Photomètres

La photométrie

La photométrie est la science de la mesure des intensités lumineuses, étudiant les propriétés de l'éclairage et de la lumière. Sans quelques notions sur la lumière, il est difficile d'assimiler le principe de la couleur et à l'inverse sans notions de photométrie, il est difficile de comprendre la lumière. L'œil est un des détecteurs de lumière les plus utilisés ; en sus, il est sensible à la couleur, qui est liée à la répartition de l'énergie des radiations dans le spectre lumineux. Il paraît donc tout à fait naturel de regrouper les notions de photométrie et de colorimétrie. La nature de la lumière et l'origine des couleurs ont toujours fasciné les hommes.

Dispersion ou décomposition de la lumière

Ce n'est qu'au XVIIe siècle qu'on voit s'esquisser un système cohérent à la suite des expériences de Roemer, Huygens et surtout de Newton. Les deux premiers découvrirent qu'un milieu réfringent (eau, cristal, verre) produit non seulement une déviation (réfraction), mais encore une décomposition d'un faisceau lumineux en diverses couleurs qui le forment. Approfondissant les découvertes de ses prédécesseurs, Newton parvint à prouver, à l'aide de son prisme, que la lumière blanche (lumière solaire) est constituée d'un spectre de plusieurs couleurs.

On sait aujourd'hui que la lumière est constituée par les radiations électromagnétiques appartenant à une bande étroite de longueurs d'onde (environ 400 à 800 nm). En effet, chaque couleur a une longueur d'onde différente. Elle est déviée par le prisme en fonction de sa longueur d'onde. Les rayons rouges, qui ont la plus grande longueur d'onde (0,65 microns = 650 nm) sont les moins déviés, tandis que les rayons violets, avec une longueur d'onde de 0,42 microns (420 nm), sont les plus déviés.

La couleur

Quand les ondes lumineuses frappent une surface quelconque, elles sont en partie absorbées et en partie renvoyées dans toutes les directions, c'est-à-dire diffusées. La perception de la couleur est donnée par cette lumière diffusée : un objet semble jaune quand il a la propriété d'absorber le bleu, l'indigo et le violet et de renvoyer un mélange de radiations composé de jaune au centre, d'un côté de l'orangé-rouge et de l'autre coté de vert. De cet ensemble de radiations, l'oeil perçoit une impression de jaune. Une substance peut absorber plusieurs radiations du spectre : si elle absorbe à la fois du bleu et du rouge, elle apparaît verte car elle ne renvoie que les radiations vertes.

Les corps transparents comme le verre, l'eau et le quartz semblent incolores car ils laissent passer toutes les radiations.

La couleur d'un corps résulte donc du mélange des couleurs (ou longueurs d'onde) non absorbées. Elle est complémentaire de l'ensemble des radiations absorbées.

Si l'on représente le spectre chromatique de la lumière visible sous la forme d'un cercle de couleur, on constate que chaque couleur est directement opposée à sa couleur complémentaire.

 

 

Le photomètre : principe de l'analyse instrumentale

Très utilisée pour les analyses des eaux potables et des eaux usées, la méthode de mesure photométrique se base sur les notions sus-mentionnées : la couleur d'une substance est déterminée par un procédé d'absorption et d'émission de rayonnements électromagnétiques.

L'ion à mesurer contenu dans l'eau réagit sous l'action d'une ou d'autres substances (appelées réactifs) par une formation de couleur. L'intensité de cette coloration est directement liée à la concentration de la substance (l'ion) mesurée.

Lorsqu'un faisceau lumineux d'une longueur d'onde spécifique (celle de la couleur complémentaire) d'une intensité Io est émis à travers l'échantillon coloré, une partie du rayonnement est absorbée par les molécules de la substance analysée et un rayonnement d'intensité I, plus faible que Io, est transmis. La quantité du rayonnement absorbée, appelée absorbance, est donnée par la loi de Beer-Lambert:

Absorbance A = -log Io/I

où

• Io= Intensité incidente du faisceau lumineux
• I=Intensité transmise du faisceau lumineux (après absorption)

L'absorbance se définit alors comme :

A = ελ x c x d

où

• ελ =Coefficient d'extinction molaire de la substance à la longueur d'onde fixe
• c= Concentration molaire de la substance
• d=Distance optique parcourue par le faisceau lumineux à travers l'échantillon.

Les facteurs ελ et d étant connus, la concentration ”c” pourra donc être déterminée à partir de l'intensité lumineuse du rayonnement I de la substance soumise à l'analyse.

Le photomètre mesure l‘intensité lumineuse après le passage du faisceau lumineux à travers la cuvette de mesure. Le dessin ci-dessous illustre son fonctionnement :

Une diode électroluminescente monochromatique (DEL) ou une lampe tungstène (lumière blanche) avec filtre à bande passante étroite émettent un faisceau lumineux d'une longueur d'onde connue éclairant le système avec une intensité lumineuse Io. Puisqu'une substance absorbe toujours la couleur complémentaire de celle qui est émise, l'instrument diffuse une lumière de couleur complémentaire à la coloration de l'échantillon.

