METHODES ELECTROCHIMIQUES POUR L’ANALYSE IN SITU DE COMPOSES BIOACTIFS

METHODES ELECTROCHIMIQUES POUR L’ANALYSE IN SITU DE COMPOSES BIOACTIFS

Les méthodes spectrophotométriques d’analyse

La mesure du sulfure

La détermination de faibles concentrations en sulfure d’hydrogène par la méthode au bleu de méthylène a été largement utilisée depuis son introduction par Fischer (1883). Cette méthode est sensible et très facilement adaptable pour des analyses de routine. Ainsi, Cline (1969) a amélioré les conditions expérimentales qui sont actuellement à la base de la méthode la plus utilisée. La méthode consiste à faire réagir le sulfure avec le chlorure ferrique et le N,N-Dimethyl-1,4-phenylenediamine (DMPD) pour former le bleu de méthylène (Réaction II.1). Réaction II.1 : Cette méthode est basée sur la loi de Beer-Lambert. L’absorption d’un faisceau lumineux monochromatique dans un milieu homogène est proportionnelle à la longueur du trajet optique suivi par cette radiation et à la concentration en solution des espèces absorbantes. La loi de Beer-Lambert s’exprime ainsi : Équation II.1 l C I I e −α = 0 Ou encore : Équation II.2 l C I I Aλ λ = − = ε 0 10 log Avec I0 = intensité de la lumière incidente ; I = l’intensité de la lumière sortante ; I / I0 = transmittance de la solution (sans unité) ; A = absorbance ou densité optique à une longueur d’onde λ (sans unité), ε = coefficient d’extinction molaire (en l mol−1· cm −1) ; ℓ = longueur du trajet optique dans la solution traversée, elle correspond à l’épaisseur de la cuve utilisée (en cm) ; C = concentration molaire de la solution (mol l−1) ; α = coefficient d’absorption (en m2 ·mol-1 ou en m 3 ·mol-1 ·cm -1). N,N-Dimethyl-1,4-phenylenediamine + H2S + 6Fe3+ + 6 Fe2+ +NH4 + + 2H+ II.1. Les méthodes spectrophotométriques d’analyse 61 L’absorbance du complexe ainsi formé mesurée à 664 nm est proportionnelle à la concentration dans les conditions de l’application de la loi de Beer Lambert. La gamme de concentration accessible est comprise entre 1 et 1000 µmol/l. Différentes méthodes sont utilisées pour la détection du complexe : la fluorescence, la spectrophotométrie ou la spectrophotométrie de flamme. On note des problèmes de dégazage, d’adsorption et d’oxydation de l’analyte, ainsi que des interférences avec le SO2 et les métaux (Kühl et Steuckart, 2000). Des méthodes chromatographiques telles que la chromatographie ionique, la chromatographie phase gaz, ou la chromatographie liquide haute performance (HPLC) permettent de travailler dans des gammes de concentrations très faibles (jusqu’au nanomolaire) mais l’analyse in situ reste trop encombrante et trop coûteuse (Kühl et Steuckart, 2000).

La mesure du silicate

La méthode analytique la plus fréquemment utilisée pour doser cette espèce est la méthode colorimétrique basée sur la formation de l’acide silicomolybdique qui, après réduction, donne une coloration bleue intense. Il existe deux acides silicomolybdiques, la forme « α » se formant entre pH 3.8 et pH 4.8 et la forme « β » entre pH 1.0 et 1.8 (Truesdale et Smith, 1976). L’acide « β » se convertit spontanément en forme « α » si le pH et la force ionique augmentent. L’analyse est effectuée selon la méthode de Mullin et Riley (1955) adaptée par (Strickland et Parsons, 1972). On forme l’acide molybdique par transformation de l’heptamolybdate d’ammonium en milieu acide (Réaction II.2). L’acide orthosilicique Si(OH)4 forme avec l’acide molybdique un complexe silicomolybdique jaune qui absorbe dans l’UV (Réaction II.3) : Réaction II.2 : (NH4)6Mo7O24, 4H2O + 6H+ → 7(MoO3, H2O) + 6NH4 + Réaction II.3 : Si(OH)4 + 12MoO3 → H4Si(Mo12O40) Il faut un excès de réactif pour former ce complexe avec une vitesse de réaction convenable. L’acide molybdique qui n’a pas réagi avec la silice est éliminé par l’acide II. Les méthodes analytiques 62 oxalique (HOOC-COOH) qui le transforme en une forme réduite et permet également d’éliminer les complexes phosphatés. Le complexe silicomolybdique (le molybdène est au degré VI) est réduit à l’aide d’acide ascorbique : ┌──O─┐ HOCH2-CH-CH-C=C-C=O │ │ │ OH OH OH On obtient alors un complexe bleu avec le molybdène à un degré d’oxydation compris entre V et VI. Ce complexe possède un maximum d’absorption à 810 nm. La mesure est également possible à 660 nm mais avec une perte de sensibilité de 60%. La limite de détection est de 0.03 µmol/l pour une cuve de trajet optique de 10 cm. La loi de Beer Lambert est suivie bien au-delà de 50 µmol/l mais la mesure de l’absorbance nécessite une dilution (Aminot et Kérouel, 2004). La précision est d’environ 1 à 3 % en accord avec le protocole du programme international WOCE (Gordon et al., 1993). L’interférence du sulfure n’est significative que pour des concentrations de sulfure supérieures à 160 µmol/let diminue avec la salinité (Aminot et Chaussepied, 1983).

