PIERRE PICARD

DESTGN ET ÉTALONNAGE D'UN ~MPACTEUR A CASCADE ET APPLTCATTON A L'ANALYSE

D'AÉROSOLS ORGANTOUES ET TNORGANTOW

Thèse présentée

à la Faculté des études supérieures de l'université Laval

pour I'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)

Département de physique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE

UNIVERSITE LAVAL QUÉBEC

SEPTEMBRE 1997

OPierre Picard, 1997

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L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou auirement reproduits sans son autorisation.

Je dédie ce travail

à mes parents et à

mon épouse Julie.

Résumé

La caractérisation des aérosols générés par des sources naturelies ou anthropiques est un problème

muitidimensio~ei allant de la collecte jusqu'à l'analyse physico-chimique de ces derniers. La

conception d'un wUecteur de particules ayant un diamètre près du micromètre est exposée. Les

étapes menant à sa réalisation sont discutées: approche théorique, design et étalonnage. Un

modèle adapté à la collecte des aérosols biologiques est présenté ainsi que son étalonnage. Une

variété d'applications rendues possibles grâce à l'utilisation de ce coIIecteur sont présentées. La

mesure des rayons X en énergie est appliquée semi-quantitativement à des mélanges d'aérosois

sulfatés générés en laboratoire- Ces mêmes particules recueillies sur des substrats d'aluminium,

de polyester, de polycarbonate et de KBr sont utilisées pour évaluer te potentiel de la technique

de spectroscopie photo-acoustique FTIR La technique FTIR-SPA a été utilisée pour caractériser

des champignons microscopiques. Le cas d'aérosol, prélevé au cours d'interventions chirurgicdes

est présenté.

Remerciements

Le présent travail est le fiuit des encouragements, des conseils et de la confiance que m'ont

manifestés plusieurs personnes. Je me permets ici de les remercier afin de leur témoigner gratitude

et reconnaissance.

Je dois d'abord remercier le Dr. Marcel Bad, mon directeur de recherche, de la confiance

qu'il a mise en moi et de son obligeance.

J'aimerais remercier de façon particulière le Dr. Daniel Michaud, mon CO-directeur de

recherche, qui a su mettre en lumière la majorité des faiblesses des mes travaux par de nombreuses

discussions essentielles a la progression de la thèse.

Je tiens de plus a souligner le travail soigné et les conseils judicieux de Messieurs Gaétan

Pigeon et Laurent Pouliot, machinistes, Roger Guy, technicien en électronique, Guy Plante,

photographe, Jean-Pierre Tremblay, technicien en microscopie, et je leur suis reconnaissant de

l'intérêt qu'ils ont porté à mon projet. De p h , je suis reconnaissant au professeur Normand

Baiaux et à M. Real Paquin pour leurs précieux conseils.

Je désire aussi exprimer mes remerciements au Dr. Éric Poulin et a son équipe, de l'hôpital

du Saint-Sacrement de Québec, pour Ies expérimentations en milieu hospitalier ainsi qu'à la

compagnie Bomem pour le prêt d'équipement.

Enfin, je remercie la direction de la recherche externe de 1'iRSST pour son support

financier et logistique sans lesquels cette thèse n'existerait pas.

Table des matières

. . Résumé .............................................................. ii

... Remerciements ............................................................ iii

.......................................................... Table des matières iv

Listedesfigures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i x

Listedestableaux .......................................................... xv

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i

Introduction ............................................................... 1

Chapitre 1 Conception d'un collecteur d'aérosols polyvalent à dépôt étendu

Introduction ......................................................... 5

Théorie ................................. Principe de fonctionnement général 6

Critèrededesign .................................................... 12

Méthodedecalcul ................................................. 13

....................................... Variation des conditions d'entrée 20

Qualitédudépôt ..................................................... 25

Conclusion ...................................................... 27

Chapitre 2 Étalonnage et caractéristiques de I'irnpacteur SPAL

Introduction ..................................................... 28

Expérimentation ...................................................... Aérosol 29

........................................... Mesures quantitatives 29 .................................... Système ghérateur d'aérosols 31

................................ Section de neutralisation de charge 32 ................................................ Manipulations 38

Résultats et discussion Ddbit ........................................................ 39

............................................ Courbes d'efficacité 40

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Chapitre 3 Mesure de la concentration d'aérosols à l'aide d'un système de comptage automatisé

introduction ...................................................... 49

Matériel et méthode ........................................... Système de comptage 50

................................................ Manipulations 54

................................................ Résultats et discussion 55

Conclusion ..................................................... 60

Chapitre 4 Conception et évaluation d'un impacteur de type SPAL adapté aux bio-aérosols

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Théorie ............................................................ 62

............................................. Modification du coIIecteur 66

Matériel et méthode Étalonnage ............................................... 68 Essais comparatifs ........................................... 70 Échantillonnage en laboratoire .................................... 71 Production de bio-aérosols ....................................... 71

Résultats ........................................................... 72

Discussion ......................................................... 80

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Chapitre 5 Analyse semi-quantitative de particules de sulfates produites en laboratoire à l'aide de la spectroscopie des rayons X par dispersion d'énergie

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Théorie ..................................................... Principes 84

Cas de surfaces planes .......................................... 86 .............................................. Casdesparticules 89

Méthodeutilisée ............................................... 91

Matérieletméthode .................................................. 92

................................................ Résultats et discussion 93

Conclusion ........................................................ 102

Chapitre 6 Analyse de particules de sulfates produites en Iaboratoire au moyen de la spectroscopie photo-acoustique FilR-SPA

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Théorie .............................................. Principedebase 105

................ Méthodes de production d'un signal photo-acoustique 108 Propriétés thermiques des échantilLons ............................ 110

............ Étude en profondeur à I'aide de la fréquence de modulation 111 Étude en profondeur à aide de la phase du signal ................... 112

vii

Expérimentation Matériel .................................................. 114

........................................ Échantillons et analyses 116

Analyse des résultats .......................................... Sulfates de référence 117

............................... Soustraction du spectre du substrat 120 ................................. Variation de la vitesse du miroir 122

Analysedelaphase ........................................... 125 SubstratsdeKBr ............................................ 131

Conclusion ........................................................ 133

Chapitre 7 Analyse exploratoire de cultures de champignons microscopiques par FTIR-SPA

Introduction ....................................................... 135

............................................ Technique d'identification 136

Matérieletméthode ................................................. 138

............................................... Résultats et discussion 139

Conclusion ........................................................ 142

Chapitre 8 Étude préliminaire des particules produites dans les fumées d'un scalpel électrocautériseur utilisé lors de procédures chirurgicales laparascopiques et lors d'expérimentations in vitro

Introduction ....................................................... 143

Matériel et méthode Expériencesinvivo ......................................... 144 Expériencesinvitro ........................................... 147

Résultats ........................................... Expériences in vivo 148

Expériencesinvitro ........................................... 150 Microscope électronique et analyse des rayons X .................... 152

viii

Discussion ..................................................... 153

CrincIusion ..................................................... 258

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Références .............................................................. 163

Annexe A .................. Liste du programme Basic de calcul des diamètres de coupure D5. 178

Annexe B ..................... Fonctionnement du système de contrôle des moteurs pas 2 pas 182

Annexe C ......................... Liste du programme C++ de dénombrement des particules 186

Annexe D ................... Méthode de préparation des milieux de culture micro-biologiques 204

Annexe E Équations utilisées et liste du programme CU de correction des intensités EDXA . . . . . . 205

Liste des figures

Figure 1.0. Organigramme présentant la structure de la thèse. 3

Figure 1.1. Schéma du fonctionnement général d'un impacteur. 7

Figure 1.2. Courbe d'efficacité typique aux impacteurs en fonction de la racine du nombre de Stokes. 9

Figure 1.3. Algorithme du programme de calcul de D,, pour des impacteurs à orifices rectangulaires. 15

Figure 1.4. Photographie d'un étage d'un impacteur. 16

Figure 1.5. Photographie du collecteur SPAL dans son mode de fonctionnnement avec la pompe Gast et le moteur assurant la rotation. 18

Figure 1.6. Schéma d'une vue de coupe d'un étage d'impacteur complet. 19

Figure 1.7a. D,, calculé pour une variation de température (à pression constante) s'échelonnant de -25 à 75°C selon les trois modes d'opération du collecteur (PSC, QTPN et QVOL). 2 1

Figure 1.7b. D5O calculé pour une variation de pression (à température constante) s'échelonnant de 70 à 120 kPa selon les trois modes d'opération du collecteur (PSC, QTPN et QVOL). 22

Figure 1.8. Variation du débit volumétrique, aux conditions ambiantes TPN, en fonction de la pression de sortie pour le modèle de 20 Ilmin. 24

Figure 1.9. Photographie d'un substrat d'aluminium avec des dépôts annulaires pour les étages 5,6 et 7 du collecteur SPAL. 25

Figure 1.10. Densité surfacique de particules de latex de 1.054 pm mesurée à l'aide d'un système optique en fonction de la position radiale pour des substrats couverts et non couverts. 26

Figure 2.1. Schéma du système générateur d'aérosols monodisperses. 32

Figure 2.2a. Relation courant-tension pour une région gazeuse avant l'apparition d'une étincelle (reproduit de Cobine 1958). 34

