Cette technique nécessite de « nourrir » l’appareil en lui fournissant les spectres de ces trois contributions, individuellement, le logiciel se chargeant de les additionner en faisant varier les contributions respectives pour pouvoir ensuite isoler la raie de l’analyte d’un spectre complexe. On parle de déconvolution. Au contraire, la prise en compte du fond spectral est évidemment plus simple puisqu’il suffit de mesurer la contribution du fond, de part et/ou d’autre du pic analysé, et de soustraire cette valeur de l’intensité brute (voir chapitre 6, § 3.1). Cette mesure sera d’autant plus pertinente que la mesure du fond est effectuée de manière simultanée à la mesure du pic. Il est cependant nécessaire de valider cette correction de fond à l’aide d’un blanc pour vérifier que l’interpolation est bien appropriée (voir chapitre 6, § 1.2.4).

5

Cahier des charges

En analyse élémentaire et en spectrométrie d’émission optique en particulier, l’instrument doit respecter plusieurs spécifications afin d’obtenir les performances analytiques appropriées et les caractéristiques instrumentales souhaitées. La qualité analytique des résultats est liée à l’exactitude de la méthode, c’est-à-dire tant à sa justesse qu’à sa fidélité. La qualité analytique du système inclut : • • • •

le nombre d’éléments qui peuvent être déterminés par la méthode ; la stabilité à long terme ; la sélectivité ; la robustesse, c’est-à-dire l’absence d’effets de matrice et de certaines interférences non-spectrales ; • la sensibilité ; • les limites de détection et de quantification ; • la gamme dynamique. Les caractéristiques du spectromètre « idéal » sont liées tant à son utilisation qu’aux aspects économiques. On pourrait les résumer comme suit : • • • • • •

46

facilité d’opération ; facilité de maintenance ; automatisation complète ; caractérisation de n’importe quel type d’échantillon (solide, liquide, ou gaz) ; consommation d’une quantité d’échantillon la plus faible possible ; encombrement minimal ;

1. Introduction

• rendement en termes de nombre d’échantillons analysés le plus important possible ; • fiabilité ; • sécurité ; • investissement limité ; • coût de fonctionnement réduit.

6

Plan du livre

Bien que l’ICP-OES soit devenue une technique de routine, les exigences de la mesure, en termes d’exactitude notamment, imposent une maîtrise complète du processus opératoire dont cet ouvrage permet de prendre conscience en traitant successivement de : • • • • • •

la terminologie la plus actuelle associée à ce domaine analytique ; la gestion administrative et physique des échantillons au laboratoire ; la préparation et le traitement de ceux-ci avant toute mesure ; la qualification et le suivi de l’appareillage ; les modes opératoires ; l’exploitation des résultats en termes de justesse, de fidélité, d’incertitude et d’exactitude (avec, comme cas pratique, la détermination du profil d’exactitude) ; • et enfin un exemple de dossier de validation de méthode. La prise en compte de l’ensemble de ces aspects est en effet indispensable pour constituer le dossier de validation d’une méthode de mesure.

47

2 Définitions 1

Introduction

La rédaction d’un ouvrage traitant de la mesure en spectrométrie d’émission optique à source plasma nécessite de pouvoir disposer d’un socle de vocabulaire commun, partagé à la fois par les analystes qui pratiquent la technique considérée et par les demandeurs d’analyse auxquels il convient d’apporter une réponse adéquate. On pourrait penser que la terminologie associée aux sciences analytiques est claire, sans ambiguïté et simple à mettre en œuvre. En réalité, on constate qu’il existe de nombreuses confusions dans ce domaine, dues à des définitions parfois trop générales ou alors trop spécifiques à une application donnée et qui évoluent dans le temps. Cette difficulté peut s’expliquer par la diversité des techniques mises en œuvre et par un certain cloisonnement des disciplines analytiques. Elle est liée aussi à la multitude des organismes qui s’occupent de terminologie au niveau international (ISO, IUPAC, EPA, ASTM, etc.), ce qui ne favorise pas une homogénéité dans les définitions, sans compter les problèmes de traduction à partir de l’anglais. Dans le cadre du présent ouvrage, il était donc indispensable de préciser, dès le départ, les termes les plus utiles et les plus actuels à utiliser dans les laboratoires mettant en œuvre la technique ICP-OES. Ce chapitre terminologique s’appuie sur les principaux documents faisant référence en la matière : VIM (Vocabulaire international de métrologie – Concepts fondamentaux et généraux et termes associés), normes et guides. Il retranscrit les définitions faisant à ce jour référence en y associant, le cas échéant, des commentaires s’appuyant sur l’expérience des laboratoires de caractérisation ayant contribué au présent ouvrage. Assurément, la liste des termes retenus n’est pas exhaustive et les commentaires peuvent donner lieu à discussions. Néanmoins, l’intérêt de ce chapitre est de fournir au lecteur un référentiel des termes à employer, aujourd’hui, en ICP-OES.

49

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Ce chapitre est organisé en cinq paragraphes traitant des termes relatifs au matériau, au mesurage ou processus de mesure, à la procédure de mesure et à ses qualités analytiques. Le symbole  indique une définition provenant d’une norme ou d’une nomenclature dont la référence est disponible. Le formalisme suivant a été adopté : terme anglais) « définition » (source bibliographique [réfé Terme français ( rence complète], paragraphe).

2 2.1

Matériau Matrice et analyte

 La matrice ( matrix) est l’« ensemble des constituants de l’échantillon pour laboratoire autre que l’analyte » (norme NF T90-210 [16], § 3.2.1.3). analyte) est un « élément devant être déterminé » (norme  Un analyte ( NF EN ISO 11885 [17], § 3.2) ; il a pour synonyme « substance à analyser » (VIM [18], § 2.3).

2.2

Vocabulaire associé aux concentrations des analytes

Les termes génériques – élément majeur, élément mineur, trace, ultratrace – ne sont pas normalisés et il n’existe pas de concentrations seuils permettant de les différencier. Certains auteurs suggèrent les domaines suivants (fig. 3) dans le cas de mesures en solution (Skoog et al. [19], p. 155). Majeurs Fraction d’élément 100 % Teneur en éléments (g.g–1)

1

Mineurs

Traces

Ultratraces

1%

0,01 %

1 ppm

1 ppb

1 ppt

10–2

10–4

10–6

10–9

10–12

Figure 3 Domaine des teneurs en éléments dans un échantillon liquide.

2.3

Échantillonnage

 L’échantillonnage ( sampling) est l’« opération consistant à prélever ou à constituer un échantillon » (norme ISO 3534-2 [20], § 1.3.1). Une autre définition, utilisée pour l’eau, pourrait être élargie aux autres matrices : « Action qui consiste à prélever une partie, considérée comme représentative, d’une masse d’eau, en vue de l’examen de diverses caractéristiques définies » (norme ISO 6107-2 [21], § 114).

50

2. Définitions

Échantillon

2.4

 Un échantillon ( sample) est « une portion de matériau sélectionnée pour représenter une partie plus importante du matériau » (Guide CITAC/ EURACHEM [22], § 11.8). L’échantillon est le résultat de l’échantillonnage. On distinguera l’échantillon de laboratoire, « matériau d’origine remis au laboratoire », de l’échantillon à analyser « préparé à partir de l’échantillon de laboratoire », physiquement ou chimiquement, pour pouvoir être accepté par l’instrument de mesure (Guide CITAC/EURACHEM [22], § 11.8).

Prise d’essai

2.5

 La prise d’essai ( test portion) est la « partie discrète d’un échantillon qui sera soumise aux analyses » (norme ISO 6107-2 [21], § 140). Le terme prise d’essai ne doit pas être confondu avec le terme « partie aliquote », défini comme la partie contenue un nombre exact de fois dans un tout (CNRTL [23]).

3

Processus de mesure

Le synoptique suivant présente les liens unissant les principaux termes entrant dans un processus de mesure (fig. 4). Mesurage =

opération 1

+ … +

+ … + opération n

Mesures ICP-OES Résultat et son traitement

=

Préparation d’échantillon

opération i

description

Processus =

Méthode de mesure description détaillée

Σ opérations = mesures valeur

Procédure de mesure

Mesurande = grandeur que l’on veut mesurer

Résultat de mesure/mesurage = valeur mesurée + incertitude de mesure + indication éventuelle Remarque : une procédure de mesure par ICP-OES, anciennement appelée « mode opératoire », correspond à une description détaillée d’une méthode de mesure par ICP-OES, qui décrit un mesurage intégrant toutes les opérations nécessaires à celui-ci, de la préparation à l’analyse jusqu’au résultat final.

Figure 4 Schéma conceptuel d’un processus de mesure.

51

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Selon le CNRTL [23], la mesure correspond à « l’évaluation d’une grandeur ou d’une quantité, par comparaison avec une autre de même espèce, prise comme terme de référence ».