Les méthodes électrochimiques d’analyse

L’électrochimie est la discipline qui a pour objet l’étude des interfaces entre des conducteurs électroniques (métaux, polymères conducteurs…) et des conducteurs ioniques (solutions électrolytiques, sels fondus, électrolytes solides…). Il est traditionnel de la présenter en deux parties. La première partie traite des mesures concernant l’interface à l’équilibre ou dans des situations dynamiques excluant tout transfert électronique. La seconde partie concerne la réalisation et l’étude du transfert électronique hétérogène à l’interface. Dans les deux cas l’interface porte le nom d’électrode.

Mesures potentiométriques à courant nul

Il s’agit de mesurer au moyen d’un voltmètre électronique à très grande impédance d’entrée, la différence de potentiel à courant nul ou force électromotrice « ∆E » entre l’interface d’étude et une interface de référence. A température et pression constantes ce potentiel à courant nul est défini par l’Équation II.3 (chacun des deux potentiels obéissant à la loi de Nernst). Équation II.3 : ∆E = (Ec – Ea)I=0 Il existe quatre types d’électrodes : a. Electrode de première espèce. Elle est constituée par un métal M immergé dans la solution de l’un de ses ions, M/Mz+ défini par la Réaction II.4 et l’Équation II.4 : Réaction II.4 : Mz+ + z e- ↔ M