Figure 2.2b. Caractéristique courant-tension lors d'une décharge électrique dans un gaz (reproduit de Cobine 1958). 3 5

Figure 2.3. Photographie du signal représentant le courant ionique observé à l'oscilloscope. 3 6

Figure 2.4a. Schéma d'une source de très haute tension (TH.) utilisant un relais à pointe humide. 37

Figure 2.4b. Schéma d'une source de très haute tension (THT) utilisant des transistors à effet de champ. 37

Figure 2.5. Courbes d'efficacité caractéristiques pour chacun des étages de I'impacteur à cascade. 40

Figure 2.6. Courbes d'efficacité comparative normalisées. 42

Figure 2.7a. Effet du rebondissement et du réentraînement des particules sur l'efficacité de collecte de l'étage 6 pour des substrats couvert et non couvert. 43

Figure 2.7b. Effet du rebondissement et du réentraînement des particules sur l'efficacité de collecte de l'étage 7 pour des substrats couvert et non couvert. 44

Figure 2.8. Efficacité globale du collecteur relative à un filtre total. 45

Figure 2.9. Courbe d'efficacité de collecte pour le tube d'entrée du collecteur. 46

Figure 3.1. Photographie du système de comptage automatisé. 5 1

Figure 3.2. Photographie de la platine micrométrique à déplacements contrôlés par ordinateur. 57

Figure 3.3. Image numérisée de particules de latex de 1.054 pm de diamètre récoltées sur un substrat d'aluminium. 54

Figure 3.4. Nombre de particules comptées par le système en fonction du nombre réel de particules se retrouvant sur le substrat pour un cadre donné. 56

Figure 3.5. Masse de bleu de méthylène calculée à partir du nombre de particules détectées par le système de comptage en fonction de l'absorption lue au spectrophotomètre pour les solutions produites à partir de ces particules. 57

Figure 3.6. Nombre calculé de particules comptées avec le système automatisé en fonction de l'absorption produite au spectrophotomètre par les solutions produites à l'aide de ces même particules. 58

Figure 3.7. Écart type des régressions linéaires en fonction du diamètre des particules étudiees. 59

Figure 4.1. Vue de coupe d'un réceptacle 2 gélose circulaire et ses dimensions. avec ses dimensions. 67

Figure 4.2. Aspect de la gélose à I'int&ieur du réceptacle à l'état liquide et une fois solidifiée. 68

Figure 4.3. Photographie du système de comptage automatisé. 69

Figure 4.4. Photographie de la platine à déplacements contrôlés par ordinateur sur laquelle on retrouve un réceptacle à gélose. 69

Figure 4.5. Graphique présentant les courbes d'efficacité du collecteur SPAL version originale et les points qui marquent la valeur des efficacités correspondantes pour le modèle biologique. 73

Figure 4.6a. Densité de bactéries totales (UFC/m3) pour quatre échantillonnages effectués avec deux collecteurs de type Andersen et un collecteur SPALBIO. 74

Figure 4.6b. Densité de moisissures totales (UFClm3) pour quatre échantillonnages effectués avec deux collecteurs de type Andersen et un collecteur SPALBIO. 75

Figure 4.7. Évolution temporelle du nombre de colonies de moisissures comptées pour les trois collectes (a, b etc) effectuées à l'intérieur du laboratoire. 78

Figure 4.8. Évolution temporelle du nombre de colonies de moisissures comptées pour deux collectes (a et b) sur des milieux dilués effectuées à l'intérieur du laboratoire. 80

Figure 5.1. Effets de l'énergie incidente, de l'angle d'incidence et du matériel composant la matrice sur le parcours des électrons. Reproduction de Maurice (198 1). 88

Figure 5.2. Schéma de trois différentes possibilités d'interaction électrons-particules. 89

Figure 5.3. Photographie de particules de sulfate de magnésium prise au microscope électronique A balayage.

xii

Figure 5.4. Concentrations massiques relatives des éléments Mg et S déterminées expérimentaiement en fonction du diamètre des particules étudiées. 95

Figure 5.5. Spectre des rayons X en énergie pour des particules de sulfate de magnésium de 0.5 pm et de 10 pm de diamètre.. 96

Figure 5.6a. Spectre des rayons X en énergie pour une particule faite à partir d'un mélange de sulfate de Cr, Co et Fe et spectre d'une particules de sulfate de Co. 97

Figure 5.7. Photographie d'un dépôt successif de particules provenant de trois suIfates distincts (Cr, Co et Fe). 98

Figure 5.8. Spectre des rayons X en énergie pour les particuIes (a) 132 et (b) 133. 99

Figure 5.9. Spectre edes rayons X en énergie pour les particuIes (a) 136 et (b) 137. 99

Figure 5.10. Photographie d'un dépôt successif de particules provenant de trois sulfates distincts (Cu, Co et Mg). 100

Figure 5-11. Spectre edes rayons X en énergie pour les particules (a) 23 1 et (b) 232. 100

Figure 6.0. Schéma présentant les différentes méthodes utilisées lors des anaiyses des particules à l'aide de la technique FTfR-SPA. 104

Figure 6.1. Schéma représentant le processus fondamental de la génération d'un signai photo-acoustique. 106

Figure 6.2. Variation de la phase et de l'amplitude de l'absorption en fonction des propriétés py . 108

Figure 6.3. Diagramme vectoriel représentant les signaux PA selon I'angle de phase provenant de la détection synchrone. 113

Figure 6.4. Schéma du montage de mesure photo-acoustique, 115

Figure 6.5. Photographie de la cellule photo-acoustique, du hacheur de faisceau et du boîtier. 115

Figure 6.6. Spectres des quatres sulfates de référence Fe, Ni, Cu, et Zn. 117

Figure 6.7. Spectre du mélange de référence et courbe calculée à l'aide de la loi de Beers-Lambert et des proportions atomique des quatres sulfates composant le mélange. 1 18

Figure 6.8. Résultat de la soustraction d'un spectre Fl7R-SPA de polycarbonate avec dépôt d'aérosols de sulfates et d'un spectre de polycarbonate vierge. En pointillé, le spectre de référence du mélange des sulfates. 121

Figure 6.9. Soustraction de spectres FTIR-SPA avec et sans sulfates sur des substrats d'aluminium et spectre de référence pour le mélange de sulfates utilisé. 122

Figure 6.10. Spectre en continu FTIR-SPA d'un mélange de sulfates sur un substrat de polycarbonate pour des vitesses de miroir d'interféromètre de 1.0 et 0.5 c d s . 123

Figure 6.11. Spectre d'un dépôt d'aérosols générés par un moteur diesel sur un substrat d'aluminium à une vitesse de miroir d'interféromètre de 1 .O cm/s. 124

Figure 6.12. Spectre FTIR en transmission de particules de diesel récoltées sur une pastiIle de Kbr à l'aide d'un impacteur reproduit de KelIner et Malissa (1989). 125

Figure 6.13. Spectres FTIR-SPA de l'échantillon de carbone noir pour le système de mesure avec et sans hacheur de faisceau. 126

Figure 6.14. Spectre FTIR-SPA recueilli avec détection synchrone à +45 degrés par rapport à la phase instrumentale pour des aérosols de sulfates récoltés sur du polycarbonate et spectre de référence du polycarbonate. 127

Figure 6.15. Spectres FTIR-SPA d'un film de polymère à la surface d'un substrat de polycarbonate reproduit de Jones et McClelland (1996). L'effet de la variation de la phase sur l'amplitude du signal est présenté en (a) et I'identification de la provenance des pics selon la phase associée est présentée en (b). 128

Figure 6.16. Spectre FTIR-SPA de la surface récolté à une phase de -45 degrés par rapport à la phase initiaie et le spectre de référence du sulfate de cuivre. 130

Figure 6.17. Spectre --SPA avec detection synchrone d'aérosols de diesel récoltés sur un substrat d'aluminium. 131

Figure 6.18. Spectres FTIR-SPA du sulfate de nickel pour des fragments sur des pastilles de KBr et pour de la poudre compressée ou non. 132

Figure 7.1. Spectre d'un milieu de culture SDA vierge ainsi que le spectre d'une colonie de champignons F. Oxysporum. 140

Figure 7.2. Spectres de deux champignons de la famille Aspergillus. 141

xiv

Figure 8.1. Photographie du matériel utilisé pour récupérer les fumées produites lors des interventions laparascopiques. 145

Figure 8.2. Photographie de particules de composition saline de diamètre inférieur à 2 pm prise au microscope électronique à balayage. 149

Figure 8.3. Photographie d'une particule composée principalement de carbone et d'oxygène de la taille d'une cellule humaine. 150

Figure 8.4. Transmission du système tubeltrocart en fonction du diamètre des particules. 15 1

Figure 8.5. Spectre des rayons X pour une particule de 20 y m présentée à la figure 8.3. 152

Figure 8.6. Spectre des rayons X pour une particule de 2 pm composée de sels. 152

Liste des tableaux

Tableau 1.1 Caractéristiques techniques du collecteur SPAL. 1

Tableau 2.1. Comparaison des diamktres de coupure expérimentaux et théoriques. 4

Tableau 4.1. Résultats de la comparaison SPAUAndersen pour le nombre de micro-organismes survivants relatifs pour 8 échantillonnages en milieu hautement contaminé. 7

Tableau 4.2. Nombre d'unités formant des colonies pour les échantillonnages effectués à I'intérieur du laboratoire. 7'

Tableau 4.3. Mesure des profondeurs de rétraction du milieu de culture après des échantillonnages de longue durée. 7l

Tableau 7.1. Position des pics relatifs aux espèces. 13'

Tableau 8.1. Distributions massiques des particules collectées durant les procédures chimrgicales. 14'

Tableau 8.2. Distributions massiques des particules collectées durant les expérimentations ei laboratoire. 15

Sommaire

La caractérisation des aérosols, organiques ou inorganiques, générés par des sources

naturelles ou anthropiques est un problème multidimensiomel qui couvre un champ d'étude allant

de la collecte de poussières jusqu'à l'analyse physico-chimique de celles-ci. Pour caractériser

efficacement les aérosols, il faut être en mesure de connaître les particularités des aérosols soit leur

granulométrie, leur morphologie et leur composition.

