Résumé de la thèse

Depuis une trentaine d'années, la thématique de la perturbation endocrinienne est l'objet de préoccupations politiques, réglementaires, sociétales mais également scientifiques. Cela s'explique notamment par le fait que les perturbateurs endocriniens retrouvés dans l'environnement, dont les hormones stéroïdiennes naturelles et les composés qui leur sont apparentés (composés pharmaceutiques), peuvent engendrer des effets nocifs à partir de concentrations inférieures au nanogramme par litre (ng·L-1) et représenter une menace pour la biodiversité. Du côté de la santé humaine, ces composés sont des outils largement utilisés pour le diagnostic et le suivi thérapeutique de nombreux troubles et maladies chroniques. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse avaient pour objectif d'assurer, dans les deux domaines, la quantification fiable de perturbateurs endocriniens et/ou de biomarqueurs afin de permettre une prise de décision éclairée à des seuils de concentration pertinents. Une liste de 23 hormones stéroïdiennes et composés apparentés a été retenue à la suite d'une étude bibliographique mettant en évidence leur intérêt commun dans les deux domaines. Ensuite, des méthodes de quantification par LC-MS/MS ont été développées pour permettre l'analyse de ces composés d'une part dans la fraction totale des eaux continentales, et d'autre part, dans la fraction totale du sérum humain. Des limites de quantification de l'ordre de 1 ng L-1 et de 1 ng mL-1 ont respectivement été obtenues en santé environnementale et humaine. Les incertitudes de mesure ont été évaluées, apportant ainsi un degré de confiance supplémentaire aux résultats de mesure. La mise en œuvre des méthodes a notamment permis de caractériser la contamination du milieu par des composés d'intérêts dont certains peu documentés en France. Elle a également permis d'établir la traçabilité métrologique des résultats de mesure au SI. Les présents travaux constituent une importante avancée pour l'établissement de méthodes de référence multi-résidus et la future certification de matériaux de référence qui sont actuellement rares voire inexistants.

Mots clés

santé, environnement, hormone stéroïdienne, eau totale, sérum humain, niveau ultra-trace, méthode multi-résidu, spectrométrie de masse couplée à la chromatographie en phase liquide, qualité de la donnée, métrologie

Résumé de la thèse

Le dosage de la procalcitonine (PCT) permet le diagnostic précoce du sepsis et la gestion du traitement antibiotique. Comme les prises de décision médicales et la stratégie de prise en charge thérapeutique des patients reposent en général sur des valeurs seuil de concentration de PCT, il est nécessaire de disposer de résultats de mesure fiables et comparables, quelle que soit la méthode de dosage employée, dans le temps, et dans l’espace. Le thèse a porté sur la traçabilité métrologique des méthodes de mesure de la PCT. Les travaux ont consisté dans un premier temps à documenter l’état actuel de la comparabilité des mesures de la PCT par des méthodes de routine. L’analyse de l’ensemble des études de corrélation publiées et des résultats de contrôles externes de qualité a montré qu’il est difficile d’évaluer correctement la comparabilité des résultats et de comprendre l’origine de leur variabilité à partir de matériaux dont la commutabilité n’a pas été démontrée. Aussi, parait-il indispensable de mener des campagnes d’évaluation externe de qualité utilisant des matériaux de contrôle commutables. Par ailleurs, afin de répondre aux exigences réglementaires relatives au raccordement métrologique des résultats de mesure et afin de pouvoir évaluer la justesse des méthodes de routine, une méthode de référence candidate pour la quantification absolue de la PCT dans le sérum humain par dilution isotopique associée à la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée et validée avec une limite de quantification de 0,25 ng/mL. Le raccordement des résultats aux unités SI a été établi par l’utilisation d’étalons primaires dont la pureté a été préalablement caractérisée par analyse des acides aminés avec correction de la contribution des impuretés identifiées par spectrométrie de masse haute résolution.

Mots clés

procalcitonine, sepsis, antibiorésistance, dilution isotopique associée à la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse, méthode de référence, traçabilité métrologique

Résumé de la thèse

Parmi les nombreuses techniques existantes pour la caractérisation dimensionnelle des nanoparticules, le fractionnement par couplage flux force asymétrique (AF4) est une technique qui permet de séparer les différentes populations de nanoparticules présentes dans  un échantillon en fonction de leur diamètre hydrodynamique avant de mesurer à l’aide d’un détecteur. Ce fractionnement permet de simplifier la détection. Dans les années 1960, un modèle (appelé dans la thèse modèle classique) reliant le temps de rétention des nanoparticules au sein de l’AF4 à leur diamètre hydrodynamique a été développé, mais les hypothèses de validité du modèle ne sont pas toujours respectées dans certaines expériences. Les travaux mené pour cette thèse ont consisté, dans un premier temps, à étudier les mécanismes gouvernant la rétention au sein de l’AF4. Il a été montré que des interactions entre les nanoparticules et la paroi du canal biaisent les résultats prédits par le modèle classique. Un autre modèle (appelé dans la thèse modèle p-w) prenant en compte les interactions électrostatiques et de van der Waals a été étudié. Le modèle p-w s’est montré plus robuste que le modèle classique. Une validation de ce modèle a été conduite et un bilan d’incertitude a été développé en utilisant la méthode de Monte- Carlo. La traçabilité métrologique des résultats de mesure a également été démontrée.

Mots clés

AF4, nanoparticules, théorie FFF, validation de méthode

Texte intégral

Résumé de la thèse

L’émergence des nanopesticides (NPe), qui incorporent des nanomatériaux (NM) aux formulations des pesticides, soulève des questions quant aux effets sanitaires de ces produits susceptibles d’être inhalés après leur pulvérisation. Aucune étude n'a encore exploré les effets de l’inhalation de substances mêlant pesticides et NM, alors que certains de ces composés sont capables d’exercer des effets neurotoxiques, notamment en cas d’exposition au cours de stades critiques comme celui du neurodéveloppement. Comme les substances utilisées dans la formulation d’un NPe pourraient potentiellement provoquer des effets cocktails pour l’instant méconnus, il est ainsi nécessaire de proposer des modèles d’étude permettant l’évaluation du risque sanitaire associé à ces nouvelles technologies. Ce travail interdisciplinaire a premièrement consisté à mettre au point un dispositif d’exposition aux aérosols. S’inscrivant dans une démarche d’harmonisation des protocoles toxicologiques, cet outil répond aux exigences liées aux études par inhalation, afin de permettre une procédure d’exposition fiable, reproductible et caractérisée métrologiquement. Dans une seconde partie, ce manuscrit présente une étude réalisée chez la souris grâce au dispositif développé préalablement, mettant en jeu les aérosols de deux substances, le paraquat (PQ), un NM (le TiO2), et leur mélange modélisant un NPe. L’objectif de cette phase a été l’évaluation des effets neurotoxiques de l’exposition répétée aux aérosols d’intérêt, notamment afin d’étudier la survenue d’effets cocktails sur le cerveau. Une chambre d’exposition « corps-entier » a été mise en place et caractérisée métrologiquement. Facilement adaptable, elle peut être utilisée au sein d’études diverses impliquant plusieurs espèces de rongeurs ou scénarios d’exposition. Les différents paramètres des aérosols générés se sont avérés stables, en termes de concentrations massiques et en nombre, de distribution granulométrique et d'homogénéité de l'atmosphère, et le fonctionnement de l'installation a été évalué sur le terrain, validant ainsi son usage comme outil approprié d’évaluation toxicologique. Malgré l’usage de doses d’exposition faibles et théoriquement sans effet toxique, l’analyse par RNA-seq du transcriptome du striatum des souriceaux exposés in utero a permis d’identifier des modifications géniques pouvant refléter des altérations neurodéveloppementales, ce qui suggère que PQ et TiO2 peuvent avoir des effets néfastes sur le neurodéveloppement. Par ailleurs, l’exposition de l’animal adulte pendant plusieurs semaines a montré que le TiO2 pourrait provoquer une neurotoxicité ciblant les neurones dopaminergiques. Bien qu’aucun effet synergique n’ait été observé, les données suggèrent des phénomènes d’interaction entre ces deux composés, modulant leurs effets toxicologiques. Les résultats soulignent que la phase prénatale est primordiale dans l’évaluation du risque sanitaire associé à l’exposition aux polluants atmosphériques comme les NPe, ce qui confirme la nécessité d’avoir recours à des méthodes in vivo représentatives de scénarios d’exposition réalistes.