Table des matières

LISTE DES PRINCIPAUX SIGLES ET ABREVIATIONS UTILISES
INTRODUCTION GENERALE
I. INTRODUCTION A LA BIOGEOCHIMIE DES OCEANS ET DES ECOSYSTEMES PROFONDS
INTRODUCTION
I.1. INTRODUCTION A LA BIOGEOCHIMIE DES OCEANS
I.1.1. La production de matière organique
a. La photosynthèse et le phytoplancton
b. Les principaux éléments nutritifs
I.1.2. Le rôle de l’océan dans le changement global du climat
a. Le cycle du carbone
b. Le rôle de l’océan dans le climat
I.1.3. La silice dans les océans
a. Le cycle de la silice dans l’océan
b. Le rôle de la silice dans le cycle du carbone
c. La chimie de la silice
I.2. LES MILIEUX REDUCTEURS DANS L’OCEAN ET LEURS ECOSYSTEMES ASSOCIES
I.2.1. Les sources hydrothermales
a. Origine
b. Les paramètres physico-chimiques des fluides hydrothermaux
c. Le fonctionnement des écosystèmes et la chimiosynthèse
d. Caractéristiques des environnements hydrothermaux
e. Conclusion
I.2.2. Les sources froides des marges continentales46
a. Origine
b. L’écosystème et les paramètres physico-chimiques des sources froide
c. Conclusion
I.2.3. La chimie du soufre réduit dans l’eau de mer
a. Les diverses formes du soufre
b. Chimie des sulfures
c. Chimie des polysulfures
d. Chimie des sulfures de fer
CONCLUSION
II. LES METHODES ANALYTIQUES
INTRODUCTION
II.1. LES METHODES SPECTROPHOTOMETRIQUES D’ANALYSE
II.1.1. La mesure du sulfure
II.1.2. La mesure du silicate
II.2. LES METHODES ELECTROCHIMIQUES D’ANALYSE
II.2.1. Mesures potentiométriques à courant nul
a. Electrode de première espèce
b. Electrode de deuxième espèce
c. Electrode à membrane
d. Electrode redox
II.2.2. Détermination de la caractéristique d’une électrode
II.2.3. La voltammétrie
II.3. LA MESURE DU SILICATE PAR ELECTROCHIMIE
II.4. LA MESURE DU SULFURE PAR ELECTROCHIMIE
II.4.1. Potentiométrie
II.4.2. Chronoampérométrie
II.4.3. Voltammétrie
CONCLUSION
III. LES CAPTEURS CHIMIQUES IN SITU POUR LA MESURE DES SELS NUTRITIFS ET DES SULFURES
INTRODUCTION
III.1. LES SYSTEMES D’OBSERVATION
III.2. LES CAPTEURS CHIMIQUES POUR UNE MESURE A LONG TERME
III.3. LES CAPTEURS IN SITU POUR LA MESURE DES DIFFERENTES FORMES DE SULFURES
III.3.1. Méthodes, performances et mesures in situ
a. Spectrophotométrie dans le visible
b. Spectrophotométrie UV
c. Potentiométrie
d. Ampérométrie
e. Voltammétrie
III.3.2. Les mesures autonomes in situ
III.4. LES CAPTEURS AUTONOMES IN SITU POUR LA MESURE DES SELS NUTRITIFS
III.4.1. Les capteurs autonomes
a. ANAIS : Autonomous Nutrient Analyzer In-situ
b. Les autres analyseurs spectrophotométriques
III.4.2. Les mesures de sels nutritifs obtenues sur les observatoires permanents
CONCLUSION
IV. MESURES ELECTROCHIMIQUES DES IONS SULFURE DANS LES ECOSYSTEMES
PROFONDS OCEANIQUES
INTRODUCTION
IV.1. MATERIELS ET METHODES
IV.1.1. Réactifs et solutions
IV.1.2. Appareillage
IV.2. ETUDE DE LA REPONSE DES ELECTRODES A DETECTION POTENTIOMETRIQUE DANS LE TEMPS
IV.2.1. Fabrication des électrodes
a. Chrono ampérométrie
b. Trempage
c. Stockage
IV.2.2. Détection des ions sulfure
IV.2.3. Reproductibilité
IV.2.4. Etude de la stabilité dans le temps des électrodes
IV.2.5. Conclusion
IV.3. LA MISE AU POINT DES METHODES VOLTAMMETRIQUES SUR ELECTRODE D’ARGENT
IV.3.1. Gammes de concentrations
IV.3.2. Mesures pour les faibles concentrations
IV.3.3. Reproductibilité
IV.3.4. Etude de la sélectivité et de l’influence du pH
IV.3.5. Etude de la stabilité dans le temps des électrodes
IV.3.6. Conclusion
IV.4. LA MESURE INDIRECTE DES IONS SULFURE 2
IV.4.1. Méthode
a. Oxydation des chlorures
b. Attente d’un temps fixe pour le déplacement des espèces
c. Réduction par voltammétrie linéaire de l’AgCl restant
IV.4.2. Paramètres
IV.4.3. Calibration et précision
IV.4.4. Conclusion
CONCLUSION
V. UNE NOUVELLE METHODE DE MESURE DU SILICATE SANS REACTIFS EN MILIEU MARIN
INTRODUCTION
V.1. MATERIELS ET METHODES
V.1.1. Réactifs et solutions
V.1.2. Méthode colorimétrique
V.1.3. Méthodes électrochimiques
V.1.4. Prélèvement des échantillons
V.2. RESULTATS ET DISCUSSION
V.2.1. Etudes préliminaires
V.2.2. Chrono-ampérométrie
V.2.3. Etude de l’interférence du phosphate
V.2.4. Oxydation du molybdène
V.2.5. La méthode semi-autonome
V.2.6. Inter-comparaison de la méthode semi-autonome avec la méthode classique sur des échantillons naturels
V.2.7. Méthode sans réactif
CONCLUSION
VI. ANALYSE DES MASSES D’EAUX DU PASSAGE DE DRAKE
INTRODUCTION
VI.1. LES MASSES D’EAUX DU PASSAGE DE DRAKE
VI.1.1. Donnée
VI.1.2. Hydrologie du Passage de Drake
VI.1.3. Description des masses d’eaux
VI.1.4. Discussion
VI.2. LA METHODE D’INVERSION DES MASSES D’EAUX
VI.3. APPLICATION DE LA METHODE D’INVERSION DES MASSES D’EAUX
VI.3.1. Matrices A et W
VI.3.2. Robustesse des résultats et résidus
VI.3.3. Résultats et discussion
a. Eaux de surface
b. Eaux intermédiaires et profondes
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
LEXIQUE
ANNEXE I : SILICATE DETERMINATION IN SEA WATER : TOWARD A REAGENTLESS
ELECTROCHEMICAL METHOD
ANNEXE II : A NEW ELECTROCHEMICAL REAGENTLESS METHOD FOR SILICATE
MEASUREMENT IN SEA WATER
REFERENCES