3.1

Mesurage

 Le mesurage ( measurement) est le « processus consistant à obtenir expérimentalement une ou plusieurs valeurs que l’on peut raisonnablement attribuer à une grandeur » (VIM [18], § 2.1). Le terme est équivalent à celui de mesure. Le mesurage peut être quantitatif ou semi-quantitatif mais il n’est pas qualitatif (VIM [18], § 2.1). On privilégiera le terme mesurage à celui d’analyse. Selon le CNRTL [23], le terme analyse signifie : « Ensemble des procédés physiques, chimiques, biologiques, destinés à trouver les noms des corps simples ou composés formant un mélange ou une combinaison, puis à trouver suivant quel poids, quel volume, quels pourcentages ils sont unis. ». L’emploi du terme analyse pour désigner le seul acte de mesure physique d’un analyte par ICP-OES n’est donc pas adapté, bien qu’il soit d’un usage courant.

3.2

Mesurande & grandeur

 Le mesurande ( (VIM [18], § 2.3).

measurand) est la « grandeur que l’on veut mesurer »

quantity) est une « propriété d’un phénomène, d’un corps  Une grandeur ( ou d’une substance, que l’on peut exprimer quantitativement sous forme d’un nombre et d’une référence » (VIM [18], § 1.1), la référence étant l’unité de mesure pour l’ICP-OES. Le mesurande est donc l’objet du mesurage. Dans le cas de l’ICP-OES, il s’agit de la concentration d’un analyte et non de l’analyte lui-même puisque ce dernier n’est pas une grandeur.

3.3

Indication

L’indication ( indication) est la « valeur fournie par un instrument de mesure ou un système de mesure » (VIM [18], § 4.1).

3.4

Méthode & procédure

 La méthode de mesure ( measurement method) est une « description générique de l’organisation logique des opérations mises en œuvre dans un mesurage »

52

2. Définitions

(VIM [18], § 2.5). Elle se traduit par une procédure de mesure (anciennement mode opératoire).  Dans le cas général, une procédure ( procedure) est une « manière spécifiée d’effectuer une activité ou un processus » (NF EN ISO 9000 [24], § 3.4.5) Les procédures peuvent ou non faire l’objet de documents spécifiques alors appelés procédures écrites ou procédures documentées. L’adjectif spécifiée signifie « mentionnée avec précision » (CNRTL [23]). measurement procedure) est « une description  La procédure de mesure ( détaillée d’un mesurage conformément à un ou plusieurs principes de mesure et à une méthode de mesure donnée, fondée sur un modèle de mesure et incluant tout calcul destiné à obtenir un résultat de mesure » (VIM [18], § 2.6). Une procédure de mesure par ICP-OES (communément appelée « mode opératoire d’analyse » ou « protocole de mesure » par ICP-OES) décrit donc de manière détaillée une méthode de mesure par ICP-OES, laquelle précise l’ensemble des opérations nécessaires pour quantifier un ou plusieurs analytes dans une matrice donnée : préparation d’échantillon (réactifs, matériel, quantité d’échantillon) ; mesure (appareillage) ; expression des résultats et critères de qualité associés (incertitudes, limites de quantification, etc.). Cet ensemble d’opérations est aussi appelé mesurage ou processus de mesure. La procédure de mesure prend en compte aussi bien les phases de préparation d’échantillon que celles de mesurage à proprement parler. Le domaine d’application de la procédure de mesure est généralement défini à partir de quatre termes : • • • •

l’analyte ou les analytes ; la matrice ; la gamme de concentration ; la technique de mesure, qui est la mise en œuvre d’un principe chimique ou physique pour pouvoir identifier et doser un ou plusieurs analytes. Par exemple, l’ICP-OES est une technique qui utilise les principes de l’excitation atomique et de l’émission photonique pour doser les éléments.

La détermination de la quantité de matière par ICP-OES n’est pas une procédure de mesure primaire puisqu’elle fait appel à un étalonnage (pour une définition précise voir VIM [18], § 2.8).

3.5

Résultat

 Le résultat de mesure ( result of measurement) est l’« ensemble de valeurs attribuées à un mesurande, complété par toute autre information pertinente disponible » (VIM [18], § 2.9). Il est généralement exprimé par une valeur mesurée unique et une incertitude de mesure (VIM [18], § 2.9 et 2.10).

53

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Celle-ci s’exprime sous la forme d’un écart-type communément appelé incertitudetype, et sous la forme d’un multiple de ce dernier. On parle alors d’incertitudeélargie, le facteur multiplicatif étant appelé facteur d’élargissement et généralement noté k (Priel [25]). En ICP-OES, le résultat d’un mesurage peut être obtenu soit par une seule mesure, soit par la moyenne de plusieurs mesures, et son rendu doit s’effectuer selon les règles d’arrondissage en vigueur (voir par exemple Bé et al. [26]). Le nombre de chiffres significatifs est généralement limité à deux pour l’expression de l’incertitude et la valeur du mesurande est arrondie au même rang que celui de l’incertitude. Dans le cas d’un mesurage semi-quantitatif, il est d’usage de parler « d’estimation » et pas de résultat de mesure.

3.6

Validation de la méthode de mesure

 La validation ( validation) est une « vérification, où les exigences spécifiées sont adéquates pour un usage déterminé » (VIM [18], § 2.45), sachant qu’une vérification est la « fourniture de preuves tangibles qu’une entité donnée satisfait à des exigences spécifiées » (VIM [18], § 2.44). De façon pratique, la validation d’une méthode de mesure consiste à s’assurer que ses performances satisfont à des exigences spécifiées (par le client, le laboratoire, etc.). Il peut s’agir par exemple d’exigences légales, de spécifications d’un fabricant, d’objectifs en termes de qualité analytique (justesse, incertitude de mesure). Ce point fait l’objet du chapitre 8 de ce guide.

4 4.1

Procédure de mesure Préparation des blancs

 L’indication du blanc ( blank indication) est « une indication obtenue à partir d’un phénomène, d’un corps ou d’une substance semblable au phénomène, au corps ou à la substance en cours d’étude, mais dont la grandeur d’intérêt est supposée ne pas être présente ou ne contribue pas à l’indication » (VIM [18], § 4.2). Plusieurs types de blanc peuvent être considérés (VIM [18], § 2.5). Les plus usuels sont :

4.1.1

Blanc de matrice

Idéalement, il comporte tous les éléments, espèces et molécules présents dans l’échantillon, en particulier les éléments à haute concentration, sauf l’analyte. Lors de la mesure, il permet de s’affranchir d’éventuels effets de matrice.

54

2. Définitions

4.1.2

Blanc de réactifs

Il comporte uniquement les réactifs (acides, etc.) utilisés dans la méthode de mesure.

4.1.3

Blanc instrumental

Il est obtenu en l’absence d’introduction d’échantillons.

4.1.4

Blanc de méthode

À partir d’eau déminéralisée ou du blanc de matrice, on lui applique exactement le même traitement que celui subi par les échantillons. Il intègre donc les pollutions éventuelles apportées par les réactifs, le matériel et l’instrumentation.

4.2

Étalonnage

4.2.1

Définitions

 L’étalon ( measurement standard, etalon) est la « réalisation de la définition d’une grandeur donnée, avec une valeur déterminée et une incertitude de mesure associée, utilisée comme référence » (VIM [18], § 5.1). Ce terme s’applique aux solutions employées pour établir une droite d’étalonnage, aux étalons solides pour l’analyse directe (par exemple par ablation laser) ou aux matériaux de référence certifiés (VIM [18], § 5.13-14).  Un étalonnage ( calibration) est une « opération qui, dans des conditions spécifiées, établit en une première étape une relation entre les valeurs et les incertitudes de mesure associées qui sont fournies par des étalons et les indications correspondantes avec les incertitudes associées, puis utilise en une seconde étape cette information pour établir une relation permettant d’obtenir un résultat de mesure à partir d’une indication » (VIM [18], § 2.39). En ICP-OES, l’étalonnage sera exprimé sous la forme d’une courbe d’étalonnage reliant l’intensité du signal à la concentration. Dans la plupart des cas, cette relation est linéaire ; on parle alors de droite d’étalonnage. calibration curve) est l’« expression de la relation  La courbe d’étalonnage ( entre une indication et la valeur mesurée correspondante » (VIM [18], § 4.31). Il existe trois méthodes d’étalonnage (voir chapitre 6, § 3) : • externe ; • interne ; • par ajouts dosés.

55

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

4.2.2

Solution d’étalonnage

En ICP-OES, la droite d’étalonnage est obtenue à partir de mesures de solutions d’étalonnage. calibrator, VIM [18], § 5.12) est une « solution  Une solution d’étalonnage ( utilisée pour étalonner l’instrument, préparée à partir d’une ou plusieurs solutions mères ou d’un étalon certifié » (norme NF EN ISO 11885 [17], § 3.5). Elle est généralement préparée par dilution d’une solution commerciale (étalon primaire, VIM [18], § 5.4, ex. 1).

4.2.3

Solution de vérification

 Une solution d’étalonnage de vérification ou de contrôle de qualité ( quality control, QC) est une « solution de composition connue relevant de la gamme des solutions d’étalonnage, mais préparée de manière indépendante » (norme NF EN ISO 11885 [17], § 3.6 ; Guide CITAC/EURACHEM [22], p. 37). Cette solution de vérification doit être préparée avec un étalon certifié de fournisseur différent ou a minima avec un lot différent de celui utilisé pour l’étalonnage. Son utilisation permet de vérifier la justesse de l’étalonnage. Son suivi régulier peut aussi permettre de contrôler une dérive éventuelle de l’instrument.