Mots clés

chambre d’exposition aux aérosols, toxicologie par inhalation, nanopesticide, nanomatériau, pesticide, neurodéveloppement, TiO2, paraquat, oxyde de titane, polluant atmosphérique

Texte intégral

La mesure de l'ammoniac (NH3) dans l'air ambiant est un sujet sensible et prioritaire en raison de ses effets nuisibles sur la santé humaine et sur les écosystèmes. Il a été estimé que les émissions d'ammoniac ont au moins doublé au cours du dernier siècle à travers l'Europe, ce qui s’explique essentiellement par le développement des pratiques d'élevage intensif et l'utilisation associée d'engrais à base d'azote.

OBJECTIFS

  • Développer de nouvelles approches pour la production de Matériaux de Référence Certifiés (MRC) pour l’ammoniac ainsi que de nouvelles méthodes d'analyse
  • Assurer la traçabilité des mesures réalisées par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA) sur le territoire français et pouvoir comparer les données des différentes AASQA dans le temps et dans l’espace

RÉSUMÉ ET RÉSULTATS

L'ammoniac est essentiellement émis par le secteur agricole, 96% selon les données fournies par EMEP. La France, l’Allemagne, la Belgique, l’Italie et les Pays-Bas sont les principaux pays émetteurs d’ammoniac.

Les principales sources d’ammoniac atmosphérique sont anthropiques et proviennent de la combustion de combustibles fossiles, des centrales électriques, des gaz d'échappement des véhicules et des activités agricoles.

Le dépôt d'ammoniac sur les molécules transportées par les particules contribue à l'eutrophisation et à l'acidification des sols et de l'eau douce et ainsi à une dégradation de la qualité des sols et des eaux. Ces phénomènes ont donc des effets négatifs sur la biodiversité et les écosystèmes.

La pollution atmosphérique se propage au-delà des frontières nationales et sur de longues distances. C'est pourquoi l'ammoniac a été inclus dans le protocole de Göteborg de 1999, révisé en 2012, qui fait partie de la Convention sur la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance (Nations unies, 1979). Ce protocole a été établi dans le but de réduire l'acidification, l'eutrophisation et les concentrations d'ozone en fixant des plafonds d'émission à respecter d'ici 2010. Suite à la révision du protocole de Göteborg, la directive (UE) 2016/2284 (Commission européenne, 2016) définit des plafonds d'émission nationaux pour chaque État membre, notamment pour le NH3. L’ammoniac étant reconnu comme un précurseur des aérosols inorganiques secondaires, le contrôle de ses émissions est important pour réduire les concentrations de PM2,5 et PM10.

Ceci a conduit les réseaux de surveillance de la qualité de l’air ambiant à réaliser des mesures de concentrations de l’ammoniac sur leurs territoires. Pour atteindre l’objectif de mettre en place une infrastructure métrologique pour la qualité des mesures d'ammoniac, le LNE développe des étalons de référence de NH3 à des fractions molaires allant de 1 à 400 nmol/mol afin de couvrir la gamme des fractions molaires mesurées dans l’air ambiant et ainsi d’apporter une réponse métrologique plus adaptée au manque de traçabilité des mesures effectuées par les AASQA.

Deux pistes ont été investiguées pour le développement des étalons, l’une basée sur la fabrication de mélanges gazeux gravimétriques en bouteille à une fraction molaire de 10 μmol/mol associée à une dilution dynamique et l’autre reposant sur la perméation en phase gazeuse avec un double étage de dilution.

Au vu de la bibliographie mettant en évidence un manque de stabilité des mélanges gazeux de NH3 en bouteille, le LNE a retenu la seconde technique par perméation en phase gazeuse.

Le système de génération de NH3 par perméation gazeuse, co-développé en étroite collaboration avec la société française 2M Process est constitué :

  • D’un four permettant la régulation thermique d’un tube à perméation de NH3 à 0,01°C,
  • De plusieurs régulateurs de débit massique (RDM) permettant la dilution du mélange gazeux de NH3 généré en sortie du four de perméation,
  • D’un écran tactile en face avant permettant la commande de différentes fonctions.

Le système comporte deux étages de dilution qui permettent de générer des mélanges gazeux ayant des fractions molaires comprises entre 1 et 400 nmol/mol de NH3 en fonction des débits de dilution et du taux de perméation du tube.

Il a été montré que le système de génération de gaz étalon de NH3 par perméation gazeuse ainsi développé est fonctionnel et satisfaisant dans sa conception et son ergonomie.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Mise en place d’une chaîne nationale de traçabilité métrologique entre le LNE et les AASQA sur le territoire français pour les mesures de concentration d’ammoniac afin d’assurer la traçabilité de ces mesures aux étalons de référence.
  • Amélioration de la qualité des mesures des AASQA, permettant ainsi de comparer les données des différentes AASQA dans le temps et dans l’espace. Amélioration de la modélisation et de la prévision des données de surveillance de la qualité de l’air sur le territoire français.
  • Mise à disposition de données validées d’ammoniac mesurées par les réseaux nationaux de surveillance de la qualité de l’air pour identifier des changements dus à la mise en application des politiques environnementales, pour réduire les incertitudes des inventaires d'émission actuels et pour fournir des sorties de modèles de prévision de la qualité de l’air robustes.

PARTENAIRES

Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA)

2M Process

Des mesures plus justes du dioxyde d'azote (NO2) sont nécessaires pour comprendre l'exposition de la population, pour améliorer les modèles de qualité de l'air et les inventaires d'émissions, pour mieux discerner les tendances à long terme des concentrations de NO2 et pour appliquer la législation sur la qualité de l'air et les émissions des véhicules.

OBJECTIFS

  • Développer des étalons de référence statiques traçables à haute fraction molaire pour le NO2 avec une incertitude cible inférieure ou égale à 0,5% et une stabilité supérieure ou égale à 2 ans
  • Développer des étalons de référence dynamiques traçables de haute précision pour les faibles fractions molaires de NO2
  • Développer des méthodes analytiques pour quantifier les principales impuretés pouvant se former lors de la préparation d'étalons de référence de NO2 statiques et dynamiques
  • Valider des méthodes spectroscopiques sélectives pour mesurer directement le NO2 et les comparer avec la méthode de référence telle que décrite dans la norme EN 14211:2012, en utilisant les résultats d’essais sur le terrain
  • S'engager avec les parties prenantes pour assurer l'adoption des étalons de référence, des méthodes d'étalonnage et des dispositifs développés dans ce projet par les organismes d'élaboration de normes, les réseaux de surveillance de la qualité de l’air, les fabricants de mélanges de gaz, les fabricants d'instruments de mesure…

RESUME ET RESULTATS

Le dioxyde d’azote (NO2) est considéré comme l’un des plus importants gaz traceurs dans l’atmosphère. Il joue un rôle clé dans la formation d’ozone et de particules secondaires, l’acidification et l’eutrophisation, et influence la capacité oxydative de l’atmosphère avec des implications pour la qualité de l’air et le changement climatique. Le NO2 est un gaz toxique ayant des répercussions directes sur la santé humaine. Le programme Global Atmosphere Watch (GAW) de l’organisation mondiale de météorologie (WMO) a identifié le NO2 comme une variable climatique essentielle qui doit être surveillée à l’échelle mondiale en raison de son importance pour la chimie atmosphérique, la qualité de l’air et le climat.