La cellule photoélectrique mesure le rayonnement de transmission I qui n'a pas été absorbé par l'échantillon et le convertit en un signal électrique exprimé par un potentiel mV. Le microprocesseur exploite ce potentiel et calcule à l'aide d'un algorithme la concentration correspondante et affiche le résultat à l'écran (en mg/L ou µg/L). La courbe d'étalonnage correspondant aux méthodes standards de mesure, est mémorisée dans le microprocesseur. Cette courbe est utilisée comme référence pour chaque mesure.

Quelques recommandations pratiques pour des mesures précises

La procédure de mesure

La mesure s'effectue en deux temps. Il est nécessaire de réaliser d'abord un test à blanc (zéro) puis de procéder à la mesure elle-même. Pour faire le zéro, il suffit de remplir la cuvette d'analyse de la solution à mesurer, de placer la cuvette dans le puits de mesure et d'appuyer sur la touche “Zéro”. La mesure du blanc permet de définir une valeur de référence.

Grâce à cette opération, l'appareil détermine avec exactitude la différence des densités optiques entre l'échantillon brut et l'échantillon coloré par l'adjonction du réactif.

Les fonctions validation et étalonnage utilisateur

De nombreux photomètres Hanna Instruments permettent à l'utilisateur soit de vérifier l'exactitude de la courbe d'étalonnage interne de l'instrument, soit de réajuster la courbe si nécessaire par un étalonnage de l'instrument. Les procédures de validation et d'étalonnage s'effectuent à l'aide de solutions étalons certifiées NIST. Pour des mesures exactes et reproductibles, un étalonnage mensuel est recommandé. Pour une exactitude maximale, il convient de procéder à une validation de l'instrument avant une série de mesures.

La préparation de l'échantillon

Pour effectuer des mesures correctes, il est nécessaire de prélever un échantillon représentatif et de réaliser rapidement, voire immédiatement les mesures afin d'éviter des contaminations ou des réactions des échantillons.

La présence de matières en suspension peut causer des interférences sur la mesure. Elles doivent être éliminées au moyen d'une filtration ou d'un traitement au charbon actif.

La présence de bulles d'air peuvent fausser les résultats. Elles agissent comme des petites lentilles sur la lumière incidente. Il convient de les éliminer par petits mouvements rotatifs ou par de légers tapotements sur les parois de la cuvette de mesure.

Enfin, il est important de veiller à un dosage précis de l'échantillon afin d'obtenir des mesures reproductibles et des résultats comparables. Le creux du ménisque doit se confondre exactement avec le repère de remplissage appliqué sur la cuvette indiquant le volume d'échantillon nécessaire pour la mesure.

La cuvette de mesure, un élément essentiel du système optique

La cuvette de verre joue un rôle primordial dans la mesure puisque c'est à travers elle que passe le faisceau lumineux. Il convient donc d'en prendre particulièrement soin. Sa surface doit être propre et lisse pour éviter toute perturbation de mesure due à des réflexions ou des absorptions indésirables de lumière. Elle doit être exempte de toutes traces de doigt, de rayures et imperfections diverses. Elle doit être impeccable à l'intérieur comme à l'extérieur. Pour réaliser une mesure convenable, il est important que la cuvette de mesure et celle destinée au blanc soient d'une qualité optique identique. Il est également conseillé de toujours fermer les cuvettes avec leur capuchon, afin d'éviter toute évaporation éventuelle de substance volatile ou toute contamination. Les cuvettes en verre sont livrées accompagnées d'un capuchon spécialement conçu pour éviter toute intrusion de lumière extérieure lorsque la cuvette est logée dans le puits de mesure. Finalement, il est recommandé de veiller à resserrer le capuchon de la cuvette toujours avec la même force.

L'influence de la température

La température des échantillons et des réactifs de test peut exercer une influence sur la réaction de la coloration sous formes multiples. Elle peut de ce fait modifier les résultats des mesures. D'une manière générale, on obtient des résultats trop faibles avec un échantillon dont la température est inférieure à 15 °C. À des températures au-dessus de 30 °C, le composé coloré développé par la réaction devient instable. Les températures optimales pour la coloration des tests sont indiquées individuellement dans les notices d'emploi des instruments et les informations méthodologiques relatives aux réactifs.

Le temps de réaction

Selon les types de tests, les réactions exigent un cycle de coloration plus ou moins long avant de parvenir à l'intensité maximale. Selon le paramètre mesuré, elles sont aussi plus ou moins stables dans le temps. Cependant, une durée de plus de 60 minutes après l'ajout du réactif ne devrait pas être dépassée. Les temps de réaction nécessaires à chaque test sont indiqués dans les notices d'emploi et doivent être scrupuleusement respectés. De nombreux instruments sont d'ailleurs munis d'une minuterie interne qui décompte automatiquement, en fonction du test sélectionné, le temps restant jusqu'à la fin de la réaction.