4.2.4

Dérive instrumentale

 La dérive instrumentale ( instrumental drift) est une « variation continue ou incrémentale dans le temps d’une indication, due à des variations des propriétés métrologiques d’un instrument de mesure » (VIM [18], § 4.21). En ICP-OES, une dérive a pour conséquence de ne plus pouvoir utiliser la droite d’étalonnage initiale. Il est possible de la corriger si l’on dispose d’un étalon interne, mais on préfèrera dans le cas général procéder à un nouvel étalonnage après avoir identifié la cause de la dérive.

4.3

Mesurage

4.3.1

Signal (brut, net, stabilité)

En ICP-OES, le signal est l’indication à une longueur d’onde d’intérêt. Signal et intensité brute sont souvent employés de façon synonyme. Le signal brut (X) correspond à l’intensité au maximum du pic. Elle comprend la contribution de l’élément et celle du blanc de matrice à la même longueur d’onde. Le signal net (S) est la différence entre l’intensité du signal brut (X) et celle du fond background) (B) à la longueur d’onde d’intérêt qui est le signal dû au spectral ( blanc de matrice. Dans le cas de l’ICP-OES, le fond spectral est formé de toutes

56

2. Définitions

les raies des autres éléments et du fond continu dû à l’argon et aux autres éléments constitutifs de la matrice.

Intensité

Ce fond spectral est mesuré à gauche et/ou à droite du pic (B1, B2) (fig. 5).

S

X

B2

B1 B Longueur d’onde

Figure 5 Représentation du signal.

Le signal fourni par le système est souvent corrigé du fond et correspond alors au signal net. Le profil correspond quant à lui à une succession d’indications autour d’une longueur d’onde d’intérêt. Le temps de stabilisation du signal correspond au temps au bout duquel l’appareil a atteint un état d’équilibre physique (électronique, gaz, plasma, nébulisation). Il se concrétise par une stabilisation des intensités mesurées. La stabilité à long terme traduit la stabilité intrinsèque de l’appareil et/ou liée à son environnement sur une période de plusieurs heures. Elle s’exprime par la variation relative des intensités mesurées en fonction du temps pendant une période comprise généralement entre deux et quatre heures, après le temps de stabilisation.

4.3.2

Bruit

Toute fluctuation du fond spectral non provoquée volontairement conduit à un noise) (N) généralement représenté par l’écart-type (ou l’écart-type relabruit ( tif ) des fluctuations. Il faut faire attention à ne pas confondre le bruit du fond spectral et le signal du fond spectral (B).

4.3.3

Correction de fond

La correction de fond consiste à retrancher l’intensité du fond spectral à celle du signal brut pour obtenir le signal net.

57

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

4.3.4

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal sur bruit correspond au rapport entre le signal net de l’analyte (S) et le bruit du fond spectral (N). On le symbolise par SNR ou S/N (R venant de ratio).

4.3.5

Rapport signal sur fond

Le rapport signal sur fond correspond au rapport du signal net de l’analyte (S) sur le fond spectral (B). On l’écrit SBR ou S/B. Il faut faire attention à ne pas confondre le rapport signal sur bruit, SNR, et le rapport signal sur fond, SBR. Le fond a une intensité B, qui n’est pas un bruit ; cette intensité B est affectée de fluctuations, qui, elles, sont un bruit. Le concept de SBR est beaucoup utilisé en ICP-OES, car le fond spectral est important. Par contre, il ne s’applique généralement pas en ICP-MS, le fond devant être négligeable.

4.3.6

Répliques

 « Le résultat d’un mesurage est déterminé sur la base d’une série d’observareplicates) « obtenues dans des conditions de répétions », appelées répliques ( tabilité » (GUM [27], § 3.1.4).

4.3.7

Résolution spectrale et pouvoir de résolution

En ICP-OES, la résolution spectrale ( spectral resolution) ∆lo est l’écart minimal en longueur d’onde nécessaire (exprimé en picomètres) pour que deux raies soient resolving séparées à mi-hauteur par le spectromètre ; le pouvoir de résolution ( power) est le rapport – sans unité – entre la longueur d’onde lo à laquelle la mesure est effectuée et la résolution ∆lo du spectromètre à cette longueur d’onde (Frayret et al., Techniques de l’Ingénieur [1]).

4.4

Résultat

Le résultat de mesure ou de mesurage est un ensemble de valeurs attribuées à un mesurande complété par toute autre information pertinente disponible. Il est généralement exprimé par une valeur mesurée unique et une incertitude de mesure (VIM [18], § 2.9 note 2).

4.4.1

Valeur d’une grandeur

 La valeur d’une grandeur ( quantity value ou value) est l’« ensemble d’un nombre et d’une référence constituant l’expression quantitative d’une grandeur » (VIM [18], § 1.19).

58

2. Définitions

Dans le cas de l’ICP-OES, la valeur de la grandeur est le produit d’un nombre et d’une unité de mesure. Par exemple, la fraction massique de cadmium dans un spécimen donné de cuivre est de 3 μg.kg–1 ou 3 · 10–9 g.g–1 ou 3 ppb.

4.4.2

Valeur vraie

 La valeur vraie ( true value) est la « valeur d’une grandeur compatible avec la définition de la grandeur » (VIM [18], § 2.11). C’est une valeur unique, impossible à obtenir en pratique car issue d’un mesurage parfait.

4.4.3

Valeur de référence

 La valeur de référence ( reference quantity value) est une « valeur d’une grandeur servant de base de comparaison pour les valeurs de grandeurs de même nature » (VIM [18], § 5.18).  Note 1 : La valeur de référence peut être une valeur vraie d’un mesurande et est alors inconnue, ou une valeur conventionnelle, et est alors connue.  Note 2 : Une valeur de référence associée à son incertitude de mesure se rapporte généralement à : • • •

5

un matériau, par exemple un matériau de référence certifié ; une procédure de mesure de référence ; une comparaison d’étalons.

Qualités analytiques

 La qualité est « l’aptitude d’un ensemble de caractéristiques intrinsèques à satisfaire des exigences » (norme NF EN ISO 9000 [24], § 3.1.1). Pour une méthode analytique, la qualité est l’ensemble de concepts tels que justesse, répétabilité, reproductibilité, limites de détection et de quantification, robustesse, etc., permettant de décrire les possibilités analytiques de la méthode, incluant l’instrument. La validation d’une méthode se fera donc à l’aide des qualités analytiques.

5.1

Erreurs

 L’erreur de mesure ( measurement error), généralement appelée erreur, est la « différence entre la valeur mesurée d’une grandeur et une valeur de référence » (VIM [18], § 2.16). L’erreur de mesure comprend l’erreur systématique et l’erreur aléatoire.

59

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

 L’erreur systématique ( systematic measurement error) est la « composante de l’erreur de mesure qui, dans des mesurages répétés, demeure constante ou varie de façon prévisible » (VIM [18], § 2.17). measurement bias) est « l’estimation d’une erreur systématique »  Le biais ( (VIM [18], § 2.18). random measurement error) est la « composante de l’erreur  L’erreur aléatoire ( de mesure qui, dans des mesurages répétés, varie de façon imprévisible » (VIM [18], § 2.19). Alors que l’erreur est un écart entre la mesure et la valeur vraie (en général inconnue), l’incertitude représente un intervalle à l’intérieur duquel la vraie valeur se trouve probablement. Si l’erreur peut être nulle, ce ne sera jamais le cas de l’incertitude.

Intensité

Les concepts d’erreurs sont représentés dans le graphe suivant (fig. 6).

Valeur vraie

Xm Erreur systématique

Erreur aléatoire

Xi

Concentration

Résultat de mesure

Erreur

Figure 6 L’erreur de mesure.

Avec :

Xi : le résultat d’une mesure ; Xm : la moyenne d’un nombre de mesures effectuées dans des conditions de répétabilité.

5.2

Exactitude

 L’exactitude ( measurement accuracy) est l’« étroitesse de l’accord entre une valeur mesurée et une valeur vraie d’un mesurande » ; elle est « liée aux concepts de justesse et de fidélité » (VIM [18], § 2.13). Le terme « précision » ne doit pas être utilisé comme synonyme de fidélité (VIM [18], § 2.15). Plus généralement, il est à éviter quand on évoque la notion de validation de méthode.

60

2. Définitions

5.3

Justesse

 La justesse de mesure ( measurement trueness) est l’« étroitesse de l’accord entre la moyenne d’un nombre infini de valeurs mesurées répétées et une valeur de référence » (VIM [18], § 2.14).

5.4

Fidélité

 La fidélité de mesure ( measurement precision) est l’« étroitesse de l’accord entre les indications ou les valeurs mesurées obtenues par des mesurages répétés du même objet ou d’objets similaires dans des conditions spécifiées » (VIM [18], § 2.15).

