Avant d’analyser un composé, un échantillon est prélevé pour connaître l’identité de ses constituants ou en déterminer les teneurs. Les différents constituants du mélange sont séparés. Les chercheurs utilisent surtout des méthodes physiques, mais aussi chimiques comme le broyage, le tamisage, la distillation, la cristallisation, la filtration, la centrifugation etc. La chromatographie et les méthodes analogues (telles les électrophorèses) sont des techniques de séparation des éléments chimiques extrêmement puissantes et souvent utilisées. Les analyses peuvent être qualitatives ou quantitatives, menées selon des méthodes classiques ou instrumentales. Elles sont, en général, destructives.
Les techniques d’analyse classique utilisent des réactions quantitatives en phase aqueuse ou des mesures de volume en phase gazeuse. Les outils utilisés sont simples comme la verrerie jaugée (pipettes, fioles...), balances analytiques, pH-mètres... Les techniques d’analyse instrumentale, dont les différentes spectrométries, utilisent des appareillages qui permettent les déterminations en se basant sur des propriétés physiques. Ces analyses sont exécutées soit sur l’échantillon tel quel (elles sont alors non-destructives), soit sur des solides ou des solutions préparés à partir de l’échantillon. Par exemple, les phénomènes de corrosion généralisée sont étudiés grâce aux méthodes de microscopie électronique à balayage, microscopie électronique à transmission, spectrométrie de photoélectrons X, électrochimie...
Dans le nucléaire, la chimie analytique intervient dans tous les domaines en contribuant aux recherches menées pour l’élaboration des matières nucléaires et de la transformation des combustibles usés.
Ce parc analytique est composé
d’outils dédiés à la séparation (chromatographie, électrophorèse
capillaire), la caractérisation (spectrométrie de masse organique haute
résolution, spectroscopie infrarouge et UV-VIS) et la spéciation
(spectroscopie UV, spectrofluorimétrie laser résolue dans le temps,
μ-calorimétrie). © P. Stroppa/CEA
Mise en place d’un échantillon
pour analyse par chromatographie ionique des anions et des cations dans
les effluents radioactifs. © P.Stroppa/CEA
Électrophorèse - Dépôt des échantillons. © P. Stroppa/CEA
Spectromètre de masse haute température de type quadrupolaire. © P. Stroppa/CEA
Le MET TITAN, holographique et
analytique, permet une caractérisation des matériaux pour les
nanotechnologies et les nanosciences. © P. Stroppa/CEA
Etude électrochimique de la corrosion en cellules de verre. © P. Stroppa/CEA
Il s’agit par exemple de développer des méthodes d’analyse permettant d’optimiser les performances des procédés, de mettre au point les instruments nécessaires en les adaptant au milieu nucléaire, d’effectuer des analyses chimiques pour en apprendre davantage sur le comportement des radioéléments. La chimie nucléaire met en oeuvre des éléments très radioactifs, nécessitant de travailler dans des environnements spécifiques (cellules blindées et boîtes-à-gants) et avec de très petites quantités.
Différentes techniques d’analyse
Chromatographie
La chromatographie est utilisée pour identifier ou doser les composés chimiques d’un mélange et déterminer leur concentration. La technique consiste à laisser percoler une solution de la substance étudiée dans une colonne d’adsorbants ; les composants, progressant chacun à des vitesses différentes, se répartissent en zones distinctes qu’il suffit de fractionner pour analyse.
Électrophorèse
L’électrophorèse est – avec la chromatographie – la technique principale utilisée en biologie, biochimie ou biologie moléculaire pour la séparation et la caractérisation des molécules, des protéines ou des acides nucléiques. La séparation des particules se fait en fonction de leur charge électrique et, pour des charges identiques, en fonction de leur taille. Ces deux éléments déterminent les différentes vitesses de migration des molécules sous l’effet d’un champ électrique. Elles vont donc se séparer les unes des autres.
Spectrométrie
Pour déterminer la composition d’un échantillon, les chercheurs disposent de deux catégories de méthodes d’analyse spectrale : la spectrométrie des rayonnements et la spectrométrie de masse.
La
spectrométrie de rayonnements analyse l’interaction de la matière avec la lumière (IR, visible, UV). Chaque substance présentant un spectre d’absorption caractéristique, il suffit de détecter ce spectre pour avoir la preuve de la présence de l’atome ou de la molécule recherché.
Un
spectromètre de masse comprend un système d’introduction des échantillons, une source d’ionisation, un analyseur de masse qui sépare les ions en fonction de leur rapport masse sur charge et, enfin, un ou plusieurs détecteurs.
Microscopie
Mis à part les microscopes conventionnels, trois grands types de microscopes ont été développés au XXe siècle et sont utilisés au CEA : les microscopes électroniques à transmission (à partir de 1930), les microscopes électroniques à balayage (à partir de 1965) et les microscopes électroniques à sonde, en champ proche ou tomographique (depuis 1985).
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Microscopie électronique à transmission (MET)
Un faisceau d’électrons « éclaire » un échantillon très mince et le traverse. Les électrons interagissent avec les atomes de l’échantillon et une série de « lentilles magnétiques » forme ensuite une image sur le détecteur. Cette image peut ensuite être interprétée. Le pouvoir séparateur est de l’ordre de 0,1 nm.
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Microscopie électronique à balayage (MEB)
Un faisceau d’électrons est focalisé successivement sur différents points de l’échantillon qui doit préalablement subir une préparation particulière le rendant conducteur de l’électricité (dépôt d’une fine couche d’or par exemple). Plusieurs détecteurs récoltent les électrons réémis de différentes façons par l’échantillon et une image restituant l’impression du relief est enfin produite. Selon le détecteur, le pouvoir séparateur va de 10 nm à un peu moins de 1 nm.
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Microscopie en champ proche
Une sonde ayant la forme d’une pointe très fine balaye ligne par ligne un échantillon dont la surface est plane et présente des irrégularités à l’échelle atomique. On mesure alors son interaction avec les atomes de l’échantillon. Deux types de microscopes existent. Dans un microscope à effet tunnel, un faible courant passe par effet tunnel entre la sonde et l’échantillon. On pilote le positionnement de la sonde de façon à ce que ce courant soit constant ; cela permet de suivre le relief de l’échantillon à l’échelle atomique. Dans un microscope à force atomique, la pointe est montée sur un « microlevier » et elle change d’orientation selon qu’elle est plus ou moins attirée par la surface de l’échantillon. On note ces déplacements pour reconstituer l’allure de la surface. La précision est de l’ordre de 9 nm.
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Microscopes à sonde atomique tomographique
L’échantillon est lui-même une pointe qui est le siège d’un fort champ électrique. Ses atomes sont alors arrachés un à un et on détermine pour chacun d’eux leur nature chimique (par spectrométrie de masse) et leur position de départ. Après avoir totalement évaporé l’échantillon (ou seulement sa surface), on peut reconstituer sa structure interne (la disposition initiale de tous ses atomes) et produire une image tridimensionnelle.
Électrochimie
L’électrochimie s’intéresse aux relations entre la chimie et l’électricité et décrit les phénomènes chimiques couplés à des échanges réciproques d’énergie électrique. Elle comprend l’électrolyse, la corrosion, l’électrodéposition...
De plus, elle s’intéresse à des systèmes hétérogènes comportant aux deux extrémités des matériaux conducteurs électroniques (métal, carbone…) et, entre ces deux conducteurs, au moins un matériau conducteur ionique (électrolyte liquide ou gélifié, sel fondu…).