La conception d'un collecteur de particules ayant un diamètre près du micromètre est

exposée. Les caractéristiques recherchées pour cet appareil sont la qualité du dépôt de particules

produit, de façon à rencontrer les exigences des techniques d'analyses, et la polyvalence, autant

lors des manipulations que pour les multiples environnements à échantillonner. Les étapes menant

à la réalisation sont discutées: approche théorique, design et étalonnage. Un modèle adapté à la

collecte des aérosols biologiques ainsi que son étalonnage à l'aide d'un système d'acquisition

d'image sont présentés. Les appareils fabriqués ont donné des résultats conformes aux valeurs

théoriques.

La mesure semiquantitative des rayons X en énergie est appliquée a des aérosols sulfatés

générés en laboratoire. Les résultats obtenus concordent avec la théorie. Ces mêmes particules

recueillies sur des substrats conventionnels (dans notre laboratoire) d'aluminium, de polyester et

de polycarbonate sont utilisées pour évaluer le potentiel de la technique de spectroscopie photo-

acoustique FTIR. D'autres analyses sur des substrats de KBr ont été effectuées. Les substrats

conventionnels n'ont pas permis d'obtenir des spectres de qualité. À l'opposé, les substrats de

KBr ont donné de meilleurs résultats et ils sont donc recommandés pour cette application.

La technique FïIR-PAS a été utilisée pour caractériser des champignons microscopiques

développés en colonies. Cette étude exploratoire avait pour but d'évaluer le potentiel de la

technique pour l'identification des bioaérosols: les résultats sont prometteurs.

Une étude in-vivo d'aérosols produits par des scalpels électrocauténseurs, analysés par

microscopie électronique et analyse des rayons X par dispersion d'énergie est présentée. Les

aérosols ont été recueillis à l'intérieur de fa cavité abdominale des patients au cours de cinq

interventions chirurgicales laparascopiques et l'étude conclut qu'il y a des fragments cellulaires

de grande taille qui demeurent à l'intérieur de la cavité abdominale des patients.

De nombreux cas de maladies des voies respiratoires sont diagnostiqués chaque année

chez les travailleurs exposés aux poussihes industrielles. De plus, des d6gâts environnementaux

importants causés par les poussières rejetées par les industries sont rapportés tous les ans. Pour

être en mesure d'apporter efficacement les correctifs nécessaires, il faut conndtre les

caractéristiques physico-chimiques des agents polluants. Les aérosols, organiques ou

inorganiques, générés par des sources naturelles ou anthropiques représentent un problème

multidimensionnel qui couvre un champ d'étude allant de la collecte de poussières jusqu'à

l'analyse physico-chimique de celles-ci. Pour caractériser efficacement les aérosols, il faut être

en mesure de connaître leurs particularités, en particulier ta granulométrie, la morphologie et Ia

composition chimique.

Pour situer les recherches effectuées au niveau des aérosols, regardons Le domaine global

couvert par ce champ d'études. On distingue deux milieux principaux, d'abord le domaine local

qui se compose des lieux de travaiI, de la maison et de tous Ies endroits possédant des conditions

locales bien particulières dans un espace circonscrit. L'autre domaine est le milieu

environnemental qui couvre tous les aspects de rejet des villes, des cheminées d'usines, des

véhicules, des sources naturelles, des précipitations acides, du transport à longue distance, etc.

Pour chacun de ces domaines, on retrouve, d'un côté, la technique qui regroupe tous Ies moyens

pratiques employés pour effectuer les recherches et, de l'autre, l'étude globale des facteurs

émanant des résultats des andyses. La partie technique se subdivise en deux champs distincts.

II y a d'abord la collecte des aérosols qui peut s'effectuer avec différents appareils. II y a Les filtres

de différents types couvrant des porosités allant de 0.015 prn jusqu'à quelques dizaines de

micromètres, Ies impacteurs à cascade qui peuvent capter les poussières dont les dimensions vont

d'une fraction de micromètre jusqu'à une dizaine de micromètres, les centrifugeurs qui captent des

diamètres de 0.1 micromètre et plus, les précipitateurs thermiques et, enfin, les sélecteurs

électrostatiques qui o@rent entre 0.01 et 0.3 micromètre. L'application de chacune de ces

techniques présuppose une étude spécifique des pararnhes déterminant la colIecte des particules

et peut représenter une avenue de recherche à elle seule. L'autre domaine de la technique

s'intéresse à l'analyse physico-chimique des aérosols. Le nombre de méthodes employées est

imposant. Les méthodes dites "physiques" ont l'avantage de préserver l'intégrité des poussières

durant l'analyse. Voici [es plus courantes: la microscopie optique, la microscopie électronique,

l'analyse des rayons X et la spectrométrie de masse. A ces méthodes, il faut ajouter tout l'arsenal

de la chimie analytique. Ces techniques nécessitent la dissolution des poussières pour réaliser les

analyses. Voici quelques procédés les plus courants: absorption atomique, chromatographie

ionique, spectrophotométrie, etc. Toutes ces méthodes produisent des résuItats qui sont la base

des études des phénomènes macr~scopiques. Par exemple, les relations de causalité entre

certaines maladies et le milieu de travail peuvent être confirmées ou infirmées seton le cas. Les

effets produits sur Ies humains par les différents composés tracent une autre voix de recherche.

On pourrait énumerer ainsi une foule d'autres sujets impliquant l'étude des aérosols. Le lecteur

aura l'occasion d'en apprécier queIque uns à partir des applications du coIIecteur que nous avons

développé.

Depuis quelques années déjà, l'équipe du Dr. Baril travaille à mettre en place un groupe

de techniques portant sur l'analyse des particules aéroportées au laboratoire de physique atomique

et moléculaire GPAM) de l'université Laval. La nature même des aérosols implique la

multidisciplinarité car pour caractériser les particules, il faut échantillonner, analyser, traiter les

données, etc.

L'étape incontournable de l'étude des aérosols demeure I'échantilIonnage qui est

déterminant car toutes les analyses et autres traitements seront fonction du substrat utilisé, de la

qualité du dépôt, de la quantité de matériel, etc. Pour satisfaire aux besoins multiples des études

du laboratoire, nous avons été amené à construire nos propres co1Iecteurs. Ces appareils

3

représentent le coeur de ce travail. L'organigramme de la figure 1 .O présente la structure de la

thèse. Celle-ci est regroupée sous le vocable du design et de l'utilisation d'un collecteur inertiel.

L'étendue de l'étude est large car elle est à l'image de l'analyse globale des aérosols, i.e.

rnultidisciplinaire, couvrant I'échantilIonnage jusqu'à l'analyse physico-chimique. On peut

donner le qualificatif "horizontale" à cette recherche car elle touche toutes les parties par

opposition à l'étude d'une partie spécifique en profondeur que l'on qualifierait de "verticale".

Les deux premiers chapitres portent sur le design et l'étalonnage du collecteur. Ils sont

Étude des aérosols 4 I

1

Chapitre 8 ! ! Anaiyses I I Fumtcs chirirgicafcg

SystCme dc comptaga

/ chapitre 6 Chapiirc 7 FTIR-SPA FïiR-SPA

4 1 p Charapignou i i c r o ~ p i q t t e ~

Figure 1.0. Organigramme présentant la structure de la thèse.

la pierre angulaire de l'étude car la connaissance de l'efficacité de l'appareil à tous les niveaux

augmentera la qualité des analyses. Le chapitre 3 présente un outil analytique développé à la fois

pour l'étalonnage proprement dit (chapitre 2) et pour une utilisation combinée avec la version du

collecteur permettant la récolte de bio-aérosols présentée au chapitre 4. Les chapitres 5 et 6

portent sur l'évaluation de I'appIicabilité de deux techniques d'analyse à l'étude des aérosols

D'abord, l'analyse des rayons X par dispersion d'énergie dans le but de quantifier les élément:

constitutifs des particules de sulfates fabriquées en laboratoire, puis, la spectroscopie photo

acoustique FTlR appliquée à ces mêmes sulfates sur différents types de substrats. De plus, 1;

spectroscopie photo-acoustique FTIR a été utilisée pour caractériser des champignon:

microscopiques récoltés par le collecteur de bio-aérosols (chapitre 7). La thèse se termine par 1;

présentation d'une étude dite globale allant de l'échantillonnage à l'analyse et à l'interprétation

L'objectif éminemment médical de cette étude était de vérifier s'il y a des produits dangereu]

dans les fumées produites par les scalpels électrocautériseurs lors d'interventions chirurgicale:

laparascopiques; de notre point de vue d'ingénieur, l'objectif était de s'assurer que les moyen:

mis en oeuvre pour répondre à la question soient techniquement adéquats.

