t.p emission atomique

TRAVAUX PRATIQUES DE BIOCHIMIE METHODES D’ANALYSE BIOCHIMIQUE

Photométrie d’émission atomique DH - avri. 04

PHOTOMÉTRIE D’ÉMISSION ATOMIQUE

1. PRINCIPE DE LA PHOTOMÉTRIE D’ÉMISSION ATOMIQUE

1.1. Expérience préliminaireSi l’on jette dans la flamme d’un bec Bunsen un sel de sodium, NaCl par exemple, la flamme secolore fortement en jaune. Cette coloration apparaît d’autant plus intense que la quantité de selest importante.Si l’on recommence avec un sel de potassium, la flamme se colore en orange, avec un sel de li-thium la flamme est rouge …Cette propriété peut être utilisée pour colorer les feux d’artifices.

1.2. Spectres métalliquesQuand on pulvérise dans une flamme la solution d’un sel métallique, l’énergie thermique de laflamme provoque :

∑ la vaporisation de l’eau (ou du solvant)∑ éventuellement des réactions secondaires∑ la vaporisation du sel métallique (et des autres produits) et la formation d’atomes∑ l’excitation des atomes

Cette excitation, si elle est suffisante va amener les électrons des sous-couches périphériques àdes niveaux énergétiques supérieurs

- hn

excitation émission

photon

Puis ces électrons vont tendre à reve-nir à leur état initial en libérant leurénergie supplémentaire sous formed’une émission de lumière (photon).Ces transitions ne se font pas de façonanarchique, mais obéissent aux lois dela mécanique quantique : pour unatome donné, la fréquence du rayonnement émis est parfaitement définie (sa fréquence (n) est

telle que hn = E2 - E1 (E1 étant le niveau énergétique fondamental et E2 le niveaux de l’atome ex-cité), chaque élément aura donc un spectre d’émission caractéristique (spectre de raies).

Ainsi, dans le cas du sodium (1s2 2s2 2p6 3s1) l’excitation fait passer un électron du niveau 3sau niveau 3p, l’émission d’un photon se produit quand l’électron repasse au niveau 3s.

La raie la plus intense (raie de résonance) correspond à la transition entre le premier niveau ex-cité (niveau de résonance) et le niveau fondamental. Les autres raies d’intensité moindre, etdont le nombre dépend de l’énergie d’excitation proviennent des transitions ramenant l’électronau niveau fondamental, mais à partir de niveaux supérieurs au niveau de résonance.Pour les métaux alcalins excités dans une flamme air-gaz, les raies correspondent aux transitionsde l’unique électron S de la sous-couche externe de l’atome neutre.Pour les éléments les plus fréquemment dosés on utilise les longueurs d’ondes suivantes :∑ sodium : raie de résonance à 589 nm (raie D).

∑ potassium : raie de résonance à 767 nm.(la bande 405 nm est gênée par l’émission d’autresions)

∑ lithium : raie 671 nm

∑ calcium : raie de résonance à 622 nm (la raie 554 nm est trop proche de celle du sodium trèsintense).

émission d'unphoton

hn = (E3p - E3s)

