Thématiques

1. Développement de dispositifs d’échantillonnage et de préconcentration

L’échantillonnage est l’étape préliminaire à toutes les analyses. Dans le cas d’un instrument fonctionnant en temps réel et en continu, cette phase d’échantillonnage doit être automatisée. Pour atteindre des sensibilités suffisantes pour la détection de polluants dans l’environnement, une phase de préconcentration est souvent nécessaire et fait partie intégrante de l’échantillonnage.

Deux cas généraux se présentent. Dans le premier cas, cette étape de préconcentration permet de piéger de nombreuses molécules d’intérêt et n’est pas sélective à certains composés. Cela nécessite alors d’utiliser des étapes de séparation et de détection capables de séparer et discriminer chacune des molécules visées. Dans un second cas, cette étape d’échantillonnage et de préconcentration est sélective à un ou plusieurs composés par exemple d’une même famille, ce qui permet alors d’utiliser des étapes de séparation moins longues ou de s’en affranchir et des détecteurs potentiellement moins performants.

Une préconcentration sélective présente donc un grand intérêt et peut être obtenue avec des matériaux fonctionnalisés et/ou hiérarchisés.

2. Développement de système de séparation des analytes

Dans le cas d’un mélange complexe de polluants à analyser (notamment les VOC, OVOC, PAH, aldéhydes), il convient de séparer les molécules entre l’étape d’échantillonnage et/ou de préconcentration et l’étape de détection des analytes. C’est le cas des chromatographiques gazeuse et liquide où une colonne permet de séparer les analytes injectés avant leur passage dans le détecteur.

Des dispositifs miniaturisés intégrant une colonne chromatographique seront testés et permettront le cas échéant de réduire la taille de l’instrument.

Dans quelques cas impliquant une seule molécule à détecter, cette phase de séparation n’est pas indispensable si le détecteur est sélectif au composé ciblé ou si l’échantillonnage (intégrant une réaction de dérivation) est spécifique à cette même molécule.

3. Développement de détecteurs

Dès lors que l’instrument intègre un dispositif de préconcentration de l’échantillon, il est alors possible d’utiliser des détecteurs moins sensibles, moins coûteux et davantage compacts comme les détecteurs électrochimiques ou à photoionisation.

Ce type de détecteur présente également l’avantage de ne pas nécessiter l’utilisation de gaz spécifique comme un détecteur à ionisation de flamme dont l’implémentation dans un instrument implique l’utilisation d’hydrogène et d’air pur provenant de cylindres de gaz ou de générateurs spécifiques, les deux alternatives étant particulièrement encombrantes, ce qui limite de fait la portabilité de l’instrument.

4. Développement de dispositifs de calibration

Réaliser une mesure fiable et précise des concentrations de molécules ciblées, requière que les instruments soient étalonnés au préalable. Ceci implique l’utilisation de source de calibration interne ou externe aux instruments. Pour les analyses en phase liquide, des solutions diluées de composés peuvent être obtenues à partir de solutions commerciales standard certifiées par simple dilution dans le solvant approprié. Pour les analyses en phase gazeuse, des mélanges gazeux existent pour certaines espèces et en particulier les plus volatils. Néanmoins, ces cylindres de gaz ne sont que rarement facilement transportables car particulièrement lourds et encombrants. De fait, il s’agit ici de développer des dispositifs plus compacts et moins consommateur de gaz pour obtenir des mélanges gazeux de COV et COSV à des concentrations parfaitement contrôlées et reproductibles.

Un composé peut par exemple être généré en phase gazeuse via un tube à perméation régulé avec précision en température et placé dans un flux d’air à débit constant. Après un certain temps de stabilisation, la concentration obtenue est stable au cours du temps. Cette concentration dépend notamment du taux d’émission du tube à perméation utilisé qui est exprimé en ng.h^-1. Pour la génération d’un mélange gazeux de plusieurs composés, il conviendra alors d’utiliser plusieurs tubes à perméation.

Des études et développements sont menés ici pour :

Réduire le temps nécessaire à la stabilisation de la concentration du ou des composé(s) en phase gazeuse ;
Prédire la concentration générée à partir d’abaques et des conditions expérimentales utilisées ;
Améliorer la stabilité des concentrations générées ;
Améliorer la reproductibilité des concentrations générées ;
Améliorer la portabilité du dispositif en réduisant sa taille et son poids ;
Réduire son coût de fabrication.

D’autres solutions alternatives au tube à perméation pourront également être envisagées.

5. Développement de méthodes de dérivation des analytes

Parfois, les molécules ciblées présentent soit de faibles facteurs de réponses avec certains détecteurs soit des propriétés inadéquates comme la polarité pour une séparation satisfaisante dans une colonne chromatographique. Dans ce cas, transformer cette molécule cible en une plus facilement analysable et détectable revêt un fort intérêt.

Ce type de réaction de dérivation doit être rapide et totale afin de déterminer la concentration de l’espèce ciblée à partir de la concentration du produit de réaction et de la stœchiométrie de la réaction de dérivation. C’est le cas par exemple pour la mesure des aldéhydes dans l’air par la méthode normée de référence.

6. Validation en conditions de laboratoire

Les validations de nouvelles méthodes analytiques, de nouveaux instruments, ou encore de nouveaux composants d’un instrument seront menées dans des conditions contrôlées de laboratoire, à savoir pour des conditions de température, d’humidité relative et des concentrations données (TRL 4 et 5). Ces expériences permettront de déterminer les performances analytiques, notamment les limites de détection et de quantification, le domaine de linéarité, etc. Les interférences liées à la présence d’autres composés que les molécules ciblées feront l’objet d’une attention particulière.

Ces validations de laboratoire seront organisées après concertation dans l’un ou l’autre des deux laboratoires des partenaires en fonction des ressources matériels nécessaires et disponibles et de toutes autres contraintes techniques, financières et organisationnelles. Il est à noter qu’une méthode de référence sera utilisée pour valider les résultats obtenus avec les nouveaux instruments développés dans le cadre de ce travail.

7. Validation en conditions réelles

Une fois la validation en laboratoire effectuée, il s’agira de réaliser des mesures dans des environnements réels représentatifs (TRL 5 à 7). Pour l’analyse de l’air, ce seront par exemple des environnements intérieurs, extérieurs ou encore des milieux industriels (cheminées d’émission). Pour l’analyse de l’eau, ce seront des milieux naturels (rivières, lacs, etc.), des eaux issues de rejets industriels ou encore des mesures amont/aval de dispositifs d’épuration.

Pour les campagnes de mesures, les deux partenaires se concerteront pour l’organisation, la logistique, la complémentarité des instruments mis à disposition. Les deux partenaires partageront les frais associés à ces campagnes de mesures (déplacements, consommables, etc.).

Outre les nouveaux analyseurs développés, une méthode de référence normée sera utilisée pour valider les résultats obtenus.