Couplage ablation laser et imagerie spectrale rapide pour identification et analyses de plastiques : concept, développement et validation

Coupling between laser ablation and fast spectral imaging for the identification and the analysis of plastics : concept, development and validation

• Auteur / Autrice : Erwan Negre
• Direction : Jin Yu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/03/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Gérard Panczer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Motto-Ros, Frédéric Pelascini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Bousquet, Jörg Hermann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie spectroscopique

Matières plastiques

Analyse quantitative (chimie)

Spectroscopie sur plasma induit par laser

Mots clés libres

LIBS

Analyse quantitative

Reproductibilité

Imagerie spectroscopique différentielle

Identification de plastiques

LIBS

Quantitative analysis

Reproducibility

Differential spectroscopic imaging

Plastics discrimination

Résumé

La spectroscopie de plasma induit par laser, ou LIBS (acronyme anglais de Laser Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique d'analyse élémentaire basée sur l'émission d'un plasma issu de l'interaction laser-matière. Elle permet en principe une détection de l'ensemble des éléments du tableau périodique avec une sensibilité typiquement de l'ordre du ppm et ce sur tout type de matériaux : solides, liquides ou gazeux. Sa capacité à exploiter aussi bien le signal élémentaire que moléculaire en fait un candidat crédible à l'identification des matériaux organiques, par exemple dans le domaine du tri des déchets plastiques où les techniques d'analyses usuelles peinent à remplir toutes les contraintes liées à cette question. Cependant, le plasma induit par laser est un phénomène transitoire et correspondant à un milieu inhomogène parfois difficile à maitriser, notamment en comparaison avec un plasma à couplage inductif. En conséquence, la LIBS reste aujourd'hui marginale dans les applications où une information fiable et souvent quantitative est requise. Ce travail doctoral, fruit d'un partenariat entre le CRITT Matériaux Alsace et l'Institut Lumière Matière de Lyon dans le cadre 'un financement CIFRE, se propose d'étudier ces deux problématiques. Un nouvel instrument LIBS est tout d'abord présenté. Articulé autour de nombreux outils de contrôle pilotés par un logiciel dédié, il a permis de limiter considérablement les fluctuations du signal LIBS liées aux divers paramètres impliqués dans le processus d'ablation laser (énergie du laser, position de l'échantillon, position de la détection…). L'efficacité de cet instrument est montrée à travers une étude de quantification d'éléments en trace dans des matrices de verre

Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an analytical technique based on the emission of a plasma arising from the laser-matter interaction. All the elements of the periodic table can be detected with a detection limit close to the ppm, regardless of the nature of sample: solid, liquid or gas. LIBS can perform elemental as well as molecular analysis, which makes it a trustworthy technique for the identification of organic materials, especially with reference to plastic waste sorting where the established techniques experience some difficulties to fulfill all the requirements of this issue. Nevertheless, the laser-induced plasma is a transient and inhomogeneous process regularly hard to master in comparison with an inductively coupled plasma. As a consequence, LIBS technique still remains marginal for the applications demanding a reliable and frequently quantitative information. This doctoral research, which falls within the framework of a partnership between the CRITT Matériaux Alsace and the Institut Lumière Matière in Lyon, proposes to examine the two issues mentioned above. A new LIBS instrument is first given. It is organized around several monitoring tools driven by a dedicated software which allowed us to considerably reduce the fluctuations of the LIBS signal coming from the different factors involved in the process of laser ablation (laser energy, sample and detection positions, etc…). The efficiency of this new LIBS instrument is then illustrated through the example of the quantification of trace elements in glass matrices