5.5

Conditions de répétabilité

 Les conditions de répétabilité ( repeatability conditions of measurement) sont les conditions « de mesurage dans un ensemble de conditions qui comprennent la même procédure de mesure, les mêmes opérateurs, le même système de mesure, les mêmes conditions de fonctionnement et le même lieu, ainsi que des mesurages répétés sur le même objet ou des objets similaires pendant une courte période de temps » (VIM [18], § 2.20). Selon la norme NF ISO 11352 [28], § 3.7, elles correspondent aux « conditions où les résultats d’essai/de mesure indépendants sont obtenus par la même méthode sur des individus d’essai/de mesure identiques sur la même installation d’essai ou de mesure, par le même opérateur, utilisant le même équipement et pendant un court intervalle de temps ».

5.6

Répétabilité de mesure

 La répétabilité de mesure ( measurement repeatability) est la « fidélité de mesure selon un ensemble de conditions de répétabilité » (VIM [18], § 2.21).

5.7

Conditions de fidélité intermédiaire

 Les conditions de fidélité intermédiaire ( intermediate precision conditions of measurement) sont les conditions « de mesurage dans un ensemble de conditions qui comprennent la même procédure de mesure, le même lieu et des mesurages répétés sur le même objet ou des objets similaires pendant une période de temps étendue, mais peuvent comprendre d’autres conditions que l’on fait varier » (VIM [18], § 2.22). Selon la norme NF ISO 11352 [28], § 3.10, elles correspondent aux « conditions où les résultats d’essai ou résultats de mesure sont obtenus par la même méthode sur des individus d’essai/de mesure identiques sur la même installation d’essai ou de

61

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

mesure, dans différentes conditions de fonctionnement données ». Ces conditions de fonctionnement « comprennent quatre éléments : temps, étalonnage, opérateur et équipement ».

5.8

Fidélité intermédiaire de mesure

 La fidélité intermédiaire de mesure ( intermediate measurement precision) est la « fidélité selon un ensemble de conditions de fidélité intermédiaire » (VIM [18], § 2.23).

5.9

Conditions de reproductibilité

 Les conditions de reproductibilité ( reproducibility conditions of measurement) sont les conditions « de mesurage dans un ensemble de conditions qui comprennent des lieux, des opérateurs et des systèmes de mesure différents, ainsi que des mesurages répétés sur le même objet ou des objets similaires » (VIM [18], § 2.24). Selon la norme NF ISO 11352 [28], § 3.13, elles correspondent aux « conditions où les résultats d’essai/de mesure indépendants sont obtenus par la même méthode sur des individus d’essai/de mesure identiques sur différentes installations d’essai ou de mesure avec différents opérateurs et utilisant des équipements différents ».

5.10 Reproductibilité de mesure  La reproductibilité de mesure ( measurement reproducibility) est la « fidélité de mesure selon un ensemble de conditions de reproductibilité » (VIM [18], § 2.25).

5.11 Incertitude de mesure  L’incertitude de mesure ( measurement uncertainty) est un « paramètre non négatif qui caractérise la dispersion des valeurs attribuées à un mesurande, à partir des informations utilisées » (VIM [18], § 2.26). La méthodologie issue du GUM [27] est développée dans un guide EURACHEM/ CITAC [29] qui propose une approche pédagogique et traite de manière approfondie plusieurs cas concrets. L’incertitude sur le résultat final est généralement exprimée avec un facteur d’élargissement k selon : U = k · u(Y) Ce facteur k est choisi sur la base du niveau de confiance requis. En règle générale, il est fixé à 2, ce qui revient à considérer un niveau de confiance de 95 % dans le cas d’une loi normale.

62

2. Définitions

L’expression finale du résultat comprend à la fois la valeur du mesurande et son incertitude associée (voir ce chapitre, § 3.5).

5.12 Limite de détection  La limite de détection (LD) ( limit of detection, LOD) est la « valeur mesurée, obtenue par une procédure de mesure donnée, pour laquelle la probabilité de déclarer faussement l’absence d’un constituant dans un matériau est b, étant donnée la probabilité a de déclarer faussement sa présence » (VIM [18], § 4.18). On prend donc deux risques : • le risque a (erreur du type I ou faux positif ) de considérer la substance présente dans l’échantillon alors que sa grandeur est nulle ; • le risque b (erreur du type II ou faux négatif ) de considérer absente une substance alors que sa grandeur est non nulle.

5.13 Limite de quantification  La limite de quantification (LQ) ( limit of quantitation/quantification) est la « plus petite grandeur d’un analyte à examiner dans un échantillon pouvant être déterminé quantitativement dans des conditions expérimentales décrites dans la méthode avec une exactitude définie » (norme NF T90-210 [16], § 3.2.2.5).

5.14 Linéarité  La linéarité ( linearity) est une « relation directe entre le résultat (moyen) de mesurage (signal) et la quantité (concentration) du composant à déterminer » (norme NF EN ISO 11885 [17], § 3.9). Il s’agit donc de « la capacité d’une méthode d’analyse, à l’intérieur d’un certain intervalle à fournir une réponse instrumentale ou des résultats proportionnels à la quantité en analyte à doser dans l’échantillon pour laboratoire ». (Feinberg, Techniques de l’Ingénieur [30]).

5.15 Robustesse  La robustesse ( robustness) est « l’insensibilité d’une méthode d’analyse aux faibles modifications de la méthode » (norme FD ISO 6107-2 [21], § 110). En ICP-OES, le concept de robustesse a été adapté à l’influence de la matrice. La robustesse est obtenue lorsque, pour une variation de la concentration soit des éléments majeurs dans la matrice, soit des réactifs, on n’observe pas d’évolution significative du signal des analytes. La robustesse est donc l’absence d’effets de matrice (voir chapitre 5).

63

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Pour l’exploitation statistique des résultats, il peut également être fait usage de méthodes robustes lorsque les résultats d’essais sont peu nombreux, que l’on ne connaît pas la loi de distribution ou que la population des résultats recèle une ou plusieurs valeurs aberrantes. Ces méthodes sont basées sur l’utilisation d’algorithmes de calcul, décrits dans les normes ISO 5725-5 [31] et ISO 13528 [32] qui permettent de déterminer des estimateurs dits robustes.

5.16 Sensibilité  La sensibilité ( sensitivity) est « le quotient de la variation d’une indication d’un système de mesure par la variation correspondante de la valeur de la grandeur mesurée » (VIM [18], § 4.12). Du fait de la linéarité généralement observée en ICP-OES, la sensibilité est en général la pente de la droite d’étalonnage (intensité du signal en fonction de la concentration).

5.17 Sélectivité  La sélectivité ( selectivity) est la « propriété d’un système de mesure, utilisant une procédure de mesure spécifiée, selon laquelle le système fournit des valeurs mesurées pour un ou plusieurs mesurandes, telles que les valeurs de chaque mesurande sont indépendantes des autres mesurandes ou d’autres grandeurs dans le phénomène, le corps ou la substance en cours d’examen » (VIM [18], § 4.13). « La sélectivité d’une méthode désigne la mesure dans laquelle cette méthode permet de doser un (des) analyte(s) particulier(s) dans un mélange complexe sans qu’il y ait d’interférence avec les autres composants présents dans le mélange. Une méthode qui est sélective pour un analyte ou un groupe d’analytes est dite spécifique » (Guide CITAC/EURACHEM [22], § 18.5). Toutefois, l’usage du terme « spécificité » n’est pas recommandé par l’IUPAC et il n’est pas défini dans le VIM [18].

5.18 Traçabilité métrologique  La traçabilité métrologique ( metrological traceability) est la « propriété d’un résultat de mesure selon laquelle ce résultat peut être relié à une référence par l’intermédiaire d’une chaîne ininterrompue et documentée d’étalonnages dont chacun contribue à l’incertitude de mesure » (VIM [18], § 2.41). La chaîne ininterrompue de comparaisons est appelée chaîne de raccordement aux étalons ou chaîne d’étalonnage. En ICP-OES, la traçabilité des mesures est assurée par l’utilisation de solutions étalons (ou métaux de haute pureté) et de matériaux de référence certifiés.

64

3 Gestion des échantillons au laboratoire 1

Introduction

Ce chapitre vise à rappeler les étapes principales de la gestion des échantillons au laboratoire. Pour cela, le choix a été fait d’illustrer la problématique par un exemple pratique mis en œuvre sous accréditation COFRAC, reconnue pour ses exigences qualitatives et normatives. Les laboratoires peuvent ainsi s’en s’inspirer, en l’adaptant à leur cas particulier du fait des spécificités inévitables de l’exemple. Il exclut l’échantillonnage et le volet analytique. La gestion des échantillons est abordée à la fois sous l’angle de la gestion physique (suivi des étapes de préparation et de mesure) ainsi que sous l’angle administratif (demande d’analyse, documents de suivi, rapport final).

2 2.1

Gestion administrative De la réception des échantillons à l’émission des résultats

Dans l’objectif d’assurer, dans les meilleures conditions possibles, les dosages demandés, tout en assurant une traçabilité complète, l’ensemble des actions administratives en lien avec les mesures doit être consigné, depuis l’enregistrement des échantillons jusqu’à l’édition du rapport final (Rodier et al. [33], p. 597-610).