Par conséquent, l’Union européenne (UE) a fixé des valeurs limites pour les concentrations de NO2 (Directive sur la qualité de l’air - 2008/50/CE), qui sont actuellement dépassées dans 17 États membres de l’UE, ainsi que des limites supérieures pour les émissions annuelles de NOx (Directive nationale sur les plafonds d’émissions (NEC) 2001/81/CE).

En Europe, l’une des principales sources de NO2 dans les villes est la combustion de combustibles fossiles par les véhicules automobiles. Les véhicules diesel émettent vingt fois plus de NO2 que les véhicules à essence. Du fait du parc automobile, les émissions de NO2 en Europe ne diminuent pas assez rapidement, alors que la qualité de vie des citoyens européens ne pourra s’améliorer qu’avec de faibles concentrations de NO2.

En conséquence, les gouvernements de l’UE sont maintenant soumis à des pressions croissantes pour élaborer des stratégies efficaces de diminution de la pollution atmosphérique et notamment des concentrations de NO2 dans les plus brefs délais. Mais, pour définir ces stratégies, des améliorations significatives sont nécessaires au niveau de la justesse et de la comparabilité des données de mesure provenant des sites de surveillance de la qualité de l’air.

L’objectif global du projet européen intitulé MetNO2 était donc de fournir une infrastructure de mesure traçable au système international (SI) pour améliorer la qualité des mesures des concentrations de NO2 dans l’atmosphère qui répondent aux objectifs de qualité des données établis par le groupe d’experts scientifiques du programme GAW du WMO.

Afin de développer des étalons de référence statiques en bouteille avec des fractions molaires de dioxyde d'azote dans la gamme de 1 μmol/mol à 10 μmol/mol, avec une incertitude élargie de 0,5% et une stabilité supérieure à 2 ans, il est nécessaire de caractériser complètement les impuretés comprenant les principaux composés d'interférence, c'est-à-dire NOy, et spécifiquement HNO3, qui se forme par réaction de la vapeur d'eau résiduelle avec le NO2 dans la bouteille. Le LNE a développé des étalons de référence gazeux pour le NO2. Plus précisément, les travaux du LNE sur cet aspect ont porté sur la fabrication de mélanges gazeux de NO2 en bouteille à une concentration de 10 μmol/mol. L’influence du traitement/revêtement interne sur la justesse et la stabilité au cours du temps de la fraction molaire de NO2 a été testée en fabriquant des mélanges gazeux de NO2 en bouteille à une concentration de 10 μmol/mol. Les mélanges gazeux ont été fabriqués dans 2 types de bouteille de 2 fabricants différents. De même, ces mélanges gazeux ont été fabriqués dans 2 matrices différentes (air et azote) pour évaluer l’influence de la matrice sur la justesse et la stabilité au cours du temps de la fraction molaire de NO2. Le processus de fabrication a impliqué de fabriquer des mélanges gazeux intermédiaires de NO dans l’azote à des fractions molaires élevées pour pouvoir atteindre par dilution gravimétrique la fraction molaire ciblée de 10 μmol/mol. De plus, des mélanges gazeux d’oxygène ont été préparés et introduits à la dernière étape de la fabrication pour transformer le NO en NO2.

Par ailleurs, pour développer des étalons de référence dynamiques de NO2 dans la gamme de 10 nmol/mol à 500 nmol/mol avec une incertitude élargie de 1%, l'un des principaux défis a été de développer des dispositifs dynamiques capables de fournir ces étalons de référence de haute précision de NO2 pour l'étalonnage de l'instrumentation sur le terrain dans les stations de surveillance à un coût raisonnable. Ceci a impliqué le développement de méthodes analytiques pour la quantification des impuretés telles que l'eau, les espèces HNO3, NOy et N2O4 dans le gaz diluant et une étude détaillée des matériaux utilisés pour la construction du dispositif afin de minimiser l'adsorption de NO2 sur les parois, les tubes et les différents éléments du dispositif dynamique. Le LNE a finalisé les méthodes de quantification des concentrations de vapeur d’eau et de HNO3 pouvant être présents dans les mélanges gazeux dynamiques de NO2 en utilisant le générateur portable de NO2 développé par l’institut de métrologie Suisse (METAS) basé sur la méthode de perméation et un spectromètre IRFT Brüker couplé à une cellule de trajet optique de 96 m.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Promouvoir l'adoption de nouveaux matériaux de référence primaires du dioxyde d'azote et partager les connaissances sur la production et l'application de ces matériaux de référence
  • Impact sur les communautés d'utilisateurs industriels par les échanges de connaissances
  • Impact sur la métrologie et les communautés scientifiques par les participations à des congrès et la publication d’articles scientifiques
  • Impact sur les normes pertinentes :
    • révision des méthodes de référence et des normes documentaires dans les commissions de normalisation internationale ISO / TC158 (Analyse des gaz) et européenne CENTC / 264 (Qualité de l'air)
    • intégration des nouvelles méthodes développées dans ce projet pour la préparation de matériaux de référence dans les prochaines révisions des normes ISO 6142 et ISO 6145 (production et certification des matériaux de référence) et ISO 19229 (analyse de pureté)
    • révision de la norme EN 14211:2012 entreprise par le CEN TC 264 / WG12
  • Améliorer la surveillance atmosphérique à long terme du NO2, soutenir l'harmonisation des données à travers l'Europe en fournissant une infrastructure de traçabilité SI, améliorer la législation pour les véhicules à moteur
  • Permettre le renforcement de la compétitivité des laboratoires nationaux de métrologie européens et des entreprises basées en Europe en améliorant les capacités européennes et en positionnant l'Europe sur les aspects métrologiques
  • Améliorer la qualité de vie des citoyens européens et réduire la charge économique des effets de l'exposition au NO2 sur la santé en facilitant l'évaluation rapide de l'efficacité des stratégies de réduction de la pollution

PARTENAIRES

NPL (Royaume-Uni)

CMI (République Tchèque)

DFM (Danemark)

IL (Finlande)

NILU (Norvège)

TUBITAK (Turquie)

VSL (Pays-Bas)

Aarhus Universitet (Danemark),

Deutscher Wetterdienst (Allemagne),

Forschungszentrum Juelich GmbH (Allemagne)

King's College London (Royaume-Uni)

University of York (Royaume-Uni)

Eidgenoessische Materialpruefungs- und Forschungsanstalt (Suisse)

Imperial College of Science, Technology and Medicine
METAS (Suisse)

PTB (Allemagne)

Le pH des solutions est probablement le concept chimique le plus largement utilisé en dehors du domaine de la chimie. La mesure et la surveillance précises des valeurs de pH sont une tâche extrêmement importante dans une grande variété de technologies et donc dans des milieux très divers. A ce jour, il est impossible de comparer les valeurs de pH de solutions réalisées dans différents solvants. Le concept théorique d'une échelle pHabs unifiée sur une base métrologique doit être développé pour être utilisable dans la pratique, grâce à des procédures de mesure et d'étalonnage.

OBJECTIFS

  • Développer et valider une procédure de mesure fiable et universellement applicable, permettant de mesurer les pHabs dans des solvants non-aqueux et mixtes, des colloïdes, etc., permettant de déterminer leurs acidités par rapport à l'échelle de pH aqueuse conventionnelle
  • Créer une méthode fiable pour l'évaluation du potentiel de jonction liquide entre les solutions aqueuses et non aqueuses où l'électrolyte de pont est un liquide ionique
  • Développer une suite cohérente et validée d'étalons pour harmoniser les systèmes de mesure de routine en termes de valeurs pHabs pour une grande variété de milieux
  • Contribuer aux spécifications internationales pour la qualité du bioéthanol EN 15490 et à d'autres organisations d'élaboration de normes pertinentes et diffuser les résultats à l'infrastructure de mesure européenne

RÉSUMÉ ET RÉSULTATS

Le pH des solutions est utilisé dans un nombre incalculable de domaines : la médecine et les sciences de la vie, la biologie, les sciences de l'environnement, l'agrologie, les sciences marines, la catalyse, les sciences des matériaux, la science de la corrosion, les sciences liées à l'énergie, etc. Il joue un rôle important dans pratiquement tous les procédés liés aux matériaux, dans leur production (ex. transformation des métaux, papiers, plastiques, verres, etc.) ainsi que dans leur retraitement (eaux usées domestiques et industrielles, extraction des déchets solides, etc.).

