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Theses Year : 2007

Development of a highly sensitive and versatile analytical technique by using laser-induced breakdown spectroscopy: Applications to aerosols and biological materials

Développement d'une technique d'analyse hautement sensible et polyvalente par spectroscopie de plasma induit par laser : applications aux aérosols et aux matériaux biologiques

Nicolas Leone
  • Function : Author

Abstract

The ns-duration pulsed laser-induced breakdown (10e4 K and 10e16 electron.cm-3) spectroscopy (LIBS) is developed for characterizing every chemical or biological sample (gas, homogeneous or heterogeneous surface, and aerosol) in situ, rapidly (~10e-6 s), in a sensitive and reproducible manner, for classification purposes, and even identification. The optically sampled volume is reproducible for the plasmas in gases (~1mm3) and on surfaces (diameter of impact~10e2 µm2). The calibration of the technique is then possible for the multielementary measurement with limits of detection of about 1 ppm, and even 1 ppb, also comprising micron-sized particles. The spectral markers of biological materials (Ca, Mg, Na, K, P, and C) are identified by means of a statistical treatment based on a principal components analysis, which lets to classify the samples according to their nature. We study how the discriminating observables are detected for various bacterial kinds: compressed pellets of bulk freeze-dried bacteria, vegetative growths on Petri dishes with a measured minimal threshold of about 103 Bacillus-typed bacteria, and suspended aerosols. The statistical exploitation of the spectral markers leads to distinguish bacteria both from their nutritive media, and interferon. In the case of direct on flight analysis of aerosolized bacteria, the detection is more complex and random due to the weak elementary available ratios, which necessitates their preliminary concentration. The LIBS technique, that has been calibrated for gases, surfaces and aerosols, is engineered under a transportable, versatile and sensitive tool adapted to numerous applications: biomedical diagnosis, on line monitoring of industrial processes, environmental quality control
La spectroscopie de plasma (10e4 K et 10e16 électron.cm-3) induit par laser pulsé ns (LIBS) est développée pour caractériser tout échantillon chimique ou biologique (gaz, surface homogène ou hétérogène, aérosol), de façon in situ, rapide (~10e-6 s), sensible et reproductible, à des fins de classification, voire d'identification. Le volume échantillonné optiquement est reproductible pour les plasmas dans les gaz (~1 mm3) et sur surfaces (diamètre d'impact~10e2 µm2). Cela permet d'étalonner la technique pour le dosage multiélémentaire à des seuils de l'ordre du ppm, voire du ppb, y compris pour des particules microniques. Les marqueurs spectraux des matériaux biologiques (Ca, Mg, Na, K, P et C) sont identifiés par traitement statistique selon une analyse en composantes principales permettant de classer les échantillons par nature. On vérifie comment les observables discriminantes sont détectés pour diverses formes bactériennes : pastilles compressées de bactéries lyophilisées, cultures végétatives sur boîtes de Pétri à un seuil minimal déterminé d'environ 10e3 bactéries, et aérosols suspendus. L'exploitation statistique des identifiants permet de distinguer les bactéries par rapport à des milieux nutritifs et des leurres. Dans le cas de l'analyse au vol de bactéries aérosolisées, la détection est plus complexe et aléatoire du fait des faibles teneurs élémentaires disponibles, ce qui nécessite leur concentration préalable. La LIBS, calibrée pour les gaz, surfaces et aérosols, est alors transposée en outil transportable, polyvalent et sensible ouvrant de vastes champs applicatifs : diagnostics biomédicaux, suivi en ligne de procédés industriels, contrôle qualité environnementale...
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Dates and versions

pastel-00004873 , version 1 (23-03-2009)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00004873 , version 1

Cite

Nicolas Leone. Development of a highly sensitive and versatile analytical technique by using laser-induced breakdown spectroscopy: Applications to aerosols and biological materials. Chemical Sciences. Chimie ParisTech, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00004873⟩

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