Qu’est-ce qu’un analyseur élémentaire ?
Un analyseur élémentaire est un appareil permettant de déterminer les types (analyse qualitative) et les rapports de composition (analyse quantitative) des éléments qui composent une substance chimique.
Comme toutes les substances sont composées d’éléments, la clarification des types et des ratios d’éléments est l’un des aspects les plus importants de la compréhension des propriétés d’une substance.
Les substances sont divisées en deux grandes catégories : les substances organiques et les substances inorganiques. Les substances organiques désignent la plupart des composés contenant du carbone. L’analyse élémentaire peut être utilisée pour déterminer le pourcentage d’éléments tels que le carbone (C), l’hydrogène (H), l’oxygène (O) et l’azote (N) afin d’obtenir une formule de composition pour les substances organiques.
Les substances inorganiques, quant à elles, sont définies comme non organiques et comprennent les éléments métalliques et non métalliques, les hydrures, les oxydes, les hydroxydes, les halogénures, les sulfates, les nitrates, les carbonates et les complexes métalliques. L’analyse élémentaire qualifie et quantifie les éléments métalliques tels que le sodium (Na) et le potassium (K), mais aussi les éléments non métalliques tels que le bore (B) et le silicium (Si) et les halogènes tels que le chlore (Cl) et le fluor (F).
Différentes méthodes d’analyse sont disponibles, en fonction de la substance concernée (organique ou inorganique), du type d’élément et de l’état de la substance (liquide ou solide).
Utilisations des analyseurs élémentaires
L’analyse élémentaire est utilisée dans un grand nombre de domaines car elle couvre une grande variété de substances chimiques. Voici quelques exemples typiques :
- Domaines environnementaux
Analyse des nutriments du sol, compréhension de la composition chimique des engrais, etc. - Secteur alimentaire
Évaluation du contenu nutritionnel des denrées alimentaires, etc. - Secteur pharmaceutique
Détermination de la composition et de la pureté des produits pharmaceutiques, etc. - Matériaux
Contrôle de la qualité, compréhension de la composition des matériaux, etc.
Types d’analyses élémentaires
1. Analyse élémentaire des substances organiques
Un analyseur élémentaire des substances organiques convertit les éléments tels que le carbone dans l’échantillon en substances faciles à mesurer, puis en quantifie chacune d’entre elles par une méthode appropriée.
Tout d’abord, les éléments sont convertis soit en brûlant l’échantillon dans un gaz porteur, soit en ajoutant un agent de décomposition dans un liquide, ce qui constitue une méthode humide. Diverses méthodes d’analyse sont disponibles, mais les méthodes typiques sont énumérées ci-dessous.
Pour le carbone et l’hydrogène, l’oxygène est utilisé comme gaz porteur et l’échantillon est entièrement brûlé pour convertir le carbone en CO2 et l’hydrogène en H2O, qui sont ensuite capturés et quantifiés par des méthodes appropriées. L’azote peut être analysé en mesurant le volume après que l’échantillon a été complètement brûlé avec un adjuvant de combustion dans un flux de dioxyde de carbone et converti en N2.
Il est également possible de convertir un échantillon en ammoniac en ajoutant un agent de décomposition à l’échantillon, puis de le capturer et de le quantifier à l’aide d’un agent de réparation. L’oxygène est calculé à partir de la somme des pourcentages des autres éléments.
2. Analyse élémentaire des substances inorganiques – pour les échantillons liquides
La chromatographie ionique (CI) est une technique analytique pour la détermination qualitative et quantitative des composants ioniques, principalement en solution, en utilisant la chromatographie ionique, un type de chromatographie liquide. Les composants mesurés comprennent les anions inorganiques, les métaux alcalins et l’ammoniac.
D’autres méthodes analytiques utilisant le plasma inductif à radiofréquence (ICP) sont également connues, notamment la spectrométrie d’émission atomique ICP (ICP-AES) et la spectrométrie de masse ICP (ICP-MS). Ces deux méthodes analytiques largement utilisées permettent de mesurer simultanément environ 70 éléments dans des échantillons de solutions aqueuses. Si l’échantillon est solide, il peut être analysé par décomposition ou extraction dans une solution aqueuse.
Dans l’ICP-MS, un échantillon de solution aqueuse est atomisé et introduit dans un plasma à couplage inductif (ICP) comme source d’ionisation, et les éléments ionisés dans le plasma sont séparés et détectés par un spectromètre de masse pour l’analyse élémentaire.
L’ICP-AES, quant à lui, atomise et introduit un échantillon de solution aqueuse, puis émet une ligne spectrale de lumière lorsque les éléments excités retournent à leur état fondamental, ce qui permet d’identifier les éléments à partir de la longueur d’onde et de les quantifier à partir de l’intensité. La spectrométrie de masse fournit des informations élémentaires sur une large gamme de concentrations, des éléments majeurs aux éléments traces.
La spectrométrie d’absorption atomique (SAA) atomise les éléments dans une solution acide diluée, les expose à la lumière et mesure leur concentration à partir de l’absorption de la lumière (absorbance). Tous les atomes passent d’un état de basse énergie (état fondamental) à un état de haute énergie (état excité) lorsqu’ils reçoivent de l’énergie lumineuse de l’extérieur, mais la différence d’énergie entre l’état fondamental et l’état excité est déterminée par l’élément. La différence d’énergie entre l’état fondamental et l’état excité est donc déterminée par l’élément.
3. Analyse élémentaire des matériaux inorganiques – analyse des surfaces solides
La spectrométrie de fluorescence X (XRF) permet d’identifier et de quantifier les éléments constitutifs en mesurant la fluorescence X unique émise lorsque l’échantillon est irradié par des rayons X. La spectrométrie de fluorescence X (XRF) permet d’identifier les éléments constitutifs et de les quantifier. À l’exception d’échantillons spéciaux, elle ne nécessite aucun prétraitement, est non destructive et peut également être utilisée pour analyser des surfaces solides.
La fluorescence émise après l’irradiation d’un échantillon par des rayons X est mesurée. Selon le système de détection, on distingue les systèmes dispersifs en énergie (EDXRF) et les systèmes dispersifs en longueur d’onde (WDXRF). Le système WDX utilise un goniomètre pour mesurer les rayons X fluorescents émis, ce qui nécessite un équipement important. L’EDX, en revanche, présente une excellente résolution énergétique du détecteur lui-même, ce qui élimine la nécessité d’un système dispersif et réduit la taille de l’instrument.