La variété des technologies nécessitant des mesures de pH implique une diversité de milieux dans lesquels ces processus se produisent, c'est-à-dire différents solvants, mélanges de solvants et dispersions. Pour des raisons thermodynamiques fondamentales, une comparabilité valable des valeurs de pH dans différents milieux a longtemps été impossible, même au niveau théorique. En conséquence, différentes échelles de pH existent dans différents milieux, faiblement corrélées les unes aux autres, sans possibilité de convertir une échelle dans l'autre au niveau de fiabilité nécessaire. On sait qu'il existe aujourd'hui potentiellement 1,5 million d'électrodes pH utilisées dans les applications industrielles, dont un certain nombre (10 % à 20 %) sont placées dans des mélanges de solvants qui ne sont en fait pas adaptés et conduisent à des mesures erronées.

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En 2018, le LNE a coordonné le projet UnipHied (Realisation of a Unified pH Scale, lien du site ICI), financé par le programme européen EMPIR. Le concept d'acidité unifiée (pHabs) a été introduit pour surmonter cette situation, permettant la comparabilité des valeurs de pH entre toutes les phases, qu'elles soient gazeuses, liquides ou solides. Bien que conceptuellement excellent, la mise en pratique de ce concept s'est avérée extrêmement difficile et n'a pas encore été entièrement réalisée. Pour être utilisable dans la pratique, des procédures de mesure et d'étalonnage appropriées sont nécessaires.

La méthode de potentiométrie différentielle repose sur la conversion de la différence de potentiel mesurée entre deux électrodes immergées chacune dans une solution séparée par un pont salin, en différence de pH. Au cours du projet, deux méthodes de mesure de pHabsH2O ont été mises en place par les partenaires :

  • Une méthode de référence basée sur la mesure de potentiel entre deux demi-cellules d'électrodes de verre spécialisées (à contact solide) reliées par un ILSB (Ionic Liquid Salt Bridge).
  • Une méthode alternative, adaptée aux laboratoires de routine et basée sur des mesures de potentiel à l'aide d'équipements de mesure conventionnels, à savoir une demi-cellule d'électrode en verre et une électrode de référence à double jonction Ag/AgCl avec deux solutions de remplissage (solution de remplissage interne concentrée de KCl, et solution de remplissage externe liquide ionique, agissant comme un ILSB).

Les deux méthodes pHabsH2O ont été validées par des comparaisons interlaboratoires sur différents tampons pH aqueux standards ainsi que sur des milieux plus complexes tels que l'éthanol et les solvants eau-éthanol. Il a été démontré que les valeurs d'acidité unifiées (valeurs de pHabsH2O) peuvent être mesurées avec divers instruments et conceptions de cellules.

Par ailleurs, il a été découvert qu'il existe une possibilité de minimiser, voire d'éliminer le potentiel liquide-jonction (LJP) en utilisant un pont salin formé par un liquide ionique (IL) "proche de l'idéal". Bien que cet IL permette une élimination proche de l'idéal du LJP, il reste encore un certain degré d'incertitude quant à la mesure pour laquelle l'élimination est complète. Ainsi, la tâche initiale d'évaluation du LJP s'est transformée en évaluation de l'incertitude résiduelle due à une élimination éventuellement incomplète du LJP. L'IL « proche de l'idéal » étudié dans le cadre du projet permet la mise en œuvre expérimentale de l'échelle pHabsH2O pour plusieurs solvants organiques complexes. Cela contribue à obtenir des valeurs de pHabsH2O qui servent de lien thermodynamiquement bien défini entre l'acidité de l'eau et l'acidité de tout autre milieu par rapport au système aqueux. De plus, cet IL spécifique offre des avantages considérables par rapport à d'autres méthodes, à savoir sa non-toxicité.

Le développement du premier prototype de transducteur à utiliser dans le dispositif de détection pHabsH2O a montré l'efficacité de la réponse de l'élément de détection du pH dans les systèmes de solvants tamponnés/mélangés et a mis en évidence certains problèmes clés avec le système de référence et lors du déploiement de l'élément de détection du pH dans des milieux à faible salinité. Le deuxième prototype a surmonté ces problèmes en développant une cellule de référence complète et une construction d'électrodes pour minimiser les problèmes des milieux à faible conductivité. Les résultats de ce prototype montrent l'efficacité de cette approche pour surveiller le pH dans des milieux solvants mixtes avec un accord prometteur entre les valeurs de pH calculées et mesurées dans les milieux solvants aqueux et mixtes.

Des configurations ILSB pour mesurer facilement pHabsH2O avec un équipement de mesure conventionnel ont été développées dans le projet et utilisées pour démontrer l'application aux pratiques de terrain, en particulier pour la chromatographie liquide. De plus, un concept de détection a été développé en passant de l'électrode de verre traditionnelle à un système de détection à semi-conducteurs.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Les résultats produits pendant la durée de vie du projet bénéficieront aux fabricants de capteurs de pH et de pH-mètres qui disposeront d'un moyen fiable pour caractériser et comparer leurs appareils dans des solutions autres qu'aqueuses
  • Les configurations ILSB développées dans le projet pour mesurer pHabsH2O peuvent être facilement adoptées pour les analyses de routine en laboratoire. À plus long terme, les laboratoires de routine pourront mesurer pHabsH2O tout en utilisant leur équipement de mesure conventionnel
  • Transfert des connaissances liées à la mesure de pHabsH2O aux prestataires de services chimiques, notamment ceux qui utilisent la chromatographie liquide et ses méthodes dérivées, les électrochimistes dans le domaine des batteries ou de la corrosion, et ceux qui travaillent dans l'industrie alimentaire
  • Le projet a encouragé la participation active aux principaux comités européens liés à la chimie tels que l'EURAMET TC MC, ainsi que le transfert de connaissances à la communauté internationale de la métrologie en chimie telle que le BIPM CCQM
  • Le projet sera un vecteur d'innovation pour le développement de la prochaine génération d'électrodes pH. De telles électrodes seraient utiles dans le domaine biomédical, notamment pour la chimiothérapie du cancer, et pourraient contribuer à la réduction du coût du traitement du cancer
  • La méthodologie développée au cours du projet pourrait être appliquée pour étudier d'autres liquides ioniques pour leur potentiel d'utilisation pour des applications d'eau de mer

PUBLICATIONS / COMMUNICATIONS

  • Agnes Heering, Daniela Stoica, Filomena Camões, Bárbara Anes, Dániel Nagy, Zsófia Nagyné Szilágyi, Raquel Quendera, Luís Ribeiro, Frank Bastkowski, Rasmus Born, Jaan Saame, Jaak Nerut, Silvie Lainela, Lokman Liv, Emrah Uysal, Matilda Roziková, Martina Vičarová, Alan Snedden, Lisa Deleebeeck, Valentin Radtke, Ingo Krossing, Ivo Leito, “Symmetric Potentiometric Cells for the measurement of Unified pH values”, Symmetry 2020, 12(7), 1150. https://doi.org/10.3390/sym12071150
  • Ricardo J.N. Bettencourt da Silva, Jaan Saame, Bárbara Anes, Agnes Heering, Ivo Leito, Teemu Näykki, Daniela Stoica, Lisa Deleebeeck, Frank Bastkowski, Alan Snedden, M. Filomena Camões, «Evaluation and validation of detailed and simplified models of the uncertainty of unified pHabsH2O measurements in aqueous solutions», 182, 2021, 338923 https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338923
  • Lainela, S.; Leito, I.; Heering, A.; Capitaine, G.; Anes, B.; Camões, F.; Stoica, D, «Toward Unified pH of Saline Solutions», Water 2021,13(18), 252 https://doi.org/10.3390/w13182522
  • Deleebeeck, Lisa; Snedden, Alan; Nagy, Daniel; Szilagyi Nagyne, Zsofia; Rozikova, Matilda; Vicarova, Martina; Heering, Agnes; Bastkowski, Frank; Leito, Ivo; Quendera, Raquel; Cabral, Vitor; Stoica, Daniela, «Unified pH Measurements of Ethanol, Methanol, and Acetonitrile, and Their Mixtures with Water», Sensors 2021, 21(11), 3935 https://doi.org/10.3390/s21113935