65

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Cette gestion administrative, aussi appelée « ordonnancement », comprend six étapes principales : 1. Réception des échantillons La date et éventuellement l’heure doivent être consignées, ainsi que toute anomalie constatée (colis détérioré, conditionnement inadéquat, rupture de la chaîne du froid, etc.). La conformité avec le cahier des charges (« demande d’analyse ») défini avec le client doit être vérifiée : nombre et nature des échantillons, mesures demandées, etc. La traçabilité de cette étape doit être assurée sous quelque support que ce soit : archive papier, fichier informatique, éventuellement photographie, etc. 2. Identification des échantillons Celle-ci doit être unique, non ambiguë et durable. Toutes les caractéristiques pertinentes doivent être répertoriées dans une base de données : nom et société du demandeur, référence du contrat ou de la demande d’achat, référence d’échantillon, type de mesures à effectuer, etc. En pratique, l’utilisation d’étiquettes pré-imprimées, de codes-barres ou de formulaires-types permet d’assurer un contrôle qualité efficace. 3. Mesure des échantillons Les techniques à mettre en œuvre, les personnels concernés, les procédures de mesure applicables (« validés »), le séquencement éventuel des opérations sont définis par le responsable désigné par le laboratoire. La mesure commence au premier contact physique de l’agent de laboratoire avec l’échantillon en vue de sa préparation. Les dates de début et de fin de mesure doivent être enregistrées. 4. Saisie des résultats de mesure Les résultats sont saisis par l’agent de laboratoire en charge de la mesure et cette saisie est éventuellement vérifiée par une tierce personne ou le responsable technique. Ils sont ensuite sauvegardés. Si des feuilles de calcul sont utilisées, elles doivent avoir fait l’objet d’une validation préalable. Il convient enfin de s’assurer que toutes les caractéristiques de la mesure ont été rassemblées dans le cahier de laboratoire et que les données de mesures « brutes » ou « primaires » ont été archivées sous format papier ou informatique. 5. Validation des résultats de mesure Cette validation consiste en l’acceptation, par le responsable désigné par le laboratoire, des résultats de mesure. Elle peut être explicite, par exemple, lorsqu’un bilan masse est réalisé ou lorsque des matériaux de référence certifiés sont inclus dans le protocole de mesure. Elle peut aussi être implicite, en s’appuyant par exemple sur les résultats acquis lors d’essais interlaboratoires (EIL).

66

3. Gestion des échantillons au laboratoire

6. Émission du rapport final Ce document doit être rédigé de façon claire et compréhensible, et doit regrouper tous les renseignements utiles au demandeur, par exemple : rappel du cahier des charges, résultats de mesures, incertitudes associées, interprétation éventuelle, procédures ou normes utilisées, sous-traitances le cas échéant, accréditation et agréments, etc. Toutes ces étapes peuvent être partiellement automatisées grâce à des systèmes de gestion de l’information du laboratoire (en anglais LIMS pour Laboratory Information Management System). Les exigences réglementaires et de sécurité spécifiques aux matrices mises en œuvre et aux installations doivent également être prises en compte.

2.2

Exigences normatives

La norme internationale NF EN ISO/CEI 17025, intitulée « Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais » [34], établit les exigences qu’un laboratoire de caractérisation se doit de respecter pour prouver sa compétence ainsi que la validité de ses résultats. La conformité à ces exigences est obligatoire pour les laboratoires accrédités par le COFRAC, mais son usage peut être d’une grande utilité pour tous les autres. En effet, toutes les prescriptions nécessaires à la bonne mise en œuvre des six étapes précitées se retrouvent dans trois de ses chapitres (version de 2005) : • § 5.8 : « Manutention des objets d’essai et d’étalonnage » ; • § 5.9 : « Assurer la qualité des résultats d’essai et d’étalonnage » ; • § 5.10 : « Rapport sur les résultats ». Pour les laboratoires accrédités, le document LAB REF 02 [35] du COFRAC explicite les exigences de cette norme internationale. Celui-ci est destiné à en faciliter l’application, mais ne s’y substitue pas.

2.3

Exemple de procédure

Nous donnons ici un exemple de procédure d’ordonnancement utilisé par un laboratoire accrédité par le COFRAC pour des analyses d’eau, en particulier par spectrométrie d’émission optique. Toutefois, il est suffisamment général pour pouvoir s’appliquer à d’autres matrices par tout mode de caractérisation. A. Objet Il s’agit de décrire les dispositions prises par le laboratoire en matière de traitement et de suivi des demandes de travaux d’analyses (DTA) et des échantillons.

67

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

B. Domaine d’application Cette procédure est applicable à toutes les analyses réalisées dans le cadre de l’accréditation COFRAC du laboratoire. Elle concerne la vie pré-analytique des échantillons parvenant au laboratoire. C. Responsabilités Le responsable de l’application de cette procédure est le responsable de l’ordonnancement des DTA ou son suppléant. D. Sigles et abréviations Voir la liste en début de volume. E. Documents associés • • • • •

contrat annuel avec le client ; fiche de suivi physique des échantillons ; formulaire de contact client ; formulaire de DTA ; fiche de travail interne (FTI) associée.

Les références de ces documents sont disponibles dans le répertoire des documents applicables. F. Ordonnancement Le logigramme suivant décrit le circuit d’une DTA et de l’échantillon avant la mesure proprement dite (fig. 7). G. Réception et création de la DTA Pour chaque DTA, le LIMS attribue un numéro du type : laboratoire prestataire/année (quatre chiffres)/numéro incrémenté (quatre chiffres, remis à zéro annuellement) et pour chaque échantillon, il attribue un numéro du type : laboratoire prestataire/année (deux chiffres)/numéro incrémenté (quatre chiffres, remis à zéro annuellement). Le responsable ordonnancement ne traite une DTA que lorsqu’il a reçu l’exemplaire papier de celle-ci et que les échantillons sont arrivés au laboratoire. H. Contrôle à réception Le client a la responsabilité de faire parvenir les échantillons au laboratoire (cf. contrat). Lorsqu’ils arrivent, un agent de laboratoire (ou en son absence, le responsable technique) effectue un contrôle visuel afin de vérifier le respect des dispositions établies dans le contrat, notamment en termes de conditionnement des échantillons.

68

3. Gestion des échantillons au laboratoire

Chef de laboratoire

Agent de laboratoire

Responsable technique

Responsable ordonnancement

Demande du client Rédiger le contrat

Le client est-il interne ?

Le client dispose-t-il de StarLims ?

OUI

OUI

NON

NON Réceptionner la demande (papier, téléphone, fax)

Créer la DTA au nom du client

Créer la DTA au nom du chef de laboratoire

Réceptionner la DTA

Contrôler visuellement

Avertir le client (remplir le formulaire contact client)

NON

Le contrôle est-il correct ? OUI

Continuer les analyses ? NON

OUI

Assurer la traçabilité : - imprimer étiquettes code-barres ; coller sur les échantillons - créer une fiche de suivi physique des échantillons Stocker les échantillons Rendre les échantillons au client

Ouvrir un dossier d’analyse Validation de la DTA

Retranscrire la demande en données techniques et valider la FTI Transformation de la DTA en FTI par StarLims Valider la FTI

Diffuser la FTI ET/OU

Formulaire

via LIMS

Tâche

Légende

Sous-traitance

Procédure d’analyse

 Figure 7  Circuit d’une DTA et de l’échantillon avant mesure.

I. Traçabilité de l’échantillon Les étiquettes précisent le numéro de la DTA, les références client et LIMS de chaque échantillon et éventuellement les pictogrammes de sécurité. Elles sont apposées sur les échantillons.

69

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

J. Validation de la DTA Une fois les étapes précédentes effectuées, le responsable ordonnancement doit vérifier que les informations suivantes sont présentes et valides dans le LIMS : • • • • • •

numéro d’imputation budgétaire ; références client des échantillons ; références LIMS des échantillons ; nombre d’échantillons ; nature des échantillons ; délais.

Il complète ensuite la date et l’heure d’arrivée des échantillons avant d’attribuer la DTA au responsable technique. K. Transformation de la DTA en FTI Le responsable technique peut alors retranscrire la demande du client en données techniques (choix des méthodes de mesures), confirmer ou modifier le délai demandé par le client (exprimé en numéro de semaine calendaire) et choisir la diffusion en concertation avec les responsables des différentes techniques de mesures, à l’aide du cartouche Diffusion en bas de page. Le responsable technique précise également si la DTA peut être traitée sous accréditation COFRAC. En cas d’impossibilité du laboratoire de traiter tout ou une partie d’une demande de travaux, une sous-traitance avec un laboratoire extérieur accrédité par le COFRAC peut être envisagée (cf. contrat). Dans le rapport d’essai envoyé au client, les mesures sous-traitées seront spécifiées. Après validation du responsable technique, la DTA est transformée informatiquement en FTI via le LIMS. Le traitement de la FTI ne commence qu’après validation par le chef de laboratoire. L. Diffusion de la FTI Le responsable ordonnancement édite alors un exemplaire de la FTI qu’il joint au dossier final. La consultation régulière du LIMS permet aux agents concernés de suivre l’état des demandes. Par contre, si la DTA est refusée par le responsable FTI ou par le chef de laboratoire, il retourne au client l’exemplaire papier complété dans le cadre inférieur, en précisant les motifs et garde une photocopie dans le dossier.

