Approches multivariées innovantes pour le traitement des spectres d'émission de plasmas produits par laser. Application à l'analyse chimique en ligne par LIBS en milieu nucléaire

par Maria El Rakwe

Thèse de doctorat en Chimie Physique et Chimie Analytique

Sous la direction de Gilles Moutiers.

Soutenue le 26-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Analyses Nucléaires Isotopiques et Elémentaires (laboratoire) .

Le jury était composé de Douglas N. Rutledge, Siméon Cavadias, Olivier Forni, Nicole Delepine-Gilon, Cyril Ruckebusch, Jean-Baptiste Sirven, Jean-Michel Roger.


  • Résumé

    L’analyse en ligne et in situ constitue aujourd’hui un axe de développement stratégique pour la chimie analytique. C’est particulièrement vrai dans le domaine nucléaire pour lequel les contraintes de sécurité liées à la radioactivité des échantillons, et la nécessité de limiter au maximum les déchets issus des analyses, plaident en faveur de techniques de mesure à distance, sans prélèvement ni préparation d’échantillon. La spectroscopie d’émission de plasma créé par laser (ou LIBS pour laser-induced breakdown spectroscopy), technique d’analyse élémentaire des matériaux basée sur l’ablation laser et la spectroscopie d’émission optique, possède ces qualités. C’est donc une technique de choix pour l’analyse en ligne. Cependant, la maîtrise de la mesure est délicate pour plusieurs raisons. D’abord, la LIBS est multiparamétrique et l’effet des paramètres expérimentaux sur les performances analytiques n’est pas toujours clairement établi. Ensuite, les phénomènes physiques donnant lieu au signal LIBS sont non linéaires, couplés, et transitoires. Enfin, un système d’analyse en ligne doit être le plus robuste possible face aux variations non contrôlées des conditions de mesure. L’objectif de cette thèse est donc d’améliorer la maîtrise et les performances de l’analyse quantitative par LIBS en utilisant des méthodes multivariées capables de gérer la multidimensionalité, la non linéarité et le couplage des paramètres et des données. Pour cela, le travail se décompose en deux parties. Dans un premier temps, nous avons réalisé un plan d’expériences composite centré visant à relier les paramètres expérimentaux de l’ablation laser (énergie de l’impulsion et paramètres de focalisation du faisceau) et de la détection du signal (délai après le tir laser) aux caractéristiques physiques du plasma (masse ablatée, température) et aux performances analytiques (intensité et répétabilité du signal). L’optimisation des paramètres qui en résulte est alors interprétée comme le meilleur compromis, pour l’analyse quantitative, entre efficacité d’ablation laser et chauffage du plasma. Dans un deuxième temps, nous avons développé une méthodologie multivariée basée sur les techniques MCR-ALS, ICA et PLS, pour quantifier certains éléments dans différentes matrices métalliques en exploitant, en plus de la dimension spectrale habituelle, la dimension temporelle du signal LIBS. Cette dernière, pourtant essentielle, est généralement négligée dans la littérature. Dans cette partie, nous discutons donc de l’intérêt de cette approche par rapport aux méthodes usuelles de quantification (univariée et multivariée), et de l’apport de cette méthodologie pour diagnostiquer, comprendre et éventuellement compenser les effets de matrice observés en LIBS.

  • Titre traduit

    Multivariate innovative approaches to the treatment of the emission of LIBS plasmas. Application to chemical online analysis in a nuclear environment


  • Résumé

    Online and in situ analysis is now a strategic development for analytical chemistry. This is especially true in the nuclear field for which the security constraints related to the radioactivity of samples, and the need to minimize waste from analyzes argue for remote measurement techniques without sampling or sample preparation. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique for elemental analysis of materials based on laser ablation and the optical emission spectroscopy, has these qualities. It is a technique of choice for online analysis. However, the processes involved in LIBS, namely laser ablation, atomization, plasma formation and emission, are quite complex and difficult to control because the underlying physical phenomena are coupled and nonlinear. In addition, the analytical performance of the LIBS technique depends strongly on the choice of experimental conditions. Finally, an online analysis system should be as robust as possible face to uncontrolled variations in measurement conditions. The processes involved in LIBS, namely laser ablation, atomization, plasma formation and emission, are quite complex and difficult to control because the underlying physical phenomena are coupled and nonlinear. In addition, the analytical performance of the LIBS technique depends strongly on the choice of experimental conditions. The objective of this thesis is to improve control and performance of quantitative analysis by LIBS using multivariate methods capable of handling multi-dimensionality, nonlinearity and the coupling between parameters and data. For this, the work is divided into two parts. First the optimization is carried out using a central composite design to model the relationship between the experimental parameters of laser ablation (pulse energy and beam focusing parameters) and signal detection (delay time) to the physical characteristics of plasma (ablated mass, temperature) and the analytical performance (intensity and repeatability of the signal). The optimization parameters that results is then interpreted as the best compromise for the quantitative analysis between efficiency of laser ablation and plasma heating. Secondly, we developed a multivariate methodology based on MCR-ALS, ICA and PLS techniques to quantify certain elements in different metallic matrices operator, in addition to the usual spectral dimension, the time dimension of LIBS signal. In this part, we discuss the value of this approach over conventional methods of quantification (univariate and multivariate) and the contribution of this methodology to diagnose, understand and possibly compensate matrix effects observed in LIBS.


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