PARTENAIRES

BFKH (Hongrie)

CMI (République Tchèque)

DFM (Danemark)

IPQ (Portugal)

PTB (Allemagne)

SYKE (Finlande)

TUBITAK (Turquie)

ALU-FR (Allemagne)

ANB Sensor (Royaume-Uni)

FC.ID (Portugal)

UT (Estonie)

Le mercure sous ses nombreuses formes chimiques est très toxique pour l'homme, les animaux et l'environnement avec une variabilité significative dans la chaîne trophique : des teneurs de quelques µg/kg peuvent se retrouver dans des matrices biotes alors que dans des échantillons d’eau les teneurs peuvent descendre à quelques ng/kg.

OBJECTIFS

  • Développer des procédures de mesure de premier niveau métrologique pour différentes espèces du mercure (spéciation) et dans différentes matrices (air, eau & biote)
  • Développer un matériau de référence certifié (MRC) pour les associations de surveillance de la qualité de l’air
  • Développer le couplage d’un analyseur de mercure et de la chromatographie en phase gazeuse (CG) à la spectrométrie de masse à plasma induit haute résolution (HR-ICP-MS)
  • Quantifier le mercure total et ses espèces dans des matrices environnementales (notamment l’eau de mer) à des teneurs de l’ordre de quelques ng/L

RÉSUMÉ ET RÉSULTATS

Les activités humaines (transport, extraction du gaz et du pétrole, émissions de l’industrie chimique, ampoules, …) ont conduit au cours des 100 dernières années à une forte augmentation des niveaux de mercure (Hg) dans l’environnement. Le mercure est toxique sous toutes ses formes. Il est bioassimilable et bioaccumulable et se concentre facilement dans les organismes et tout au long du réseau trophique (chaîne alimentaire), en particulier dans les sédiments et dans les eaux où sous la forme de méthylmercure (CH3Hg). Il se concentre jusqu'à 10 millions de fois dans les organismes aquatiques (moules, huîtres et autres animaux filtreurs en particulier). Afin de prévenir la pollution environnementale et les dommages causés à la santé par le mercure, une nouvelle convention mondiale juridiquement contraignante visant à réduire les émissions de mercure, la Convention de Minamata, a été signée et approuvée par 185 pays en 2013.

La Convention met en évidence, entre autres, le besoin de connaitre le cycle du mercure dans tous les compartiments environnementaux.

L’évaluation des effets du mercure sur l’homme et l’environnement s’avère d’importance et dépendante de résultats de mesure fiables. Or les méthodes de mesure existantes, même lorsqu’elles sont normalisées (EN15852, EN13211, EN14884, …), requièrent d’être améliorées du point de vue métrologique pour obtenir des valeurs de concentration qui puissent être comparées de façon fiable les unes aux autres dans le but d’évaluer des tendances dans le temps et en différents lieux. Cela se vérifie également dans le domaine de l’océanographie où les incertitudes à atteindre sur les mesures du Hg doivent être fortement réduites pour que des tendances puissent être identifiées sur une colonne d’eau (teneurs de l’ordre de la pico-mole). Ce défi est néanmoins rendu encore plus complexe par les différentes formes chimiques existantes pour le mercure (Hg, CH3Hg, …), leur présence dans des matrices variées (air, eau, biote, …) et les faibles concentrations rencontrées dans certains cas. En l’état, les résultats sont difficilement opposables du point de vue réglementaire, que cela soit dans le cadre de la Directive Cadre sur l’Eau (2000/60/EC) ou des Directives 2004/107/EC et 2010/75/EU relatives respectivement aux émissions et aux concentrations dans l’air. Enfin du point de vue analytique, la mesure des espèces du mercure constitue un véritable défi du fait de son caractère réactif, de la difficulté à le stocker et à le manipuler ou encore de sa faculté à s’évaporer facilement.

Entre 2014 et 2017, le LNE a coordonné le projet européen MeTra (Traceability for Mercury Measurement, lien du site ICI), financé par le programme européen EMPIR, dont le but était de développer des procédures de mesure de premier niveau métrologique, ainsi que des matériaux de référence afin d’établir la traçabilité au SI des mesures de Hg dans l’ensemble des compartiments environnementaux pertinents (air, eau, solide), en soutien de la mise en œuvre de la Convention de Minamata sur le mercure.

Le LNE a travaillé sur le développement des procédures pour la quantification des espèces du Hg dans l'eau et dans les poissons. Pour l'eau, le défi était principalement les faibles concentrations des diverses espèces. La méthode développée par le LNE est basée sur la dilution isotopique couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse à plasma inductif (DI-GCICPMS) pour la quantification des espèces de mercure Hg (II) et MeHg. Pour traiter de très faibles niveaux de concentration, le principal défi était de minimiser l'impact des blancs, en particulier pour les mesures du Hg (II). Dans le cadre du projet, le LNE a établi une collaboration avec l'AIEA (Agence internationale de l'énergie atomique) sur les mesures de spéciation dans l'eau de mer. Des mesures comparatives entre l'AIEA et le LNE ont été effectuées en 2016 sur une eau « modèle » contenant de l'eau de mer artificielle, des acides humiques et une petite quantité d’un matériau de référence de poisson contenant du mercure.

Dans les matrices « biote », le principal défi analytique est l'extraction complète des espèces du Hg de la matrice sans en modifier la composition. Le LNE a mis en œuvre une extraction acide couplée à la DI-GC-ICPMS, ayant l'avantage de ne pas utiliser de réactifs toxiques tels que l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH). De plus, les étapes de réchauffement de l’échantillon, filtration, purification ont été évitées afin de ne pas modifier la spéciation d'origine. Pour valider la méthode, deux différents matériaux de référence ayant des teneurs en matière grasse et des niveaux de concentration de mercure différents ont été utilisés, tels que le NIST 1947 (poisson frais) et l'IAEA 407 (moules). Les limites de détection et de quantification ont été déterminées dans le cadre de la procédure de validation ainsi que l’incertitude de mesure. Les méthodes validées ont été appliquées à l’analyse de quatre matériaux de poisson différents qui ont été préparés par la banque d’échantillons environnementaux allemande. Ces matériaux ont été analysés par les participants du projet en utilisant différentes méthodes. La robustesse des méthodes a donc été prouvée et des bilans d'incertitude complets ont pu être établis.

Pour répondre au besoin de disposer de méthodes primaires robustes et performantes, le LNE a souhaité améliorer ses performances en analyse de spéciation et développer un nouveau couplage dédié aux mesures de mercure et de ces espèces, notamment dans des matrices environnementales, comme l’eau de mer. Ainsi, en 2018, le laboratoire a travaillé sur l’amélioration du couplage entre les techniques séparatives et l’ICP-MS. En effet, les techniques de spectrométrie de masse sont les méthodes analytiques présentant les meilleures performances pour la mesure de rapports isotopiques. En spéciation élémentaire, les principaux défis sont la présence de blancs analytiques importants et la faible sensibilité des signaux, notamment à basse concentration, impactant la fidélité de la mesure des rapports isotopiques, et par conséquence l’incertitude associée au dosage par DI. Le couplage envisagé, consistant à assembler un analyseur de mercure, un chromatographe en phase gaz et la ligne de transfert pour permettre le couplage au HR-ICP-MS, avait pour but de permettre la réduction des limites de quantification des précédentes méthodes utilisées et de se rapprocher des niveaux attendus dans les milieux moins pollués.

