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Qu'est-ce que la LIBS ?

Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) est une technique d’analyse chimique rapide qui utilise un laser de courte impulsion pour créer un micro-plasma à la surface d’un échantillon. La limite de détection typique du LIBS pour les éléments métaux lourds est dans la gamme en dessous de la PPM. La technique LIBS est utilisable pour une large variété de types d’échantillons : métaux, semi-conducteurs, verres, tissus biologiques, matériaux isolants, plastiques, terres, plantes, couche de peinture, etc...

Cette technique analytique offre certains avantages par rapport aux autres techniques d’analyse élémentaire, notamment pour l ‘analyse qualitative ou identification de matériaux (control process) :

. Pas de préparation d’échantillon.
. Temps de mesure rapide, habituellement quelques secondes, pour une analyse en un spot.
. Large couverture d’éléments, incluant les éléments légers comme H, Be, Li, C, N, O, Na, et Mg
· Protocoles d’échantillonnage variés incluant rapide sondage d’une surface d’échantillon ou étude de composition en profondeur.
· Analyse d’échantillon très fin sans interférer avec un éventuel substrat.

Comment la LIBS travaille ?

Le principal processus physique qui fait l'essence de la technique LIBS est la formation de plasma à haute température, induite par un faisceau laser de forte puissance et de courte impulsion (50-400 mJ, » 10 ns) . Lorsque ce faisceau laser est focalisé sur la surface de l'échantillon, un petit volume de la masse de l'échantillon est arraché (enlevé par l'intermédiaire de mécanismes thermiques et non thermiques) - dans un procédé connu sous le nom d’Ablation Laser. Une partie de l'énergie du faisceau laser est utilisée pour réaliser l'ablation du matériau solide ou liquide, et un plasma se forme rapidement en envoyant une onde de choc alentour. Dans le noyau du plasma, la température effective peut atteindre 50,000 °K avec une énergie de plusieurs eV. Dans cet environnement les liaisons chimiques sont détruites et l’énergie résiduelle produit des atomes et des ions excités.

Lorsque l'impulsion laser se termine, le plasma commence à refroidir. Alors que l’émission continue disparait rapidement en quelques microsecondes, les radiations discrètes d’émission (produites par le retour à l'état fondamental des atomes et des ions excités) persistent fortement pendant quelques dizaines de microsecondes. L’émission du plama peut donc être discriminée autant spectralement que en temps pour produire un spectre contenant les raies d’émission correspondant aux atomes présents dans le volume du plama. La lumière émise par le plasma est recueillie et couplée à un module de détection ICCD / spectrographe pour analyse spectrale LIBS. Chaque élément du tableau périodique est associé à des pics spectraux spécifiques du LIBS. Par identification des différents pics pour les échantillons analysés, leur composition chimique peut être rapidement déterminée. Souvent, des informations sur l'intensité des pics LIBS peut être utilisée pour quantifier la concentration de traces et d'éléments majeurs dans l'échantillon.
Avec les progrès des logiciels chimiométriques puissants pour l'analyse des données LIBS, et avec des progrès réguliers dans la compréhension de principes fondamentaux d'ablation laser, les chercheurs en analyse d'aujourd'hui mettent le LIBS en application effective tant pour l'analyse qualitative que quantitative pour une large gamme de matrices échantillon.

[1] R.E. Russo, X.L. Mao, H.C. Liu, J.H. Yoo, S.S. Mao: Appl. Phys. A 69 [Suppl.], S887–S894 (1999)

LIBS ou LIPS ?

Laser Induced Breakdown Spectroscopy est aussi connu sous le nom Laser-Induced Plasma Spectroscopy (LIPS), mais ce terme n’est plus guère utilisé du fait que cette abréviation est aussi utilisée pour d’autres choses sans aucun rapport avec les champs de l'optique. De fait l’abréviation LIBS est maintenant usuelle pour décrire cette technique.
 

Nos commentaires :
Les descriptions ci-dessus sont issues de documents et littérature de fabricants de ce système. Le CEA est en France un acteur important dans cette technique et plusieurs spécialistes collaborent avec des sociétés d'instrumentation, et notamment ont crée IVEA-solution pour commercialiser plusieurs appareils.
Des journées analytiques ont eu lieu à l'Université de Bordeaux les 18 et 19 mai 2009 : voir www.rdv-routedeslasers.com/libs/ .D'autres journées auront lieu à Strasbourg les 28 et 29 juin 2010 (voir manifestations)
Comme toute nouvelle technique, certains avantages décrits par les constructeurs devraient être relativisés et comparés point par point aux autres techniques voisines de Spectroscopie Atomique. Plusieurs points restent très délicats, qui conduisent à penser que cette technique est encore en phase d'amélioration et se limite à l'analyse qualitative :
- Représentativité de l'échantillonnage sur des matériaux non ou peu homogènes
- Pour l'analyse quantitative, nécessité pour la majorité des milieux de disposer d'étalons solides de composition connue voisine ou très voisine de celle des échantillons analysés

- Interférences de matrice non négligeables, influence de l'état de surface de l'échantillon

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