70

3. Gestion des échantillons au laboratoire

3 3.1

Gestion physique Choix du conditionnement

Le choix du conditionnement dépend de la nature des échantillons, du mode de prélèvement, des risques d’évolution pendant la phase de stockage, ainsi que des mesures qui leur sont associées. Il convient particulièrement d’éviter : • une contamination induite de l’échantillon par des constituants inorganiques présents dans des récipients en verre, ou par des composés organiques ou des métaux (cadmium, zinc par exemple) issus de récipients en plastique (bouchon compris) ; • les réactions entre l’échantillon et le récipient, ce qui implique une inertie chimique et biologique de ce dernier. Ainsi, dans le cas du dosage du mercure, les échantillons doivent être conservés dans du verre ou du quartz pour éviter la réduction en mercure métallique et sa diffusion à travers les parois des matériaux plastiques (Hagège et al., Techniques de l’Ingénieur [36]). À l’inverse, on évitera les flacons en verre pour les échantillons contenant des traces d’acide, fluorhydrique en particulier. Si un nettoyage préalable des récipients est nécessaire, différents modes opératoires peuvent être mis en œuvre. Une validation préalable est dans tous les cas indispensable, notamment par l’utilisation en routine de blancs (contrôle de la contamination) et d’échantillons certifiés (contrôle de l’adsorption, pertes, contaminations, etc.). Des précautions de bon sens peuvent être facilement prises pour éviter les contaminations croisées, comme utiliser des flaconnages jetables ou réserver des récipients pour la mesure d’une matrice spécifique. Il convient également de s’assurer que les surfaces internes des flacons à usage multiple sont exemptes de signes de dégradation afin d’y éviter l’adsorption d’éléments trace. Dans le cas d’échantillons liquides destinés à des mesures élémentaires, les récipients peuvent être décontaminés par trempage dans de l’acide (éventuellement associé à un traitement par ultra-sons), puis rincés avec de l’eau de qualité adaptée. Pour certaines matrices, des normes internationales précisent le mode de conditionnement et les précautions à lui associer. C’est le cas, par exemple, des boues et sédiments (ISO 5667-12 [37] ; NF EN ISO 5667-13, 19 [38, 39]) ainsi que des eaux (ISO 5667-4 à 11 [40-47]).

3.2

Précautions de stockage

Tous les échantillons issus de matériaux non inertes, qu’ils soient de nature biotique ou abiotique, liquides, solides ou gazeux, sont susceptibles de se modifier dans le laps de temps séparant l’instant du prélèvement de celui de la mesure. Ces modifications

71

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

peuvent être induites par des processus physiques, chimiques ou biologiques, et entraîner un biais vis-à-vis des concentrations finales mesurées. Il est donc recommandé de mesurer l’échantillon le plus rapidement possible, en prenant toutes les précautions nécessaires afin de limiter au maximum son évolution en phase de stockage. Celles-ci dépendent de la matrice, des éléments à mesurer mais aussi des techniques de mesures retenues. On notera que plusieurs normes internationales de type (NF EN) ISO fournissent des lignes directrices de conservation et de traitement pour certaines matrices, comme les boues et sédiments (NF EN ISO 5667-15 [48]) et les eaux (NF EN ISO 5667-3 [49]).

3.2.1

Causes d’instabilité

Elles sont diverses et dépendent de la nature des échantillons et de leur état physique : • présence de micro-organismes tels que bactéries, algues, micro-invertébrés, qui peut induire un changement de la répartition des éléments trace au sein de l’échantillon sous l’effet de diverses activités biologiques (par exemple, accumulation des éléments dissous par les organismes, volatilisation par méthylation dans le cas de l’arsenic ou du sélénium) ; • adsorption plus ou moins irréversible de métaux dissous ou à l’état colloïdal à la surface des récipients ou dans les matières en suspension, etc. ; • absorption de la vapeur d’eau par l’échantillon ; • oxydation par l’oxygène dissous présent dans l’échantillon ou dans l’air ; • départ de molécules organiques ou d’éléments d’une phase dissoute, par précipitation (carbonates, fluorures, etc.) ou par volatilisation (solvants organiques, mercure, etc.). Celui-ci peut être favorisé par la présence de gradients de température ; • dégradation par le rayonnement ultra-violet/visible (argent) ; • affinités chimiques entre éléments (molybdène et zirconium par exemple) ; • échanges gazeux entre l’échantillon et l’air (il est recommandé de remplir les flacons au maximum ce qui minimise également l’agitation au cours du transport, sauf en cas de congélation) ; • fermentation ; • etc. Dans certains cas, l’instabilité des échantillons peut conduire à des problèmes de sécurité majeurs (par exemple, réaction des métaux alcalins ou des poudres métalliques avec l’oxygène ou la vapeur d’eau). La consultation des fiches de données de sécurité, si possible avant l’arrivée des échantillons au laboratoire, est indispensable.

72

3. Gestion des échantillons au laboratoire

3.2.2

Parades possibles

En fonction du risque identifié, une conservation à l’abri de la lumière, sous atmosphère neutre (boîte-à-gants sous balayage d’argon ou d’azote sec par exemple) ou encore avec une température et/ou une hygrométrie relative contrôlée (enceinte climatique, dessiccateur par exemple) peut être envisagée. Là où un dégagement gazeux peut se produire, les échantillons doivent être stockés dans des conditions de réfrigération et à l’obscurité afin de limiter la stimulation de l’activité biologique et les réactions photochimiques de conversion des espèces chimiques. Dans le cas d’une fraction dissoute, il est préconisé de filtrer très rapidement l’échantillon sur une membrane de porosité 0,45 µm afin d’éviter la fixation des éléments sur les matières en suspension, algues et autres micro-organismes ou la mise en solution d’éléments adsorbés sur ces particules. Il est important de s’assurer que la filtration ne provoque pas de pollution induite (métaux ou substances organiques) dans le filtrat ou, inversement, qu’elle n’en retient pas une fraction importante. Dans ce cas, une alternative à la filtration peut être la centrifugation mais en aucun cas la décantation. Des conservateurs peuvent également être utilisés pour stabiliser les éléments en solution mais ils ne doivent pas interférer lors de la mesure. Ils sont généralement incorporés en solutions concentrées, de façon à pouvoir négliger la dilution engendrée par leur ajout. La qualité de ces conservateurs doit être en adéquation avec les limites de détection souhaitées. Après avoir ajouté le conservateur, il est important d’étiqueter l’échantillon en conséquence. Enfin, il est essentiel de prévoir la réalisation d’un essai à blanc, les acides pouvant apporter des éléments polluants en quantités plus ou moins importantes selon la qualité choisie. L’acidification des échantillons (habituellement par l’acide nitrique à un pH donné) est fréquemment employée. Elle permet d’éviter, à long terme, l’adsorption ou l’échange ionique des cations traces sur les parois des récipients.

3.3

Exemple de procédure

Nous donnons ici un exemple de procédure décrivant les précautions de conservation mises en place par un laboratoire accrédité par le COFRAC pour des mesures sur des échantillons d’eaux douces et résiduaires.

73

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

A. Objet Il s’agit de décrire les dispositions prises par le laboratoire pour assurer la conservation des échantillons à leur arrivée, pour les mesurer à leur sortie de l’ordonnancement puis émettre le rapport d’essai au client. B. Domaine d’application La procédure s’applique aux mesures de pH, conductivité, DCO, MES et ICP-OES d’échantillons d’eaux. C. Responsabilités La responsabilité de l’application de cette procédure incombe au responsable technique. Néanmoins toute personne susceptible de réaliser les mesures ou d’émettre le rapport d’essai est amenée à l’utiliser. D. Sigles et abréviations Voir la liste en début de volume. E. Documents associés Procédures et formulaires, dont la liste et les références sont disponibles dans le répertoire des documents applicables. F. Mesures Le logigramme suivant décrit la vie de l’échantillon au sein du laboratoire, ses mesures, la rédaction, la validation et l’émission du rapport d’essai (Fig. 8). Conservation des échantillons avant mesures  Note : Pour chaque prélèvement, le volume nominal brut à prélever est de 2 L (1 000 mL pour le volume minimal) dans un flacon en plastique et de 500 mL (50 mL pour le volume minimal) dans un autre flacon en plastique (HDPP, HDPE, PFA) préalablement dépollué. Les flacons doivent être complètement remplis.

Ajout d’agents de stabilisation

Utiliser des agents chimiques de stabilisation lorsque cela est nécessaire.  Note : L’agent de laboratoire devra : • diviser l’échantillon en plusieurs fractions afin de prendre en compte ces conditions de conservation ; • enlever quelques millilitres des flacons pour les échantillons nécessitant l’ajout d’un réactif ou une congélation.

