Au-delà de la précision : Exploiter le potentiel de la technologie LIBS

La spectroscopie de décomposition induite par laser (LIBS) est la technologie de base de l’analyseur révolutionnaire FOSS Micral™. Bien que Micral soit la première solution entièrement automatisée servant à mesurer des éléments dans une grande variété d’échantillons agricoles tels que les aliments pour animaux et le fourrage, la méthode n'est pas complètement nouvelle.°

Nous nous sommes entretenus avec le scientifique Jens Frydenvang, docteur en chimie, de l’Université de Copenhague. Jens Frydenvang a une formation en physique et un doctorat en chimie analytique axé sur le LIBS, et une vaste expérience de l’utilisation du LIBS pour des observations géochimiques sur la planète Mars en collaboration avec la NASA. Il est l’expert du LIBS. Nous l’avons appelé pour discuter des défis et du potentiel futur de la technologie LIBS°sur notre propre planète, et de la raison pour laquelle la précision n’est pas toujours le paramètre le plus important lors du choix d’une méthode d’analyse élémentaire.

Sur Mars, les instruments Chemcam et Supercam LIBS tirent des lasers sur la surface martienne dans un rayon de 5 à 6 mètres du mobile sur lequel ils sont montés. Mais lorsqu’il s’agit d’utiliser LIBS dans un environnement peuplé sur la planète Terre, ce n’est pas si simple. Le principal inconvénient de l’utilisation d’une trajectoire laser ouverte sur Terre comme sur Mars est lié aux problèmes de sécurité oculaire. 

« C’est donc évidemment un problème pour les cas d’utilisation de LIBS sur Terre. Soit tout le monde autour doit porter des lunettes de protection, soit la trajectoire laser est entièrement intégrée dans le matériel lui-même. Mais en fait, il n'y a pas de réel problème à utiliser LIBS sur Terre, comme ce que nous faisons sur Mars », explique Jens Frydenvang.

Hormis les problèmes de sécurité, le potentiel d’utilisation de LIBS sur Terre dépend du cas d’utilisation, explique-t-il. « Le LIBS a une force unique car il peut fournir des mesures rapides, et cette force vient du fait que nous avons ce chauffage rapide de l’échantillon pour créer cette étincelle. » Cependant, il est difficile d’obtenir un résultat stable avec LIBS. Par exemple, la façon dont les échantillons sont manipulés et la qualité des étalonnages jouent un rôle essentiel dans l’obtention de résultats précis et stables. 

« Pendant longtemps, il y avait beaucoup de doutes sur la possibilité d’obtenir quelque chose qui était suffisamment précis pour être utile dans de nombreux cas. Mais ce que nous avons vu, en particulier sur Mars, c’est que si nous avons un étalonnage suffisamment bon, nous pouvons passer du domaine purement qualitatif à un domaine quantitatif d’utilisation du LIBS », explique Jens Frydenvang.

« Si possible, une préparation d’échantillons est bénéfique pour surmonter certaines des limites liées aux mesures LIBS très rapides, mais vous devez être en mesure de le faire de manière assez cohérente – et évidemment d’une manière qui ne compromet pas les points forts que LIBS offre par rapport aux autres techniques », ajoute-t-il. 

Pour réussir avec LIBS, vous avez besoin d’un contrôle total de votre préparation d’échantillons, des bons lasers et du bon spectromètre, et à partir de ce moment-là, c’est vraiment l’étalonnage qui fait la différence. 

« Vous n’arriverez jamais à un niveau ICP-MS, mais vous pouvez atteindre un niveau où vous avez suffisamment d’informations pour atteindre l’objectif de l’analyse. Ce qui est réalisable dépend de l’élément d’intérêt. Si vous recherchez du lithium, par exemple, la spectrométrie de fluorescence des rayons X (ou XRF en abrégé) ne vous aidera pas. Mais LIBS est très sensible aux éléments lumineux en raison de leur nature physique. Dans l’ensemble, la question est de savoir si vous pouvez créer un instrument qui offre suffisamment de précision et d’exactitude pour répondre à vos besoins, et deuxièmement, si vous avez un cas d'utilisation dans lequel vous avez besoin de la puissance unique que LIBS peut fournir, par exemple, un rendement élevé, soit parce qu’il réduit les prix, soit parce que vous avez un processus rapide qui doit être analysé en permanence. Alors vous avez vraiment un cas fantastique pour utiliser LIBS. »

Précision suffisante

Une mesure LIBS n’a peut-être pas la même précision que l’ICP-MS ou la XRF, alors lorsque Jens Frydenvang parle d’une précision suffisante, qu’est-ce que cela signifie réellement ?