CHAPITRE 1

Conceation d'un collecteur d'aérosols polvvalent à d é ~ ô t étendu '

INTRODUCTION

La possibilité de capturer des aérosols selon Ieurs dimensions a une grande importance

dans le domaine de l'analyse de la qualité de l'air. Les impacteurs en cascade ont été utilisés à

maintes reprises depuis l'étude originale produite par May (1945). Les performances de ce type

de collecteur peuvent être déterminées avec une bonne exactitude si les conditions de design

respectent les critères qui ont été déterminés expérimentdement (Marple et Willeke, 1976). il

existe plusieurs versions d'impacteurs disponibles commercialement: SierraIMarple (Marple et

McCormack, 1983)' Batelle (Hering, 1989), MOUDI (Marple et al., 199 l), AERAS (Klaus et

Berner, 1985) pour en mentionner quelques uns. Chaque modèle possède ses propres

caractéristiques comme le débit, le nombre d'étages, les diamètres de coupure, etc. Le domaine

d'application de ces appareils est limité soit par la qualité du dépôt de particules, soit par leur

design mécanique. L'utilisateur doit déterminer quel impacteur correspond le mieux à une

situation donnée.

l Ce chapitre a fait l'objet d'une pubIication soumise à I. Aerosot Sci. intitulée: "Design of a versatile uniform deposit impactor-type aerosoI collecter." par P. Picard, D. Michaud et M. Baril.

Dans certains cas, il n'y a pas de réponse parfaite à la question: quel impacteur peut

donner un dépôt représentatif et analysable pour un type donné d'aérosol. Dans notre laboratoire,

la construction d'un nouvel impacteur a été initié par le besoin d'un dépôt qui puisse être analysé

par plusieurs méthodes. De plus, la diversité des champs de recherches dans lesqueIs nous avons

à utiliser un impacteur implique que le collecteur puisse s'adapter aux conditions

d'expérimentation. En particulier, l'aspect fonctionnel et la propriété de conserver des diamètres

de coupure constants vis-à-vis des conditions d'entrée (température et pression) doivent être pris

en considération.

Ce chapitre contient une revue de la théorie associée à la détermination des diamètres de

coupure pour un irnpacteur pouvant être opéré à partir de la pression ambiante jusqu'à basse

pression. Un impacteur à cascade de sept étages, désigné SPAL (Séparateur de Particules

Aéroportées Laval) a été conçu et machiné. Nous présentons Les critères de design qui ont

déterminé les caract&ktiques physiques de l'instrument, Ces considérations sont suivies par la

méthode de caIcuk informatisée. Par la suite, nous décrivons les caractéristiques physiques du

collecteur. Nous concluons Ie chapitre avec une discussion théorique de I'évolution de la

séparation granulométrique suite à une variation des conditions de l'air à l'entrée du collecteur.

L'étalonnage du coilecteur et autres considérations quantitatives sont discutés au chapitre 2.

Principe de fonctionnement général. Un impacteur à cascade est un appareil utilisé pour

séparer les particules de poussières aéroportées selon leur comportement aérodynamique.

L'inertie, la forme et la densité des particules déterminent la dynamique de I'impaction des

particules. En pratique, on pousse un aérosol à travers une série de jets de pIus en plus rapides.

Chacun des jets est suivi par une surface collectrice placée perpendiculairement à l'écoulement.

L'ensemble formé d'un jet et d'une plaque réceptrice est nommé étage. Notons ici que les jets

peuvent être de fome circulaire ou rectangulaire. De façon générale, l'aérosol traverse le premier

jet, contourne le porte-substrat en y laissant quelques particules dont l'inertie est suffisante pou1

y choir et s'engage dans le second jet (figure 1.1). La vitesse à la sortie des jets est de plus en plue

grande, ce qui permet la récolte de particules ayant des diamètres de plus en plus petits. On varie

la vitesse en réduisant la section des orifices tout en conservant un débit constant. Lorsque

l'aérosol a traversé tous les étages, il termine la plupart du temps sa course à travers un filtre qui

récupère la majorité des particules non collectées.

Figure 1.1. Schéma du fonctionnement général d'un impacteur.

Si on veut connaître les conditions qui produisent l'impaction d'une gamme de particules, il faul

étudier le comportement de la force d'entraînement aérodynamique (souvent appelée "drag" dans

la littérature anglaise). Nous utilisons comme modèle la force qui s'applique sur une sphère

parfaite de densité unitaire (lg/cm3) dans un fluide en mouvement.

Pour étudier la force d'entraînement aérodynamique, nous nous appuyons sur le:

fondements de la dynamique des fluides appliquée aux jets. On utilisera une généralisation des

raisonnements de Reynolds sur la similitude entre des canalisations cylindriques. LE

regroupement des étapes réalisées par Reynolds dans ses recherches sur la similitude a conduii

à une méthode de résolution, d'un emploi très fréquent en mécanique des fluides, étendue depuis

à de nombreuses autres branches de la technique, et qui a reçu le nom général d'analys,

dimensionnelle. A la base figure le concept d'homogénéité, à savoir que l'expression mathématiqu,

d'une loi physique doit nécessairement être indépendante du système d'unités choisi pour l'écrire

Tous les termes qui s'additionnent doivent avoir une même dimension. Si I'on peut exprimer san

ambiguïté tous les paramètres influant sur le phénomène dont la loi est recherchée, on peut i'écrir(

sous forme algébrique avec des termes dont la puissance reste à déterminer. En écrivant le

conditions d'homogénéité, on obtient un certain nombre de relations imposées entre ce

puissances. Dans certains cas particuliers, le nombre d'inconnues correspond au nombri

d'équations et l'on peut résoudre sans ambigiité la loi recherchée. Le plus souvent, le nombri

d'équations est insuffisant et il subsiste une indétermination. Pour la lever, on utilise I'expérienci

pour découvrir le ou les parametre(s) manquant(s). Pour l'interprétation des expériences on doi

se placer dans des conditions de similitude mécanique analogues à celles utilisées par Reynolds

Ces conditions de similitude permettent la comparaison entre deux montages possédant le mêmi

comportement dynamique avec des dimensions différentes mais dans un rapport constant. Cec

revient a dire que nous devrons chercher à ne laisser subsister dans l'écriture finale de la loi qui

des nombres sans dimension.

La caractéristique la plus importante d'un étage d'impaction est l'efficacité de collecte el

fonction du diamètre aérodynamique équivalent, D,, d'une particde. Ce paramètre D, es

essentiel pour décrire des aérosols divers (composés de différents matériaux, de densité et di

formes diverses) par référence à un même comportement aérodynamique, en l'occurrence celu

d'une sphère parfaite de densité unitaire et ayant précisément un diamètre D,. Un autre paramètre

utile est le nombre de Stokes qui est le rapport entre la largeur de l'orifice et Ia distance d'amê

(distance nécessaire pour stopper une particule de diamètre donné dans l'écoulement). La relatior

entre l'efficacité de collecte et le nombre de Stokes a été déterminée expérimentalement et es

décrite par plusieurs auteurs (Marple et Willeke, 1976; Lodge, 1986) pour plusieurs vaieurs dt

nombre de Reynolds et des rapports des dimensions physiques comme S N et T/W (oii S est 1;

distance du jet à la plaque, W est la largeur du jet ou le diamètre selon le cas et T est Ia longueui

du jet i.e. de la canalisation).

Figure 1.2. Courbe d'efficacité typique aux impacteurs en fonction de la racine du nombre de Stokes.

L'impacteur idéal posséderait une courbe d'efficacité parfaitement verticale, Le. que toutes

les particules de diamètre aérodynamique équivalent supérieur au diamètre de coupure serait

collectées sur le substrat pendant que les particules plus petites suivraient l'écoulement d'air. Dans

un impacteur réel, la fraction des particules passant à travers l'orifice et qui sont effectivement

récoltées sur la plaque d'irnpaction diverge du cas idéal tel que montré sur la figure 1.2. La

coupure d'un étage est habituellement définie par le diamètre d'une particule, D,,, correspondant

à un nombre de Stokes pour lequel l'efficacité est de 50 pourcent. La valeur du nombre de Stokes

utilisée pour des orifices rectangulaires est de 0.59 (Marple et Willeke, 1976) et les rapports S N

et T/W ont une valeur optimale respective de 1.5 et 1 .O.