74

3. Gestion des échantillons au laboratoire

Agent de laboratoire

Ingénieurs laboratoire

Responsable technique

Vérifier les résultats

Vérifier les résultats

Chef de laboratoire

Secrétariat

Responsable ordonnancement

Procédure d’ordonnancement Échantillons Ajouter les agents chimiques de stabilisation si nécessaire Stocker à 3,5 ± (1,5 °C – inc) Analyse : cf. procédures Entrer les résultats dans la feuille de résultats (simple ou double répliques) Valider les résultats

Faire vérifier les résultats par un agent de laboratoire

OUI

Faut-il refaire les analyses ? NON

Les résultats sont-ils corrects ? NON

OUI

Demander des explications aux agents de laboratoire Viser les feuilles de résultats et valider les résultats Rédiger le rapport d’essai Contrôler le contenu du rapport d’essai et viser la page de garde

Si erreur

Viser la page de garde du rapport d’essai Valider

Détruire les échantillons et compléter la fiche de destruction des échantillons

Compléter la date du solde de la FTI sur la destruction des échantillons

Délai de 1 mois

Formulaire

via LIMS

Apposer le code-barres

Diffuser le rapport d’essai au client et en archiver un exemplaire

Tâche

Client

Légende

 Figure 8  Vie de l’échantillon au laboratoire.

Réfrigération des échantillons

Si les mesures ne sont pas commencées dès leur arrivée au laboratoire, les échantillons devront être placés au réfrigérateur, à l’obscurité et à 3,5 ± (1,5 – Inc) °C, avec Inc l’incertitude de mesure de la température (tableau 1).

75

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

Tableau 1 Références normatives pour la conservation des échantillons. Paramètre

Version des normes

Exigences pour la conservation des échantillons

Conductivité électrique NF EN 27888

janvier 1994 [50]

4 °C

Conductivité électrique NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

3 ± 2 °C (pour 24 h max.)

COT - NF EN 1484

juillet 1997 [51]

2 à 5 °C (si pH < 2 et pour 7 jours max. sinon congélation à –20 °C pour quelques semaines).

COT - NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

1 à 5 °C (si 1 < pH < 2 et pour 7 jours max. sinon congélation à –20 °C pour 1 mois max.).

DBO - NF EN 1899-1

mai 1998 [52]

0 à 4 °C (24 h max., sinon congélation).

DBO - NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

1 à 5 °C (24 h max.) ou congélation à –20 °C (1 mois max. si DBO < 50 mgO2 · L–1, sinon 6 mois).

DCO - NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

Pas de spécification en température. Si 1 < pH < 2 : 6 mois max. Si congélation à –18 °C : 6 mois max.

DCO - NF T90-101

février 2001 [53]

5 ± 3 °C

ICP - NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

Pas de spécification en température. Si 1 < pH < 2, 1 mois max. pour Ag, Al, Ba, Be, Ca, Co, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, P, Sb, Se, Sn, V et 6 mois pour As, B, Cd, Cr, Co, Cu, Pb, Ni, Zn.

ICP - NF EN ISO 11885

novembre 2009 [17]

Pas de spécification en température.

MES - NF EN 872

juin 2005 [54]

1 à 5 °C (indiquer dans le rapport si analyse > 2 jours).

pH - NF EN 5667-3

mai 2013 [49]

1 à 5 °C (pour 1 jour max.).

pH - NF T90-008

février 2001 [55]

Pas de spécification en température.

Pas de spécification de température

pH - NF T90-008 pH - NF EN 5667-3 MES - NF EN 872 ICP - NF EN ISO 11885

Pas de spécification de température

ICP - NF EN 5667-3

Pas de spécification de température

DCO - NF T90-101 Pas de spécification de température

DCO - NF EN 5667-3 DBO - NF EN 5667-3

*

DBO - NF EN 1899-1 COT - NF EN 5667-3 COT - NF EN 1484 Conduct. élec. - NF EN 5667-3 Conduct. élec. - NF EN 27888 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Température (°C)

* La congélation des échantillons étant préférée pour ce paramètre, ce critère de température ne sera donc pas retenu.

76

10

3. Gestion des échantillons au laboratoire

Une durée maximale de conservation avant mesure est recommandée et présentée dans le tableau 2 pour chacun des paramètres mesurés.

 Tableau 2  Recommandations pour le prélèvement et la conservation des échantillons. Nature du récipient

Matière plastique puis acidification

Matière plastique

Mesure

pH

Conductivité

MES

DCO

27 éléments par ICP-OES

Volume nominal

100 mL

100 mL

1 000 mL

100 mL

500 mL

Volume minimal

500 mL

500 mL

500 mL

30 mL

50 mL

Mesurer les échantillons dans les 4 h suivant le prélèvement sinon les conserver à une température égale à 3,5 ± (1,5 – Inc) °C et à l’obscurité en le notifiant sur le rapport d’essai.

Acidification à pH  80

RSD Mg 285,213Et

< 2 %

LD Ba, Mg, Zn

< 2 µg.L–1

Largeur Ba 233,527Et

< 10 pm

Largeur Ba 455,403Et

< 17 pm

Ba 455,403Fd/Ba 233,527Fd

< 25

Tests de troisième niveau

Les tests dits de troisième niveau sont identiques à ceux mis en œuvre au moment de l’installation pour définir le temps de préchauffage et la stabilité à long terme (voir ce chapitre, § 2.1 et 2.2). Compte tenu du temps nécessaire à leur réalisation (quelques heures), ces tests sont pratiqués une à deux fois par an si aucun problème de dérive n’est détecté auparavant. Les variations observées peuvent là aussi apporter des informations intéressantes sur des dysfonctionnements propres à certains organes de l’ICP-OES. Ainsi, les dérives observées sur les raies Ar 404,442 nm et Zn 206,200 nm sont plutôt

119

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

symptomatiques de problèmes concernant le transfert d’énergie, situés par conséquent au niveau du générateur ou de la bobine principalement. Les dérives affectant la raie Ba 455,403 nm révèlent pour leur part des problèmes plutôt associés à la nébulisation (capillaires, nébuliseur, chambre). La figure 19 est un exemple intéressant pour illustrer l’intérêt des tests de troisième niveau. La variation sinusoïdale des intensités, observée ici sur une période de vingtquatre heures environ, a permis de mettre en évidence un problème de stabilité en température lié à un défaut de climatisation dans le laboratoire. 23

22

100

21

Température (°C)

Intensité relative (%)

105

Zn 206,200 nm Température laboratoire 20 2

7

:3 15

4

:2 14

2

:1 13

0

:0 12

9

:5 10

7

:3 09

9

:2 08

2

:1 07

5

:1 06

8

:0 05

1

:5 03

3

:5 02

6

:4 01

9

:3 00

2

:2 23

5

:2 22

7

:1 21

0

:0 20

3

:0 19

:5

:4 16

17

6

95

Temps (h:min)

 Figure 19  Variation de l’intensité mesurée sur la raie Zn 206,200 nm en fonction du temps et des valeurs de température relevées dans le laboratoire. Longueur d’onde en nanomètres.

6

Qualification de performances

La qualification de performances permet, comme la qualification opérationnelle, de vérifier le bon fonctionnement de l’appareil au cours de son utilisation mais surtout de s’assurer qu’il est correctement étalonné pour des applications particulières. En théorie, une qualification de performance devrait être entreprise pour chaque nouvelle matrice analysée. En règle générale, elle s’appuie sur la mesure de matériaux de contrôle (QC) semblables aux échantillons étudiés. Elle peut consister par exemple en la validation des étalonnages au moyen de solutions de référence indépendantes des solutions utilisées pour préparer la gamme. À titre d’exemple, la figure 20 représente les résultats obtenus pour la qualification de performances d’un ICP-OES utilisé pour le dosage de métaux traces en solution.

120

5. Qualification et suivi de l’appareillage

Les valeurs reportées correspondent aux concentrations mesurées en fer sur une solution de référence multi-élémentaire (par exemple Spex™ CLMS-2) mesurée systématiquement pour valider la droite d’étalonnage utilisée. Dans cet exemple, le laboratoire s’assure ainsi que la valeur mesurée est cohérente avec la valeur théorique choisie arbitrairement à 5 %. Ce type de qualification peut aussi être intéressant pour le suivi d’éléments importants dans un procédé ou d’éléments de pollution. 0,6

C mesurée

Concentration (mg.L–1)

C théorique ± 5%

0,4

0,2

0,0 1

5

9

13

17

21

25

29

33

37

Numéro d’essai

 Figure 20  Comparaison entre les concentrations théoriques du fer et celles mesurées dans une solution référence (Spex™ CLMS-2).

7

Conclusion

Cette procédure de qualification d’un spectromètre ICP-OES permet de s’assurer de son bon fonctionnement dès son arrivée au laboratoire. Les tests effectués à l’installation ont pour objectif de vérifier que l’appareil répond correctement aux spécifications du constructeur et aux exigences liées aux applications du laboratoire (d’où l’importance du cahier des charges au moment de l’achat). Les procédures de qualification opérationnelle et de performance permettent de s’assurer ensuite que le spectromètre est correctement entretenu et étalonné, et qu’il fonctionne convenablement, sans dérive ou écart qui auraient un impact significatif sur les résultats. Les opérations de maintenance des équipements, qui sont des phases également essentielles pour garantir le bon fonctionnement d’un ICP-OES, n’ont pas été considérées. Dans ce domaine et plus particulièrement pour la maintenance préventive, il serait intéressant d’envisager des procédures relativement standard, définies en concertation entre les services de maintenance des constructeurs et les laboratoires,

121

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

comme proposé ici pour la qualification. Des actions ont été engagées dans ce sens par quelques laboratoires, avec une liste des interventions à effectuer et les résultats des vérifications consignés dans un carnet d’entretien. Il faut souligner enfin que toutes ces actions, désormais incontournables, participent à une meilleure maîtrise technique des appareils de mesure.