Par ailleurs, un manque de méthodes de référence et de matériaux de référence a été mis en évidence lors de précédents travaux, pour les études du cycle biogéochimique du mercure, notamment en eau de mer. Ce manque est dû au fait que les teneurs du mercure dans des milieux naturels non contaminés sont de l’ordre de quelques ng/L. Le projet a ainsi permis de développer un système de dosage pour le mercure, fiable et rapide, dont les résultats ont été validés par comparaison avec la méthode primaire basée sur la dilution isotopique.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Soutien à la mise en œuvre de la Convention de Minamata sur l'interdiction progressive du mercure
  • Fourniture de MRC (filtres impactés en poussières atmosphériques et caractérisés pour leur teneur en Hg) aux associations de surveillance de la qualité de l’air (AASQA)
  • Méthodes validées pour répondre aux nouvelles exigences de la Directive Cadre sur l’Eau (notamment en termes de Normes de Qualité Environnementales exigées pour la biote)
  • Méthode validée avec bilan d’incertitudes complet à destination de la communauté des océanographes
  • Amélioration des capacités de mesure avec des méthodes d’analyse plus performantes, notamment en termes de limites de quantification atteignables

PUBLICATIONS / COMMUNICATIONS

Publications :

Richard J C Brown, Paul J Brewer, Hugo Ent, Paola Fisicaro, Milena Horvat, Ki-Hyun Kim, Christophe R Quétel; Who should take responsibility for decisions on internationally recommended datasets? The case of the mass concentration of mercury in air at saturation Metrologia; 2015, 52, L25–L30

Communications :

P. Fisicaro, E. Vasileva, I. Fettig, J. Koschorreck, C. Piechotta, C. Oster, E. Alasonati, M. E. Del Castillo Busto, S. Azemard Collaborative study on mercury and methylmercury quantification in fish samples from the German Environmental Specimen Bank; Winter Plasma Conference February 2017, Austria (poster)

Paola Fisicaro, Emilia Vasileva, Ina Fettig, Jan Koschorreck, Christian Piechotta, Caroline Oster, Enrica Alasonati, Maria Estela Del Castillo Busto, Sabine Azemard; Development of an enzymatic digestion method for the quantification of mercury species in biota and fish Workshop on mercury monitoring and regulation; April 2017, Germany (poster)

Enrica Alasonati, Christian Piechotta, Charlott Wittstock, Ina Fettig, Paola Fisicaro Traceability for speciation of mercury in water and biota; Workshop on mercury monitoring and regulation; April 2017, Germany (oral)

PARTENAIRES

BAM (Allemagne)

IJS (Slovénie)

LGC (Royaume-Uni)

NPL (Royaume-Uni)

CNR (Italie)

CNRS (France)

PTB (Allemagne)

SYKE (Finlande)

TUBITAK (Turquie)

UBA (Allemagne)

VSL (Pays-Bas)

Symalab (France)

IAEA (international)

La métrologie en chimie est un domaine en évolution rapide, fortement motivée par les besoins de mesures fiables dans de nombreux domaines. La comparabilité des résultats de mesure est une exigence clé dans des situations telles que le commerce transfrontalier, la mise en œuvre de réglementations environnementales, la sécurité alimentaire, la biologie clinique.

OBJECTIFS

  • Développement des capacités de mesure pour l'analyse de métaux lourds à des niveaux de concentration bas (ppt et ppb selon les matrices) avec des incertitudes inférieures à 10% en se basant sur des méthodologies de dilution isotopique par spectrométrie de masse (DI-ICPMS)
  • Développement d’une méthode secondaire pour la mesure du pH et application de cette méthode pour la production et la caractérisation de solutions de référence de pH avec une incertitude cible de 0,008 pH
  • Application des méthodes développées à des matrices environnementales et alimentaires telles que les eaux potables et naturelles, les sédiments et différents types d'échantillons de poissons et biotes
  • Validation des méthodes développées en participant à des comparaisons internationales appropriées permettant le dépôt de CMC à soumettre dans la base de données du BIPM
  • Développement de stratégies individuelles pour l’application à long terme de capacités de mesure développées, y compris le soutien à la réglementation, l’établissement de collaborations de recherche et l'obtention de l’accréditation selon la norme ISO 17025

RÉSUMÉ ET RÉSULTATS

Lors de la réalisation d'analyses chimiques de routine, les laboratoires d’analyse ont besoin d'outils fiables tels que les matériaux de référence et les mesures de référence afin d'établir la traçabilité métrologique au SI et de valider leurs méthodes.

La chaine de traçabilité des analyses chimiques est basée sur la mise en œuvre de la dilution isotopique par spectrométrie de masse (IDMS), qui est une méthode de référence primaire. L'approche IDMS nécessite que les opérateurs soient expérimentés, car de nombreux aspects (comme par exemple la sélection des isotopes appropriés, l'optimisation de l'équilibre du mélange étalon/échantillon) doivent être soigneusement évalués et pris en compte afin d’obtenir des résultats fiables.

L'objectif général du projet ChemMet-Cap (Development of scientific and technical capabilities in the field of chemical analysis, site internet consultable ICI), financé par le programme européen EMPIR et coordonné par le LNE, était donc d'améliorer les capacités de mesure des instituts nationaux de métrologie (INM) moins expérimentés dans le domaine de la métrologie en chimie.

Ce projet a permis d’améliorer les capacités de recherche des INM émergents dans le domaine de la métrologie en chimie. En outre, les capacités de mesure acquises ont été démontrées grâce à l’organisation d’une comparaison interlaboratoire pour les laboratoires d’analyse, au cours de laquelle les INM ont fourni les valeurs de référence. En outre, les INM émergeants ont également préparé des feuilles de route et défini leurs stratégies à long terme, pour la mise en œuvre d'une infrastructure métrologique nationale et une collaboration efficace avec les pays voisins dans le domaine de la métrologie en chimie.

Le LNE a assuré la coordination du projet. Du point de vue technique, sa contribution a porté principalement sur la formation des INM émergeants en matière de DI-ICPMS et sur le développement du banc secondaire de pH-métrie.

En outre, le LNE a également contribué à la fourniture des valeurs de référence assignées lors de la comparaison interlaboratoire organisée pour les laboratoires de routine et a aidé les INM à structurer leurs feuilles de route pour la mise en œuvre des stratégies nationales.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Les valeurs de référence fournies pour les programmes d'essais d'aptitude et les matériaux de référence bénéficieront directement aux laboratoires de terrain
  • La production d'échantillons de référence avec des valeurs de référence attribuées en utilisant une méthode de mesure primaire, ainsi que la production des matériaux de référence secondaires de pH dans les pays participants, contribuera à réduire le coût d'achat de matériaux de référence importés pour l'étalonnage
  • Le projet a établi des capacités fiables pour des mesures traçables en chimie (en particulier pour l'analyse inorganique élémentaire et le pH) qui ont créé un impact significatif au sein de la communauté de la métrologie
  • Le projet a soutenu les NMI/DI des pays émergents impliqués, à travers les activités de partage des connaissances entreprises. Cela permettra aux NMI/DI émergents de participer à davantage de futurs programmes de recherche d'EURAMET et à d'autres initiatives de recherche de l'UE
  • Le projet a encouragé la participation active dans les principaux comités européens liés à la chimie tels que l'EURAMET TC MC, ainsi que le transfert et l'échange de connaissances avec la métrologie internationale dans la communauté de la chimie comme le BIPM CCQM

PUBLICATIONS / COMMUNICATIONS

Recent progress in chemical measuring capabilities in INM as a result of EMRP/EMPIR Programme”, Mirella Buzoianu, Mihail Radu, George Victor Ionescu, published in 19th International Congress of Metrology, 20004 (2019), https://doi.org/10.1051/metrology/201920004

2“Work at the INM to Develop Measurement Capabilities to Assign Reference Values in Proficiency Testing Schemes”, M.Buzoianu, published in Proceedings of PT CONF 2019, http://www.pt-conf.org/2019/wp-content/uploads/2019/09/Proceedings-PT-C…

PARTENAIRES

BIM (Bulgarie)

BRML (Roumanie)

TUBITAK (Turquie)

IAPR (Grèce)

INRAP (Tunisie)

En absorbant près d’un tiers du CO2, les océans jouent un rôle primordial dans le contrôle climatique de notre planète. L’accumulation du CO2 dans les océans entraîne cependant une diminution du pH de l’eau de mer, phénomène connu sous le nom « d’acidification des océans ».