E

3s

3p

3s

3p

excitation

E



400 500 600 700 800

FOND DE FLAMME

Intensité

nm

400 500 600 700 800

POTASSIUM

766-769404-405Intensité

nm

400 500 600 700 800

SODIUM

589

819

Intensité

nm

400 500 600 700 800

CALCIUM

622554

422

Intensité

nm

SPECTRES D'ÉMISSION ATOMIQUE DE QUELQUES ÉLÉMENTS

1.3. Étude quantitative du rayonnement émisL’intensité émise par une raie est proportionnelle à la pression des atomes du métal dans laflamme, ce qui permet la détermination de la concentration de ce métal dans la solution pul-vérisée.Cette intensité est indépendante de l’anion du sel métallique, mais elle dépend du solvant, de laprésence de substances étrangères, …L’énergie émise peut être en partie réabsorbée par un autre atome qui sera excité à son tour(absorption interne). Dans ces conditions la courbe d’étalonnage ne sera pas linéaire, mais para-bolique (l’intensité d’émission croit avec la racine carrée de la concentration).Pour des solutions très diluées l’absorption interne est très faible, la courbe d’étalonnage seradonc pratiquement linéaire.On peut éliminer l’influence des variations d’énergie dans la flamme en introduisant dans leséchantillons une certaine concentration de lithium dont l’émission sert d’étalon interne pourl’appareil. L’appareil comporte alors deux monochromateurs et deux cellules photoélectriques.En pratique, la précision de la détermination peut atteindre 0,5 %.

2. DESCRIPTION D’UN PHOTOMÈTRE DE FLAMMEIl comprend :

∑ l’atomiseur :Dans lequel la solution à doser est pulvéri-sée à l’aide d’un apport d’air comprimé (par-fois d’oxygène). Le débit doit être stable etreproductible.

∑ le brûleur :Dans lequel est aspiré le véhicule gazeuxchargé de fines gouttelettes de la solution àdoser. La flamme est alimentée par un mé-lange air-butane (flamme à environ 1900 °C)ou par d’autres mélanges (air-acétylène, air-hydrogène, …). La flamme doit être la plusstable possible.

∑ le monochromateur :habituellement constitué par une série defiltres interférentiels permettant de sélectionner la longueur d’onde correspondantau cation à doser.



∑ une partie électronique :Constituée d’une cellule photoélectrique, d’un amplificateur relié à un galvanomètreanalogique ou digital.

3. APPLICATION AU DOSAGE DE Na, K et Ca DANS LE SÉRUMDu fait de la sensibilité de la photométrie d’émission, et pour se situer dans la zone de linéarité del’appareil, il faut utiliser des solutions très diluées (1/100 ou 1/200 pour le sérum ou le plasma).Les solutions étalons seront diluées de la même façon, et après étalonnage de l’appareil on lira di-rectement sur le cadran des mmol.L-1 ou des mEq.dm-3 (1)

Certains appareils sont équipés d’un diluteur automatique, et on travaille directement sur les solu-tions non diluées.L’émission d’un élément interférant avec celle des autres, il faut réaliser des solutions d’étalonnagemixtes en sodium et potassium dont les concentrations respectives sont voisines de celle del’échantillon à doser.La différence de viscosité entre les solutions étalons et le sérum ou plasma peut entraîner des écartsde 3 à 4 mEq.dm-3. On y remédie en préparant des solutions étalons isovisqueuses à l’aide de polyvi-nylpyrrolidone (PVP).Il y a lieu d’utiliser la même eau distillée pour réaliser toutes les dilutions. Les solutions étalons doi-vent être conservées dans des récipients en polyéthylène ou en Pyrex®, le verre “lâchant” diversions (sodium en particulier).La sueur contenant de fortes concentration en sodium et potassium, il faut éviter toute pollutionpar celle-ci.De même la fumée de tabac, riche en potassium, peut fausser les résultats.

Valeurs de référence dans le plasma :∑ Pl -- Sodium (substc) 137 - 145 mmol.L-1 (137 - 145 mEq.L-1)∑ Pl -- Potassium (substc) 3,8 - 4,6 mmol.L-1 (3,8 - 4,6 mEq.L-1)∑ Pl -- Calcium (substc) 2,20 - 2,62 mmol.L-1 (4,4 - 5,24 mEq.L-1)

1 Dans les phénomènes ioniques le nombre d’atomes ou de molécules intervenant n’est pas toujours la notion la

plus intéressante à considérer, en revanche la notion de charge électrique est capitale. On utilise donc assez sou-vent l’équivalent gramme et on exprime les concentrations ioniques avec cette unité.

Concentration en mEq.L-1 = Concentration en mmol.L-1 * valence

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