La relation entre le diamètre et le nombre de Stokes, Stk, est donnée par:

où p, est la densité de la particule, Cc le facteur de correction de Cunningham, d, le diamètre dç

la particule (toujours en fonction de diamètre aérodynamique équivalent), U la vitesse moyenne

de l'air à la sortie de l'orifice, q la viscosité de I'air et W le diamètre ou la largeur de l'orifice

D'un point de vue pratique, le nombre de Stokes exprime le rapport entre les forces visqueuses

et les forces d'entraînement aérodynamique. Le D5,, peut être trouvé, si la valeur de St4, esi

connue, par la relation:

Notez que le facteur de correction de Cunningham est significatif lorsque le libre parcours moyer;

(A) des molécules de I'air devient comparable au diamètre des particules; ii est évalué comme suil

(Marple et WiIleke, 1976):

Le facteur de correction Cc rend compte de la diminution de la force d'entraînemeni

aérodynamique sur une particule lorsque la pression diminue.

Pour classer les aérosols dont le diamètre est inférieur au micromètre, il est utile d'obtenii

des chutes de pression importantes entre les étages en question (de façon à produire des vitesse;

d'6couIement d'air élevées à travers les orifices) même si l'écoulement devient compressible.

Cette éventualité se produit lorsque le rapport entre les pressions d'arrêt de deux étages successifs

chute sous 0.95 (Biswas et Fiagan, 1984). La pression d'arrêt est la pression du gaz au repos, i.e.

lorsque sa vitesse est nulle. Mentionnons ici qu'un autre type de collecteur peut être employé

pour atteindre des diamètres de coupure inférieurs au micromètre, c'est I'impacteur à micro-

orifices (Hering et Marple, 1986). Pour notre cas, la théorie du coefficient de décharge associé

àun écoulement compressible, développée par Biswas et Flagan (1984)' peut être appliquée. La

source majeure de variation pour le coefficient de décharge, CD, provient de la dissipation

visqueuse dans Ia course de l'orifice. Il représente le rapport entre le débit massique réel qui

s'établi et le débit massique calculé selon les équations isentropiques. Les dimensions physiques

et les caractéristiques de l'écoulement sont particulières à chacun des orifices, donc CD est

fonction de W/T, le rapport entre la largeur et la course de l'orifice, et de Re, le nombre de

Reynolds. Physiquement, le nombre de Reynolds représente le rapport entre les forces

dynamiques du débit massique et les forces transverses transmises par la viscosité du fluide. Re

pour une fente rectangulaire est exprimé comme suit:

où p, est la densité du gaz. Le nombre de Reynolds est évalué avec les conditions du fluide à Ia

sortie du jet. Le coefficient de décharge correspondant à ces conditions sera donc(Biswas et

Flagan, 1984):

Re W W C, =0.3l0(-)~-~~~ pour 35<(-)Re<1000 T T

W CD=0.930 pour (-)Re>1000 T

Les calculs pour plusieurs impacteurs placés en cascade doivent être effectués séquentiellement,

du premier au dernier étage, parce que les conditions de l'air à Ia sortie du jet d'un étage

d'impaction deviennent les conditions d'entrée du suivant.

CRITÈRES DE DESIGN

La performance globale du collecteur à usiner sera influencée par la sélection des

paramètres physiques (dimensions, granulométrie ...). La plus importante caractéristique que

nous souhaitions obtenir est l'uniformité du dépôt sur le substrat ce qui devait permettre

l'utilisation de multiples techniques d'analyses (sondes à ions, électrons ou photons). Nous

avions déjà un collecteur d'aérosolsmis au point dans notre laboratoire (Michaud, 1990) mais Ie

dépôt sous forme d'amas concentrés en limitait la polyvdence à ce chapitre. Pour atteindre ce

but, on a choisi un orifice rectangulaire (iongueur L, largeur W), placé radialement au dessus de

pIaques rotatives. Le nombre d'étages est de 7 et ils ont tous la même géométrie. Les dimensions

choisies correspondent à des diamètres de coupure nominaux distribués entre 10 et 0.1 Pm.

À l'entrée de l'appareil, le bec qui capte l'air ambiant doit rencontrer le critère de BeIyaev

et Levin (1974)' lequel spécifie que, pour une entrée à bec tranchant, (a) le rapport entre les

diamètres extérieur et intérieur doit être .s 1.1 sinon (b) le rapport entre l'épaisseur du mur et le

diamètre interne doit être ~ 0 . 5 et l'angle d'attaque doit être s 15". Pour notre cas, le bec d'entrée

rencontre la première condition, i.e. le rapport des diamètres extérieur et intérieur est de 1 .O5 et

l'angle d'attaque est de IO0. L'efficacité totale, Es, de l'entrée est (Hangal et Willeke, 1990):

Es =EPA (3 où E, est l'efficacité d'aspiration (Le. le rapport entre Ia concentration des particules vis à vis

l'entrée et la concentration de particules dans l'environnement non perturbé), Er est l'efficacité

d'entrée (Le. le rapport entre la concentration particulaire qui passe dans l'entrée et la

concentration juste avant l'entrëe), et Et est l'efficacité de transmission (i-e. le rapport entre la

concentration au début de l'entrée et la concentration à la sortie). Puisque le critère de Belyaev

et Levin est rencontré, ici, l'efficacité d'entrée peut être fixée à E,=l. Pour ce qui est de E, et Et,

ils varieront avec les conditions exp6rimentaies et détermineront l'efficacité globale. Le résultat

peut être calculé à partir d'une méthode développée par Hangal et Willeke (1990) pour différents

angles d'écoulement, rapports de vitesses de vent (écoulement dans I'entréelécou~ement d'air

externe) et vaieurs du nombre de Stokes.

13

Un autre aspect du design à considérer est le débit, Idéalement, le débit de collecte devrai!

être accordé à chaque situation d'échantillonnage compte tenu de la concentration de particules

aéroportées attendue. Le plus souvent, cependant, on ne peut contrôler que la durée de collecte,

ce qui peut s'avérer insuffisant parfois. La conception modulaire adoptée ici, jumelb à

l'utilisation d'orifices rectangulaires, permet d'opérer le collecteur à deux débits nominaux

(10 I h i n et 20 Ymin) en changeant simplement les plaques contenant les orifices par un autre

ensemble possédant un nombre deux fois plus élevé d'orifices. Les diamètres de coupures

demeurent identiques. La regdation du débit massique est assurée par l'utilisation du dernier

étage comme orifice critique (Zimmerman et Reist, 1984). La pression de sortie a été fixée

nominalement à une demi-atmosphère.

MÉTHODE DE CALCUL

Le calcul des Dm pour les 7 étages d'irnpaction suit un processus itératif de façon à

évaluer adéquatement les conditions d'entrée de l'air modifiées par I'impacteur de l'étage

précédent. De plus, l'utilisation d'un orifice critique combinée à de hautes vitesses dans Ies jets,

impose Ia vérification de la condition de l'écoulement (à savoir s'il est bloqué). La procédure

utilisée pour déterminer les diamètres de coupure de l'appareil est résumée comme suit:

1. Noter les conditions initiales de l'air à l'entrée du collecteur, les caractéristiques physiques

des orifices et estimer un débit Q,.

2. CaIculer pour les six premiers étages:

Tant que la variation du nombre de Mach entre deux itérations > 0.01%:

a- Aire du jet, A = L x W avec les dimensions physiques de la fente.

b- Aire critique pour les conditions de l'air (température et pression) et du débit

massique avec (Potter et Wiggert, 199 1):

où A, est I'aire critique (surface minimale permettant le passage du débit massique),

Q, est le débit massique, Po et To sont respectivement Ia pression et la température

d'arrêt (à vitesse nulle).

c- A partir des équations isentropiques (Potter et Wiggert, 1991)' caiculer irétativement

le nombre de Mach corrigé par CD:

où A est l'aire du jet, M est le nombre de Mach et CD est le coefficient de décharge.

(CD = l pour la première itération parce que Re n'est calculé qu'après M).

d- Les conditions de I'air à la sortie du jet avec:

ou p est la densité de l'air et p est la viscosité cinématique de l'air. L'indice 1

représente la valeur de l'itération précédente.

e- Vérification que A.J(ACD) < 1; dans la néçative, l'écoulement est bloqué: le débit

massique est trop grand et les calculs doivent être repris avec un débit plus faible.

3, CalcuIer D,,, tant que les variations entre deux itérations >0.1%, avec les équations 2 et 3 (

la première itération C,=I).

4. Pour Ie dernier étage, la pression de sortie est imposée et la condition à atteindre est que &=l

Si l'aire critique calculée est plus petite que la surface actuelle du jet, le débit n'est pas bloqué 1

la régulation ne peut être atteinte. Inversement, si &>A dors le débit est trop élevé et les cdcu

ne sont plus valides (en pratique, nous acceptons AJA entre 0.99 et 1.01).