« Même si vous parlez d’ICP-MS, il existe une grande variété en termes de précision que différents laboratoires peuvent fournir. Il est souvent le cas que l’ICP-MS (ou spectroscopie d’émission optique) soit devenue la référence absolue. Mais dès que vous commencez à examiner la précision réelle des différents laboratoires, vous réalisez qu’ils ne sont pas du tout 100 % précis. C’est pourquoi il est difficile de répondre à cette question.  Vous pouvez l’examiner de cette manière. Avez-vous besoin de 4 décimales pour ces résultats ? Ou peut-être n’avez-vous pas besoin de décimales pour prendre une décision ? C’est donc le genre de question que nous posons ici », explique Jens Frydenvang.

Par conséquent, plutôt que de se concentrer sur l’obtention du plus haut niveau de précision, il est parfois plus important d’atteindre un niveau permettant de prendre les bonnes décisions sans délai.

« Si vous n’avez pas besoin de 4 décimales, l’ICP-MS peut être un excès et vous pouvez le faire beaucoup plus rapidement avec LIBS car vous n’avez pas besoin de dissoudre l’échantillon. Donc, si vous n’avez pas besoin de 4 décimales, mais que vous préférez quelque chose de rapide, LIBS serait le scénario idéal », poursuit Jens Frydenvang.

Un autre aspect à prendre en compte est le fait que des résultats plus rapides et une capacité de traitement plus élevée peuvent fournir plus d’informations.

« Si une méthode permettait d’obtenir des informations à partir de 1 000 points au lieu de 100 points sur une zone, alors même si chaque point a une précision inférieure, le fait de pouvoir obtenir des informations à partir d’une zone plus large pourrait être encore plus important », conclut-il.

Cas d’utilisation futurs

En regardant vers l’avenir, ce que nous serons en mesure de détecter avec LIBS évolue constamment. Jens Frydenvang évoque la possibilité de mesurer même des éléments mineurs tels que le fluor.

Le fluor présente des lignes spectrales très faibles d’un point de vue élémentaire en raison de ce qui se passe dans le plasma. Mais une fois que tout est désassemblé, les choses commencent à se recombiner. 

« Et ce que vous voyez, c’est que soudain, des lignes moléculaires apparaissent. Cela ne signifie pas que ces molécules se trouvaient dans l’échantillon auparavant, mais lorsque l’on recombine tout et que la température baisse, ces molécules se forment à un moment donné pendant la durée de vie du plasma. Sur Mars, nous avons pu constater que nous disposons généralement de calcium. Ainsi, chaque fois que du fluor est disponible, il forme du fluor de calcium, une molécule qui a une forte émission moléculaire. Donc, tout à coup, nous avons pu, non pas mesurer directement le fluor ou la ligne élémentaire, mais mesurer les lignes moléculaires, et ainsi déduire la présence et l’abondance de fluor », explique-t-il.

« Du côté de la recherche et du développement de LIBS, il existe des opportunités potentielles d’examiner même des éléments vraiment mineurs dans la plage des PPM faibles que nous pensions autrement ne jamais voir avec LIBS. Je suis très curieux de voir ce que l’avenir nous réserve et les recherches futures sur la manière dont nous pourrions être en mesure de manipuler le plasma afin d’examiner des éléments mineurs spécifiques, même à des concentrations extrêmement faibles », conclut Jens Frydenvang.

En ce qui concerne la perspective d’avenir de la technologie LIBS, le potentiel est passionnant et ce que nous pouvons faire avec LIBS n’est que le début. Si l’on compare le LIBS au développement de la technologie proche infrarouge (NIR) commercialisée dans les années 1980, les applications proche infrarouge sont passées de quelques applications de fourrage et de céréales à plus d’un millier d’applications différentes couvrant une grande variété de types d’échantillons, de l’alimentation animale à la farine de poisson, de la canne à sucre, de la farine et bien plus encore. 

De même, la technologie LIBS telle que nous la connaissons de l’analyseur FOSS Micral est une méthode rapide et facile à utiliser avec le potentiel d’évoluer au cours des prochaines années et décennies pour couvrir un portefeuille croissant d’éléments et de types d’échantillons, ce qui en fait une solution à l’épreuve du temps pour tout laboratoire occupé.

Si vous n’avez pas lu notre précédent article d’entretien sur le projet LIBS on Mars, vous pouvez le trouver ici.