122

6 Réglages instrumentaux et stratégie d’étalonnage

La maîtrise des mesures en ICP-OES nécessite une connaissance approfondie des paramètres qui régissent le fonctionnement des appareils et qui déterminent en grande partie les performances de mesure. Les paramètres opératoires interviennent au cours des étapes successives du processus analytique, depuis l’introduction de l’échantillon jusqu’à l’exploitation de l’intensité de la raie d’émission. Au-delà de la mesure proprement dite, les paramètres associés à la prise en compte des effets de matrice et à l’étalonnage sont également déterminants pour pouvoir convertir l’intensité du signal mesuré en une valeur de concentration qui soit la plus proche possible de la valeur vraie.

1

Les paramètres opératoires

Ce paragraphe considère les paramètres opératoires à optimiser dans le processus de mesure. Ils sont : • soit instrumentaux, liés à l’introduction des échantillons, à la production du plasma et à la collection des photons ; • soit relatifs à l’acquisition et à l’exploitation des signaux mesurés, en particulier les critères de sélection des raies, le temps et le mode d’intégration, le nombre de répliques, etc.

123

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

1.1

Paramètres instrumentaux

Les paramètres de fonctionnement liés à la production du plasma et à l’introduction de l’échantillon sont résumés dans le tableau 20. Certains sont accessibles par le logiciel ou de façon manuelle (par exemple le débit de gaz de nébulisation), alors que d’autres sont des composants qu’il est nécessaire de changer, comme le nébuliseur ou la chambre.  Tableau 20  Paramètres de fonctionnement liés au plasma et au système d’introduction. Plasma

Système d’introduction

Temps de préchauffage

Type de nébuliseur

Puissance

Débit de nébulisation

Débit de gaz plasmagène

Débit de gainage (selon le modèle) Débit de gaz auxiliaire (selon le modèle) Débit pompe péristaltique Diamètre et nature de l’injecteur Type de chambre Temps d’équilibrage Temps de rinçage

1.1.1

Systèmes d’introduction

Le système le plus couramment utilisé est la nébulisation de solutions en milieu aqueux ou organique. Le système comprend au minimum un nébuliseur, généralement de type pneumatique, et une chambre de nébulisation servant à sélectionner les gouttes les plus fines. On considère que pour les plasmas utilisés avec des puissances comprises entre 1 000 et 1 500 W, leur diamètre doit être inférieur à 10 µm pour être entièrement vaporisées. Les nébuliseurs et les chambres doivent pouvoir être installés facilement et de manière reproductible. Les matériaux utilisés pour ces accessoires sont très divers et doivent idéalement résister aux acides ou aux solvants organiques (tableau 21).

124

6. Réglages instrumentaux et stratégie d’étalonnage

 Tableau 21  Caractéristiques des matériaux utilisés pour les systèmes d’introduction des échantillons. Matériau

Marque

Résistance aux acides

Résistance aux solvants organiques

Verre borosilicaté

Excellente sauf HF Excellente

Silice (quartz)

Excellente sauf HF Excellente

Perfluoroalkoxy ou PFA

Dyneon™ (Dyneon LLC), Neoflon® ( Daikin America, Inc.), Teflon® PFA (E.I. DuPont de Nemours Company) Hostaflon® (Hoechst)

Polychlorotrifluoroethylene ou PCTFE

Kel-F® était originellement la marque déposée de 3M Company, maintenant Neoflon® PCTFE (Daikin America Inc)

Polyetheretherketone ou PEEK

Excellente

Résiste aux solvants aromatiques, aliphatiques et chlorés

Commentaires

Matériau de haute pureté (par rapport au PTFE) ; faible mouillabilité des chambres, améliorable par traitement de surface

Excellent sauf THF, CCl4, et chloroforme

Bonne avec acides dilués, mauvaise avec HF

Polyimide (PI) est un polymère des monomères imides

Vespel® (E.I. DuPont de Nemours Company), Duratron® (Quadrant DSM Engineering Plastic Products) Ultem (Sabic Innovative Plastics)

Polyphenylene sulfide ou PPS

Ryton® (Chevron Phillips Excellent si Chemical) acides pas trop concentrés. Non recommandé pour l’eau régale

Pour acides dilués

Haute pureté

Polypropylene or PP (poly(1methylethylene))

Excellent si acides pas trop concentrés. Non recommandé pour l’eau régale

Gonflement possible avec xylène et toluène

Polytetrafluoroethylene Teflon® (E.I. DuPont de ou PTFE Nemours Company)

Très résistant

Très résistant

Faible mouillabilité des chambres, améliorable par traitement de surface

Très résistant

Haute pureté

Polyvinylidene difluoride, ou PVDF (poly-1,1difluoroethene)

KYNAR® or HYLAR® Très résistant, y (Arkema) Dyflor (Evonik), compris pour HF Foraflon (Arkema) et Solef (Solvay)

125

La validation de méthode en spectrométrie d’émission optique à source plasma (ICP-OES)

1.1.1.1 Différents types de nébuliseurs

Les nébuliseurs pneumatiques utilisent l’énergie fournie par un gaz sur un film de liquide pour le dissocier en fines gouttelettes. Un accroissement de la quantité d’aérosol ne peut être obtenu qu’avec une augmentation du débit de gaz. Le gaz sert également à entraîner l’aérosol formé. Formation et entraînement de l’aérosol sont donc liés. On classe les nébuliseurs en cinq catégories (fig. 21) : Nébuliseur à flux concentriques dit nébuliseur concentrique : le liquide peut être aspiré par effet Venturi mais également entraîné par une pompe péristaltique. Une caractéristique importante est le retrait possible du capillaire servant à l’introduction du liquide par rapport à la pointe du nébuliseur (dimension D). NB : nomenclature pour décrire les caractéristiques des nébuliseurs concentriques (Meinhard® à gauche et Glass Expansion à droite). Dessin du nébuliseur

TR - 30 - A1 Nébuliseur Contre-pression Débit de liquide en verre (psi) à un débit en aspiration de gaz donné libre 1 L.min-1 pour types A et C 0,7 L.min-1 pour type K

Diamètre interne du capillaire (B) Section de sortie du gaz (A)

Épaisseur des parois du capillaire (C) D Solution

ARxx-yy-ZZnnn AR : utilisation de l’argon xx : pression nominale yy : débit ZZ : design nnn : débit d’aspiration libre

A B C D

Argon

Nébuliseur à flux croisés : le gaz et le liquide arrivent par deux capillaires à angle droit dont le positionnement réciproque est critique. La pompe péristaltique est alors obligatoire.

26 200-128 400 mm² ou 0,026-0,13 mm² 150-330 mm 45-100 mm 5-13 mm

Argon

Solution Solution

Nébuliseur du type en V ou du type cône : leur but est d’éviter le bouchage du capillaire d’arrivée du liquide. Pour cela, le liquide arrive par un capillaire de section de l’ordre du millimètre et coule dans un V pour arriver en face de l’orifice de l’argon où il est nébulisé. Ce type est adapté aux solutions chargées, éventuellement avec des suspensions. La pompe péristaltique est également obligatoire.

Argon

Aérosol

Nébuliseurs à flux parallèles : le liquide et le gaz arrivent par deux capillaires parallèles. Le liquide est injecté dans la colonne de gaz par un becquet dans le but d’améliorer l’interaction gaz–liquide. Gaz

Solution

Micronébuliseurs : ils sont optimisés pour de faibles débits de solution (moins de 200 µL.min–1). Leurs caractéristiques sont un volume mort réduit pour diminuer le temps de rinçage et un diamètre intérieur du tube capillaire réduit (de l’ordre de 100 µm). La contre-pression y est plus élevée de même que le risque de bouchage. À noter que des micronébuliseurs du type flux parallèles sont disponibles. Le diamètre du capillaire d’arrivée du liquide est alors de l’ordre de 140 µm.

Figure 21 Les cinq types de nébuliseurs.

126

6. Réglages instrumentaux et stratégie d’étalonnage

Une liste de nébuliseurs pneumatiques commerciaux est donnée dans le tableau 22.  Tableau 22  Liste de nébuliseurs pneumatiques (BU : Burgener, CPI : CPI international, GE : Glass Expansion, HJY : Horiba Jobin-Yvon, ME : Meinhard®, PE : PerkinElmer®, PG : Precision Glassblowing, TSP : Texas Scientific Products). Nébuliseur

Références

Domaine d’applications Matériau

Concentration Résistant Particules en sel HF

Concentrique ME type A

Fourni par défaut, applications générales

Borosilicate

< 0,5 %

Non

Non

ME type C

Fourni par défaut, applications générales

Borosilicate

< 5 %

Non

Non

PG Aerosalt

-

Borosilicate

Modérée

Modérée

Non

ME type K

Utilisé pour les échantillons qui nécessitent des flux de nébulisations réduits, tels que les échantillons organiques

Borosilicate

-

-

Non

ME type CK

Faible débit d’argon

Borosilicate

Modérée

-

Non

GE Slurry

-

Borosilicate

< 1 %