Dans le but de calculer les diamètres de coupure pour un collecteur en entier, u

programme fut mis au point pour des orifices rectangulaires (facilement modifiable pour de

orifices circulaires). L'algorithme de calcul est montré à la figure 1.3. Comme données d

L J

I AM<O.Oi#

1 DM. c c

AD, c0.f SC I

1 C o n d h n ~ sa&=

Condbnc d'rntrh

Figure 1.3. Algorithme du programme de calcul de D,, pour des impacteurs à orifices rectangulaires.

départ, les dimensions physiques des jets, le débit approximatif et Ies conditions atmosphériques

à l'entrée sont nécessaires, Ce programme (présenté à l'annexe A) peut être utilisé dans plusieurs

modes pour calculer les variations du D,, en fonction & différents paramètres. Les modes sont:

A température constante, à pression constante, à débit constant ou une combinaison des trois. Le

programme donne une condition d'erreur lorsque le débit du dernier étage n'est pas bloqué. Deux

cas peuvent mener à cette situation: le débit initial a été choisi trop bas ou un des six étages

précédents est bloqué à un de'bit plus faible que le dernier étage. L'utilisateur doit redémarrer le

processus en augmentant le deoit dans Ie premier cas ou il doit augmenter les dimensions de

l'orifice de l'étage bloqué dans le second cas.

CARACTÉRTSTIQUES PHYSIQUES

La figure 1.4 montre une photographie d'un étage d'impaction où la plaque perforée, les

anneaux d'espacement et le support rotatif sont représentés. La rotation est assurée par un moteur

électrique placé à l'extérieur et muni d'une courroie de transmission. Le mouvement extérieur

est transmis à l'intérieur du collecteur par deux séries d'aimants (internes et externes) de façon

similaire au collecteur AERAS (KIaus et Berner, 1985).

Figure 1.4. Étage d'un impacteur. A- Étage assemblé. B- Plateau rotatif. C- Anneau d'espacement de la plaque perforée. D- Anneau d'espacement de la plaque supérieure. E- Plaque perforée.

Le programme de caIcul d'impacteur a été utilisé pour notre design et les résultats pour

le collecteur SPAL sont montrés au tableau 1.1. La valeur nominale du débit est de 10 Ilmin ei

la pression de sortie est régulée à 0.5 atmosphère en utilisant une valve mécanique à pression

constante. Le nombre de ReynoIds excède la valeur limite de 3000 pour les deux derniers étages

par suite de la grande chute de pression qui augmente sensiblement la vitesse de l'air à la sortie

du jet. Cette vitesse est effectivement très grande pour I'étage sept; ceci peut causer des

perturbations pour la qudité du dépôt et pour l'efficacité de collecte, plus particulièrement pou1

des substrats non couverts. Le chapitre 2 portant sur l'étalonnage du SPAL montrera les effet:

de ces caractéristiques. Les rapports des dimensions physiques S/W et T/W respectent le critère

optimum aussi longtemps que la distance entre le jet et le support rotatif peut être maintenue

supérieure à 1 mm (seul SM du dernier étage déroge). Sous cette limite, le substrat peut toucher

la plaque perforée, modifiant sévèrement le mode d'opération de I'instmment.

Tableau 1.1. Caractéristiques techniques du collecteur SPAL

Étage nombre de L x W S T Vitesse Re Dm

- ~ - ~

L = longueur, W = largeur de la fente, S = distance du jet à la plaque, T = longueur du jet

"Note: pour le modèle de 20 I/min il faut multiptier par 2 le nombre de fentes.

La figure 1.5 montre le collecteur SPAL en mode de fonctionnement. L'instrument de

sept étages d'impaction pèse 3.3 kg (il faut ajouter 0.5 kg pour la base et le moteur) et il mesure

Figure 1.5. Photographie du collecteur SPAL dans son mode de fonctionnnement avec la pompe Gast et le moteur assurant la rotation.

26 cm de hauteur pour un diamètre de 11 cm. Le débit d'air est assuré par une pompe à pales

rotatives sans huile (Gast modèle 0523). Tous les étages sont construits de la même façon. La

figure 1.6 est le schéma d'une vue en coupe d'un étage complet avec une partie du précédent.

Nous pouvons voir en (1) le disque perforé; en (2) l'anneau d'espacement avec les tiges

d'alignement (5) et le support à roulement à billes (4) de l'étage supérieur. En (3)' nous voyons

le plateau porte-substrat; un anneau de rétention, utilisé pour retenir les substrats déposés sur le

plateau, est absent afin d'alléger la figure. Le parcours de l'air débute au centre de l'étage

précédent, il s'engage ensuite à travers l'orifice et tourne brusquement à sa sortie pour retourner

au centre du plateau afin de poursuivre à I'étage suivant. Durant une session d'échantillonnage,

le design modulaire permet un montage et un démontage rapides (moins de 5 minutes) Iorsqu'il

n'y a pas de nettoyage en profondeur à effectuer entre les différentes collectes.

Le bec d'entrée est un tube (5 cm de long x 1.3 cm DI) qui agit comme un impacteur en

soi avec un diamètre de coupure de 38 pin et 28 pm pour, respectivement, des débits nominaux

1 écoulement d'air

écoulement d'air

aimant rouleme billes

- 5

Figure 1.6. Schéma d'une vue de coupe d'un étage d'impacteur complet. 1- Plaque perforée. 2- Anneau d'espacement. 3- Plateau porte-substrat. 4- Support à roulement. 5- Tige d'alignement- 6- Roulement à bille. 7- Aimant

de 10 Ymin et 20 Ymin. Les cdculs effectués pour obtenir ces coupures sont basés sur la théorie

de l'impaction présentée par Hering (1989). LES critères pour le nombre de Reynolds et pour les

rapports des dimensions physiques pour cet étage de pré-impaction ne sont pas totalement

respectés mais le but premier est simplement d'assurer que les très grosses particules n'atteignent

pas le premier substrat.

Le programme de calcul a aussi été utilisé pour prédire le comportement des diamètres

de coupure lorsque le SPAL est utilisé dans des environnements ayant des conditions d'entrée

(ambiantes) différentes. Trois modes d'opération sont comparés ici: pression de sortie constante

(PSC), débit volumétrique constant (QVOL) et débit constant rapporté aux conditions de

température e t de pression normales (QTPN; ce mode équivaut en fait à un débit massique

constant). La variation des D,a été calculée pour une température allant de -25°C à 75°C en

conservant la pression à 10 f .3Wa et, inversement, pour une pression variant entre 70 et 120 kPa

en conservant Ia température à 25°C. Cette gamme de valeurs couvre une grande portion des

possibilités de conditions ambiantes que l'on peut retrouver, spécialement en environnement

industriel.

Les résultats sont présentés aux figures 1.7 (a) et (b), respectivement, pour les variations

de température et de pression. Au dessus de 25°C ou sous 100 kPa pour le mode QTPN et sous

25°C pour le mode QVOL, l'écoulement est bloqué au dernier étage et les courbes pour ce

septième étage se comportent comme pour le mode PSC; les courbes ne se recouvrent cependant

pas sur le graphique car, dans le mode PSC, l'écoulement est bloqué non à la valeur de pression

théorique calculée par le programme mais plutôt à. une valeur prédéterminée, et choisie plus basse

pour assurer le blocage de I'écouIement sur une large gamme de valeurs (voir plus loin): en

conséquence le D, de l'étage 7 est systématiquement plus bas dans le mode d'opération PSC.

Avec comme point de référence 2S°C, dans le cas de la variation de température, les différences

dans les diamètres de coupure trouvés à -25°C et +7S°C pour l'étage 7 sont +16.4% et -14.7%

pour le mode PSC, -3.0% et +3 1% pour le mode QVOL, et 4 5 % et -15.2% pour le mode QTPN.

Figure 1.7a. D,, caIculé pour une variation de température (à pression constante) s'échelonnant de -25 à 75°C selon les trois modes d'opération du collecteur (PSC, QTPN et QVOL).

De façon similaire, dans le cas de la variation de la pression avec comme point réferenci

101.3 Wa, les différences sont -1.8% et +1.8%, -1.4% et +4.3%, et +77% et +1.5% 3 70 et 12(

kPa respectivement. Pour les étages 1 à 6, les coupures pour le cas (a) (variation de température

varient de 3.2%, 9.5% et 4.2% sur toute I'étendue des valeurs pour Ies modes PSC, QVOL e

QTPN respectivement; dans le cas @) (variation de pression), les différences maximales son

6.5%,23.2% et 15.5% sur toute la plage étudiée,

Figure 1.7b. D, calculé pour une variation de pression (à température constante) s'échelonnant de 70 à 120 kPa selon les trois modes d'opération du collecteur (PSC, QTPN et QVOL).

II apparaît que l'étage 7 est plus affecté par un changement de la température d'entrée

alors que les autres étages réagissent plus fortement à un changement de pression. Il est aussi

établi à travers ces calculs que le mode d'opération à pression de sortie constante produit des

diamètres de coupure plus stables vis-à-vis des changements de conditions ambiantes. QVOL est

le mode usuel dans lequel les impacteurs sont opérés et les corrections sont généralement faites

uniquement pour le volume total d'air échantiIIonné dans un certain laps de temps. Biswas et

Fiagan (1984) ont trouvé le même type de fluctuations pour les étages d'un collecteur

fonctionnant à basse pression (avec un orifice critique).