OBJECTIFS

  • Etablir la traçabilité métrologique pour les paramètres indicateurs de l’acidité de l’océan : pH, pHT et alcalinité totale
  • Etablir la traçabilité métrologique de mesures à travers des étalons primaires internationalement reconnus
  • Evaluer l’incertitude de la mesure spectrophotométrique de pHT et la mesure titrimetrique d’alcalinité totale
  • Fournir des outils appropriés pour la validation des méthodes de mesure du pHT et alcalinité totale des eaux marines (Matériaux de Reference Certifiés, organisation des comparaisons inter-laboratoires)
  • Offrir un appui aux stratégies climatiques internationales et européennes en développant une infrastructure métrologique pour les données d’acidification des océans

RÉSUMÉ ET RÉSULTATS

L’environnement marin est soumis à de fortes pressions environnementales liées au développement des activités humaines (émissions de CO2, activités industrielles, développement urbain, trafic maritime, etc). Plusieurs travaux scientifiques démontrent l’effet néfaste de ces activités sur les eaux marines, notamment sur les équilibres des écosystèmes, et demandent des actions concrètes pour protéger et préserver le milieu marin.

Une des conséquences des activités humaines est l’acidification des océans. Ce phénomène fait référence au processus de diminution du pH sur une échelle temporelle étendue (plusieurs décennies) causé, sauf cas de pollution accidentelle, par l'absorption de quantités croissantes de dioxyde de carbone atmosphérique. En raison de son importance dans la régulation du climat et sur le plan économique, l’observation des océans, et en particulier le phénomène d’acidification, est devenue une préoccupation des politiques tant à l’échelle européenne qu’internationale.

À l’échelle planétaire, le pH moyen des océans est actuellement de 8,1, soit 0,1 de moins qu’il y a 250 ans. Cela peut paraitre insignifiant, mais l'échelle de pH étant logarithmique, une diminution de 1 pH représente une augmentation de l'acidité par un facteur 10. Ainsi, l’observation et la quantification d’acidification des eaux marines fait l’objet de plusieurs initiatives européennes et internationales.

L'acidité, la basicité ou la neutralité d'un milieu sont déterminées grâce à un paramètre appelé potentiel hydrogène, plus connu sous le nom de pH.  Au niveau primaire, le pH est calculé comme la somme de deux termes : l’un, appelé fonction d’acidité, peut être déterminé expérimentalement, l’autre appelé coefficient d’activité, est établi par convention. C’est ce dernier paramètre qui représente le véritable enjeu pour la traçabilité et la comparabilité des valeurs de pH.

Par ailleurs, le concept de traçabilité du pH au Système International d'unités (SI) est uniquement établi pour les solutions aqueuses à faible force ionique (inférieure à 0,1 mol/kg). Pour les milieux complexes, la tâche est plus difficile encore, car il est nécessaire de définir préalablement et de manière correcte, le bon coefficient d’activité qui tient compte des interactions entre tous les ions présents dans la solution ainsi que de la spécificité du solvant considéré (masse volumique, permittivité). Par milieux complexes, on entend toutes solutions non-aqueuses, ou solutions aqueuses à concentration ionique élevée ou présentant une diversité des espèces ioniques, telle que l’eau de mer.

A l’échelle internationale, la Commission Océanographique Intergouvernementale (IOC) de l’UNESCO a élaboré récemment une méthodologie dont l’objectif est de « réduire au minimum les conséquences de l’acidification des océans et d’y faire face, notamment en renforçant la coopération scientifique à tous les niveaux ». La méthodologie a pour but d’indiquer quelles mesures de l’acidification des océans et des paramètres associés doivent être réalisées, à quels endroits et selon quelles modalités. Un chapitre entier est dédié à la « Qualité des données », indispensable pour des interprétations fiables.

Au niveau européen, l'Union Européenne (UE) agit contre le changement climatique en étroite coopération avec des partenaires internationaux. La Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (DCSMM), adoptée en 2008 pour ensemble des mers européennes, encourage l’existence des « dispositions relatives à l’adoption de normes méthodologiques pour l’évaluation de l’état du milieu marin, la surveillance et les objectifs environnementaux, pour la transmission et le traitement des données […] ». Pour illustrer et communiquer sur des phénomènes complexes tels que l’acidification des eaux marines, l'Agence Européenne pour l'Environnement (EAA), a défini « l’acidification des océans » comme un des indicateurs descriptifs du climat permettant de suivre les changements dans l'océan associés au changement climatique.

Le LNE apporte son expertise sur la thématique de l’acidité et de la salinité depuis plusieurs années. Ainsi, en 2011, un projet a été mené dans le cadre du Programme Européen de Recherche en Métrologie (EMRP) et coordonné par la PTB, le laboratoire de métrologie allemand. Le LNE est intervenu plus spécifiquement sur la mise en place de procédures de référence pour caractériser l’eau de mer en terme d’acidité et de composition ionique.

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Eau de mer

La salinité représente la proportion en sels minéraux dissous dans l’eau de mer, qui est une matrice très complexe pouvant être assimilée à une solution multi-électrolytes avec des composants majeurs (Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Cl-, SO42-, Sr, … > 1 mg/kg solution), des composants mineurs (silicates, phosphates, nitrates / 0,1 -1 mg/kg solution) et des éléments traces (Fe, Zn, Cr, Ni, Hg, … < 0. 1 mg/kg solution). La chaîne de traçabilité actuelle pour la Salinité Pratique (SP) de l’eau de mer, en vigueur depuis 1982 (PSS 78), relie la salinité et la conductivité, mais ne permet pas d’avoir un raccordement métrologique aux unités du SI. Des mesures primaires de conductivité ont été réalisées avec pour objectif de relier la SP aux mesures de densité, qui sont, elles, directement traçables aux unités du SI, et de réduire les incertitudes sur la SP de quasiment un ordre de grandeur (actuellement de l’ordre quelques 10-2).

Concernant le pH de l’eau de mer, il est nécessaire de rendre comparable les mesures de pH effectuées avec des techniques de mesure différentes. Ainsi, dans le cas de mesures potentiométriques, l’échelle d’activité est le concept utilisé pour la mesure de pH. En revanche, les mesures spectrophotométriques utilisent le concept d’échelle de concentration. Il convient par conséquent de trouver un lien entre les deux échelles de pH et d’assurer une traçabilité métrologique via l’échelle d’activité pour être en mesure in fine d’étalonner les spectrophotomètres utilisés pour les mesures sur le terrain.