Le mode PSC nécessite un maximum de 0.5 atm à la sortie pour assurer que l'orifice

critique opère de façon adéquate. La figure 1.8 montre les résultats de la mesure du debit

volumétrique en fonction de la pression imposée B la sortie. L'écoulement est bloqué pour une

valeur de 380 d g (0.5 atm) et moins. En pratique, la pression de sortie est fixée à 3 IO mmHg

pour parer à des variations de pression et température durant un échantillonnage. Le débit

volumétrique est donc constant pour une pression et une température ambiantes données et Ie

débit massique correspondant peut être cakulé facilement. Ceci est très utile lorsque, par

exemple, en échantillonnage environnemental, Ie collecteur fonctionne 24 heures consécutives

et que les conditions ambiantes peuvent fluctuer aisément de k10-20°C et 1 5 kPa. Dans ce cas,

un relevé des conditions ambiantes sur la période en question permet le calcul du volume total

Pression de sortie (mmHg)

Figure 1.8. Variation du débit volumétrique, aux conditions ambiantes TPN, en fonction de la pression de sortie pour le modèle de 20 Vrnin.

ayant traversé le colIecteur. La vdve à pression constante assure le bon fonctionnement dr

l'appareil durant cette période d'échantilIonnage et l'utilisateur est assuré d'un minimum df

perturbations des propriétés de collecte (diamètres de coupure) de chacun des étages. Le rnodr

PSC produit une régulation mécanique du débit ainsi qu'une stabilité d'opération, propriétés qui

autrement, ne peuvent seulement être accomplies qu'avec un système asservi complexe.

Le collecteur SPAL a été conçu pour produire des dépôts uniformes en utilisant des fente3

rectangulaires placées perpendiculairement à la rotation des plateaux porte-substrat (voii

figure 1.9). En fait, l'élément de surface balayé sous une fraction de longueur d'orifice varie t

partir du rebord intérieur jusqu'au rebord extérieur du dépôt comme une fonction de l/r, où r es1

le rayon. Pour déterminer si la concentration suriacique des particules varie proportionnelIemen1

de la même façon, le rapport de la densité surfacique et de la concentration moyenne a été calculé

Les changements relatifs dans le dépôt pour les substrats couverts et non couverts ont été mesuré:

avec un système de comptage automatisé présenté au chapitre 3. Chacun des points présentés t

la figure 1. I O est la moyenne de six mesures pour des billes de latex de 1.054 pm de diamètrc

récoltées sur l'étage 5.

Figure 1.9. Substrat d'aluminium avec des dépôts annulaires pour les étages 5 , 6 et 7 du collecteur SPAL.

Les résultats montrent que pour les substrats couvert d'un adhésif (voir chapitre 2)' les

variations de la concentration surfacique suivent le même rapport que le changement de surface

en fonction du rayon soit une variation de 40%. Cette observation suggère que les particules

composant l'aérosol étaient uniformément distribuées le long de l'orifice au moment de leur

passage. L'adjectif étendu doit être employé pour caractériser le dépôt étant donné que la

variation est trop forte pour parIer de distribution uniforme. Les variations pour les substrats non

couverts ne suivent pas la variation de surface: les particules ont tendance à se déplacer h la

surface du substrat et la concentration sur le rebord interne diminue ce qui mène à une variation

de seulernentl2.5% pour la densité de particules de part en part du dépôt. Nous observons aussi

couvert O non couvert

O

O

Distance à partir du centre du disque (cm)

Figure 1.10. Densité surfacique de particules de latex de 1 .OS4 pm mesurée à l'aide d'un système optique en fonction de la position radiale pour des substrats couverts et non couverts.

qu'il y a plus de particules qui se retrouvent à l'extérieur de l'anneau principal. Une autre

observation qualitative pour ce cas est que les particules s'accumulent dans les creux et autres

irrégularités de la surface du substrat d'aluminium &tant donné qu'il n'est pas parfaitement lisse.

Pour Ies deux cas, de chaque bord de la trace, il y a une augmentation dans Ia densité de

particules, effet produit par les extrémités de l'orifice rectangulaire. A l'étage 7, la grande vitesse

de l'ah dans le jet augmente l'étalement autant pour Ies substrats non couverts que couverts où

l'adhésif est légèrement poussé sur les côtés (2 mm plus large). Pour les étages 1 et 2, I'effet des

extrémités des fentes élargit l'anneau de 4 mm parce que le rapport 113 de la iargeur sur la

longueur, ne respecte pas la condition théorique, à savoir d'être e l .

CONCLUSION

Le design d'un collecteur d'aérosol 3 dépôts uniformes et à plateaux rotatifs a été réalisé

conformément à la théorie associée. Un programme de calcuI a permis de déterminé les diamètres

de coupure théoriques caractéristiques des orifices rectangulaires de I'impacteur construit. Le

cdcd du D, pour différentes conditions de température et de pression de l'air à l'entrée montrent

que la stabilité des diamètres de coupure, Iorsque le SPAL est opéré à pression de sortie

constante, est l'avantage majeur de cet irnpacteur. De plus, le calcul de la masse échanu~lonnée

est plus précis puisqu'il est une fonction bien définie des conditions de l'air à l'entrée et que le

débit volumétrique est calculé simplement avec les conditions ambiantes de température et de

pression. La qualité du dépôt montre une densité de surface variant dans la direction radiale.

Pour le cas des substrats non couverts, les particdes semblent s'étendre sur la surface et le dépôt

résultant devient alors plus uniforme dans la section annulaire par rapport au cas des substrats

couverts d'un adhésif.

Étalonnage et caractéristiaues de I'irn~acteur SPAL

INTRODUCTION

Bien que la théorie des impacteurs caractérise adéquatement les diamètres de coupure, il

est nécessaire d'étalonner le collecteur afin d'assurer la précision des mesures granulométriques

et d'évaluer les pertes fonctionnelles. Les méthodes d'étalonnage utilisent généralement des

aérosols monodisperses pour évaluer i'efficacité des impacteurs. La mesure de la quantité

d'aérosols collectés s'effectue couramment par fluorescence d'un élément traçant incorporé aux

particules (Marple et al., 1993). Nous avons utilisé ici une autre méthode, celle de la mise en

solution des particules et de la mesure au spectrophotomètre utilisée par Fiesch et aL(1967).

Nous présentons ici l'étalonnage du collecteur SPAL. La méthode utilisée ainsi que le

système expérimental sont présentés. Le système de neutralisation des charges accumulées sur

les aérosols est décrit en détail. Les premiers résultats considérés sont Ies efficacités de collecte

pour chacun des étages. Par la suite, plusieurs caractéristiques du mode d'opération qui peuvent

Ce chapitre a fait l'objet d'une publication soumise B Aerosol Sci. Tech. intitulhe: "The SPAL impactor: Calibration and Characteristics Snidy." par P. Picard, D. Michaud et M. Baril.

influencer les résultats d'un échantillonnage sont évaluées: perte entre les étages, effet de I'emplo

d'un adhésif, etc. La présentation se termine par un survol des performances de l'impacteur.

Aérosol. De façon à étalonner efficacement un impacteur inertiel, il est important d'utiIiser m

aérosol bien défini. La dimension, la forme et la densité des particules utilisées pour I'étalonnagc

sont les facteurs qui influencent le comportement aérodynamique et ils doivent être connus avec

précision. Dans cette optique, l'utilisation d'aérosols monodisperses homogènes produit de!

résultats fiables. Nous avons utilisé deux types d'aérosols. En premier Iieu, des particules dt

latex polystyrène (1 .O5 g h l ) et latex polyrnéthyIméthacryIate (1.19 glml) ayant des diamètre!

s'échelonnant de 0.051 à 14 pm produites par les compagnies Duke Scientific (Palo Alto

California, U.S.A.) et Bang Laboratories (Carmel, Indiana, U.S.A.). En second lieu, de!

particules de bleu de méthylène de diamètres variant entre 2.06 et 7.11 pm produites par ur

VOAG-3450 (Vibrating Orifice Aerosol Generator) de la compagnie TSI Inc. (St-Paul

Minnesota, U.S.A.). Les dimensions des particules ont été vérifiées à l'aide d'un APS-3:

(Aerosol Particle Sizer) de Ia compagnie TSI et avec des évaluations périodiques au microscopt

dectronique à balayage (MEB), en utilisant un faisceau d'éiectrons de faible énergie dn dt

minimiser l'altération (modifications rnorphoIogiques importantes) des particules.

Mesures quantitatives. Les particules de bleu de méthylène capturées sur les substrats ont ét€

récupérées en lavant la surface avec 4 ml d'eau distilIée. Pour les microsphères de latex, di

surfactant Triton@ X-100 (Union Carbide Chemicals Company Inc., Danbury, Connecticut

U.S.A.) a été ajouté à l'eau distillée pour assurer un maximum de récupération. Le spectn

d'absorption obtenu par un spectrophotomètre Novaspec 4049 ( LKB Biochrom Ltd., Cambridge

England) pour des billes de latex de 0.605 pm de diamètre indique un pic à 460 nm. Les mesures

pour les microsphères, ont ét6 effectuées à la longueur d'onde de ce pic. Pour le bleu de

méthylène, la longueur d'onde utilisée était de 325 nm. Les courbes d'étalonnage pour la

concentration de particules montrent une relation linéaire par rapport aux unités d'absorption sui

la plage des valeurs usueIles. Cette méthode a déjà été utilisée par Flesch et al. (1967) pour le

bleu de méthylène et les billes de Iatex. La sensibilité de la mesure spectrophotornétrique est!

pour les particules de Iatex de 0.605 pm de diamètre, de 0.042 pg/mI (Le. environ 35000C

particules par ml) avec une limite de détection de 0.16 pg pour 4 ml de solution de recouvrement;

la reproductibilité assure une vdeur à l'intérieur de 1.5% de la réponse moyenne. Pour les autres

diamètres de particules de latex, l'efficacité de détection varie légèrement en accord avec la

théorie de l'extinction de la lumière par des particules (Hodkinson, 1966). Pour le bleu de

méthylène, la sensibilité était de 0.055 pg/rnl (environ 12400 particules de 2 pm de diamètre p a ~

ml), la limite de détection était de 0.46 pg pour 4 ml d'eau distillée et la reproductibilité assure

une valeur à l'intérieur de 1.1 % de la réponse moyenne.