Les théories et les conventions classiques ne pouvant plus être appliquées pour ces solutions de force ionique élevée (supérieures à 0,1 mol/kg), le développement d’approches plus fidèles s’avère nécessaire. Le modèle théorique de Pitzer a ainsi été éprouvé à partir des valeurs expérimentales de pH obtenues par mesure primaire, pour des solutions de plusieurs forces ioniques simulant les eaux de mer de différentes salinités (SP) et plusieurs températures (15°C, 25°C et 35°C). Le potentiel standard de l’électrode de référence Ag/AgCl a pour cela dû être déterminé pour une eau de mer synthétique de Salinité Pratique 35 et des températures comprises entre 5°C et 40°C, un tampon TRIS (pH ~ 8.2) a été caractérisé dans une eau de mer synthétique de composition certifiée et des mesures primaires de pH ont été réalisées. Le comportement des électrodes de verre dans un milieu salin a également été investigué. Enfin une méthode de quantification des anions silicates (composant mineur) et du strontium (composant majeur) a été mise au point par chromatographie ionique.

D’autres projets ont pris la suite sur cette thématique. En 2019, un projet financé par la Métrologie Française a démarré, concernant la fabrication et la caractérisation des solutions étalons en adaptant la matrice (le solvant) aux échantillons que l’on souhaite analyser. Lorsqu’ils existent, ces étalons permettent d’assurer la traçabilité des résultats de mesure de pH au SI et de leur garantir un faible niveau d'incertitudes. Par voie de conséquence, leur absence entraine une qualité des mesures insatisfaisante pour certains domaines d’applications, avec des incertitudes pouvant aller jusqu'à 2 pH.

C’est la raison pour laquelle les laboratoires nationaux de métrologie développent des références métrologiques pour les mesures de pH dans de telles matrices complexes.

Cependant, la difficulté de couvrir des besoins aussi variés que le nombre élevé de matrices utilisées a été mise en avant. Cette difficulté a permis d’introduire un nouveau concept de « pH unique » capable d’offrir la traçabilité et la comparabilité du pH quel que soit le milieu.

Il apparaît alors nécessaire de démontrer la faisabilité de ce concept innovant grâce à la mise en pratique de plusieurs mélanges eau-solvant organique utilisés classiquement pour séparer des composés (chromatographie en phase liquide) ou le contrôle de la qualité du bioéthanol.

Par ailleurs, sur la thématique du changement climatique, le « Global Ocean Observing System » (GOOS) a défini le « Carbone inorganique » comme l’une des variables océanographiques essentielles qui permet d’évaluer les effets de l’augmentation des concentrations atmosphériques de CO2 sur les océans. Quatre paramètres sont regroupés sous la définition de carbone inorganique, à savoir pH, pCO2 (pression partielle de dioxyde de carbone), TA (alcalinité totale) et DIC (carbone inorganique total dissous).

Compte-tenu des changements climatiques faibles à petite échelle mais avec un impact fort sur le long terme (besoin de suivis sur des dizaines d’années) les exigences sur les incertitudes de mesures de pH se situent à ± 0.005 pH. Pour y parvenir, les océanographes ont introduit un nouveau mesurande, le pH total (pHT), pour lequel les challenges métrologiques sont similaires à ceux existants pour les mesures du pH : besoin d’une définition standard, besoin d’étalons primaires, mise en place d’une méthode de référence primaire basée sur l’utilisation de la cellule de Harned, mise en place d’une convention permettant d’établir la traçabilité au SI et d’une chaine de traçabilité métrologique pour les mesures réalisées par les utilisateurs.

Le pHT mesure une concentration en protons totaux c'est-à-dire les protons libres et les protons impliqués dans les associations avec les ions sulfates. Ce concept repose sur le changement du solvant qui n’est plus l’eau comme pour la définition du pH, mais le milieu ionique.

Enfin, en 2021, le projet européen SapHties, dans le cadre du programme EMPIR a démarré. La portée de ce projet est normative. En effet, en 2013, la Commission Européenne a adopté une stratégie relative à l'adaptation au changement climatique, dans laquelle les organisations européennes de normalisation ont été invitées à contribuer aux efforts européens visant à rendre l'Europe plus résiliente au changement climatique. La stratégie met en évidence le rôle clé des documents normatifs. Ainsi, dans un white paper, la communauté océanographique reconnait que « la collaboration avec des organismes de normalisation, à travers la création de groupes de travail, sera une partie nécessaire de l’effort qui mènera à une meilleure cohérence des résultats de mesure ». Cependant, les documents normatifs permettent d’offrir l’infrastructure d’harmonisation souhaitée par la communauté océanographique à condition que les normes s’appuient sur des spécifications techniques qui tiennent compte des concepts métrologiques.

L’acidification des océans est un phénomène lent, se déroulant sur une échelle temporelle étendue (plusieurs décennies). Compte-tenu des faibles changements à petite échelle mais entraînant un impact fort sur le long terme, l’exigence sur les incertitudes de mesures de pH définie par les experts du réseau mondial d'observation de l'acidification des océans (Global Ocean Acidification Observing Network - GOA-ON) se situent à ± 0.003 pH (k = 1), soit un niveau similaire aux étalons primaires.

En routine, le pHT est mesuré par la méthode spectrophotométrique (optique) qui est détaillée dans la norme ISO 18191 :2015 « Determination of pHT in seawater – Method using the indicator dye m-cresol purple ». Cependant, cette norme n’offre pas de garanties de qualité suffisantes et à la hauteur des enjeux économiques, climatiques, règlementaires et sociétaux. C’est pourquoi, le projet se propose de réviser cette norme par un apport métrologique.

IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS

  • Renforcer les concepts métrologiques utilisés en océanographie
  • Assurer une meilleure comparabilité des données dans le temps et dans l’espace
  • Acquérir des connaissances sur la surveillance des océans
  • Commissions de normalisation concernée : AFNOR T91B & ISO TC 147 WG 67 
  • Réviser la norme ISO NP 18191 « Determination of pH in sea water. Method using the indicator dye m-cresol purple », qui fournira à la communauté océanographique un document adapté à leurs besoins
  • Faciliter l’acquisition de données climatiques plus stables et fiables dont dépendent les modèles climatiques et améliorer la capacité de prévision des futures conditions climatiques
  • Disséminer les données vers la communauté océanographique
  • Aider les autorités à prendre les décisions nécessaires pour lutter contre le dérèglement climatique et par la même occasion, tenir leurs engagements pris lors des accords internationaux tels que l'Accord de Paris de 2015, ou satisfaire les directives européennes

PUBLICATIONS / COMMUNICATIONS

Publications :

Agnes Heering, Daniela Stoica, Filomena Camões, Bárbara Anes, Dániel Nagy, Zsófia Nagyné Szilágyi, Raquel Quendera, Luís Ribeiro, Frank Bastkowski, Rasmus Born, Jaak Nerut, Jaan Saame, Silvie Lainela, Lokman Liv, Emrah Uysal, Matilda Roziková, Martina Vičarová, Alan Snedden, Lisa Deleebeeck, Valentin Radtke, Ingo Krossing, Ivo Leito, Symmetric potentiometric cells for the measurement of unified pH values. Symmetry 2020, 12, 1150

 

Communications :

- “Definition and standards for seawater pH measurements”, D. Stoica, Warnemünde, Allemagne, Janvier 2012, Workshop on Standards for Ocean measurements

- “Fiabilité des mesures dans les milieux à matrices complexes : Les solutions tampon disponibles sur le marché sont-elle adaptées ? “, D. Stoica et al., Paris, France, Juillet 2013, Journées d'Electrochimie JE 2013,

- “pH measurements in seawater: Reducing the limitations of the existing primary standard buffers”, D. Stoica et al., Londres, Grande-Bretagne, Septembre 2013, 16th International Conference on the Properties of Water and Steam

-Multifunction Calibration of H+ Responsive Glass Electrodes in Seawater”, Maria Filomena Camões, Daniela Stoica, Barbara Anes, San Diego, 16-21 février 2020, Ocean Sciences Meeting

PARTENAIRES

PTB (Allemagne)

INRIM (Italie)

IPQ (Portugal)

DFM (Danemark)

MIKES-SYKE (Finlande)

GEOMAR (Allemagne)

IFREMER (France)

Université de Nantes (France)

BFKH (Hongrie)

CMI (République tchèque)

UME (Turquie)