Les substrats employés, feuille d'aluminium, film de polyéthylène et filtre de

polycarbonate (0.2 pm) (NucIepore Corporation, California, U.S.A.), une fois lavés n'ont

engendré aucun signal mesurable lors de plusieurs contrôles. Le recouvrement adhésif des

substrats, employé pour augmenter l'efficacité de collecte, était fait de ce même surfactant (Triton

X-100) préparé en solution volumique de 10% dans de l'éthanol. La solution était appliquée en

minces couches sur les substrats et laissée h sécher pendant trois heures à température ambiante.

Le résultat de l'application était un mince film qui présentait les caractéristiques d'un

recouvrement de Vaselinem et qui, par contre, est soluble dans l'eau. Plusieurs tests de contrôle

ont été effectués pour assurer qu'il n'y avait aucune contamination du signal par l'adhésif ni

détérioration des particules.

Durant toutes ces expérimentations, la température et l'humidité relative ont été mesurées

à l'aide d'un senseur d'humidité relative et de température Omega HX-93 (Ornega Engineering

Inc., Connecticut, U.S.A.). La connaissance de la pression atmosphérique et de la température

permet de corriger le débit volumique.

3 1

Système générateur d'adrosois. Les aérosols monodisperses ont été produits à l'aide du sys the

présenté à la figure 2.1. 11 y a cinq composantes majeures: l'atomiseur, la section de chauffage

et de dilution, la section d'absorption de vapeur d'eau, le neutdiseur de charges éIectrostatiques

et la chambre de collecte. D'autres instruments utilisés (APS, HX-93) sont aussi représentés.

Plus spécifiquement, l'atomiseur était l'un ou I'autre de deux systèmes distincts. Premièrement,

un nébuliseur de type Devilbis (John, 1993) placé dans un contenant à niveau de liquide constant,

alimenté par une réserve d'eau distillée (environ 50 mVhr), qui permettait d'obtenir un aérosol

dont la concentration variait à l'intérieur de 5%. En fait, la concentration variait de moins de 5%

parce que l'évaporation du solvant cause un enrichissement de la solution (John, 1993).

Deuxièmement, un générateur d'aérosol de type VOAG produisant des gouttelettes de diamètre

constant d, à partir d'une solution suivant la relation:

où Q est le débit de solution et f 1 .a fréquence de vibration de 1' orifice. La concentrati

solution influence la dimension finale des particules selon 4= CIa dd. La dimension des

particules était mesurée à I'aide d'un APS pour chacun des essais pour vérifier Ia valeur effective

du diamètre produit. Pour la section de séchage, le rapport du débit d'air sec sur le débit de

vapeur saturée du nébuliseur ou du VOAG était de 4; si nécessaire, il était possibie de chauffer

ce tube d'aluminium de 15 cm de diamètre. Suivant la section de séchage, un tube de laiton

réfrigéré sous le point de rosée était utilisé comme absorbant de vapeur d'eau. En conditions

d'opération, l'humidité relative à la sortie demeurait constante autour de 30% pour un de'bit globd

de 35 Vmin. La section de neutralisation était un ioniseur d'air à haute tension que nous avons

fabriqué pour produire un bain ionique uniforme et équilibré.

Ruban chauffant

Air sec -

Absorption de vapeur électrostatique

Colonne de sdchage

NtSbuliseur VOAG

HX-93 Chambre de collecte

APS

Figure 2.1. Schéma du système de production d'aérosols monodisperses.

Section de neutraiisation de charge. Nous discutons plus particulièrement de cette section cai

le principe utilisé est différent de celui des neutraliseurs de charges les plus couramment utilisés

Peu d'ouvrages traitent de la neutralisation de façon détaillée et ils utilisent généralement de!

sources radioactives, le * ' ~ r étant le matériel radioactif Ie plus utilisé pour générer des ion!

bipolaires. Le terme de neutraiisation de charges devrait être équilibre de charge. En effet, le:

aérosols sont en équilibre électrique avec leur environnement. En principe le minimum de charge

sur une particule est zéro. Toutefois, cette condition est rarement atteinte car les échanges de

charges s'effectuent avec les ions environnants créées par les rayons cosmiques et autres source!

radioactives. Une distribution s'établit avec les ions bipolaires selon une distribution statistique

L'état d'équilibre de charge atteint est nommé équilibre de Boltzmann ou distribution des chargn

résiduelles et peut être approximé, en partant de l'hypothèse que la mobilité des ions négatifs ei

positifs est égale, par l'équation (Cobine 1958):

où f,, est la fraction des particules de diameue d, ayant n charges unitaires, k est la constante dt

Boltzmann, e est l'unité de charge élémentaire et T la température en Kelvin. En fait, lu

mobilités sont différentes et il y a un excès d'aérosols chargés négativement. Les distribution:

d'équilibre de charges bipolaires pour des aérosols, prédites par la loi de Boltzmann, ont étC

vérifiées expérimentalement (Liu et h i , 1974) et numériquement (Takahasi, 1971) pour de5

particules ayant des diamètres supérieurs a 0.02 pm et 0.1 pm respectivement. Dans

l'atmosphère, le processus d'échange de charges peut prendre environ 30 minutes pour atteindre

l'équilibre de Boltzmann sachant qu'il y a environ 500 à 1000 paires d'ions/cm3 d'air. Pour lez

systèmes de neutralisation forcée, la règle générale (Yeh, 1993) est d'obtenir un produit Nd

supérieur ou égal à 6 x 106 (ions/cm3.s) où Ni est la concentration ionique et t le temps de contaci

entre les particules et le bain d'ions.

Le neutraliseur construit utilise un générateur d'ions à haute tension alternative. II faui

que ce générateur limite la précipitation des particules chargées et qu'il ne produise pas d'arc

électrique car il s'agit 18 en fait d'une façon de collecter des particules, utilisée en I'occurence

dans le EPS (Point-to-Plane Elecîrostatic Precipitator). Pour ce faire, le champ électrique imposi

aura une fréquence et une amplitude sélectionnées de façon à satisfaire les consid6ration:

précédentes soit une fréquence suffisamment élevée pour limiter le déplacement hors trajectoirt

des particules et une tension maximale inférieure à la valeur limite pour le déclenchement d'ur

arc.

34

La théorie associée traite de l'ionisation dans les champs intenses et du claquage des gaz.

L'air, possédant une quantité initiale de 500 à 1000 ions, et mis en présence d'un champ

électrique sera habité par un courant relatif au déplacement de ces ions. La production d'ions

supplémentaires s'effectue lorsque la tension est suffisante pour accélérer les électrons à des

vitesses suffisamment élevées pour ioniser les molécules de gaz présentes. Si la tension augmente

encore, les ions positifs accélèrent et se mettent à ioniser à leur tour jusqu'à ce que la tension de

claquage V, soit atteinte (voir figure 2.2a).

Figure 2.2~1. Relation courant-tension pour une région gazeuse avant l'apparition d'une étincelle (reproduit de Cobine 1958).

Ces phénomènes sont nommés décharges de Townsend. Si la tension augmente davantage, le

courant total augmente aussi très rapidement d'une décharge noire jusqu'à un arc visible établi

possédant un courant intense (point c de la figure 2.2b). La région de I= O au point 1, représente

la décharge de Townsend illustrée à la figure 2.2a. Une équation empirique permet d'évaluer la

tension critique Ec (correspondant à V,) pour des cylindres concentriques, à laquelle il y aura

apparition d'une couronne visible (pour une tension alternative sinusoidale) (Cobine 1958):

où m est le facteur d'irrégularité (m=l pour surface lisse), 6 le facteur relatif de densité de l'air

( 6 = 1 pour une pression de 760 rnrnHg et une température de 25 OC) , a est le rayon de la tige

centrale en centimètre et E, la tension critique.

Figure 2.2b. Caractéristique courant-tension lors d'une décharge électrique dans un gaz (reproduit de Cobine, 1958).

Le montage utilisé est un tube de 10 cm de diamètre ayant en son centre une tige de

2.5 mm de diamètre, le tout en acier inoxydable. La tension critique de cet assemblage d'après

l'équation (4) est de 44 kV/cm. La source utilisée possédait des tensions pointes de +8.5 kV et

-3.8 kV ce qui est bien inférieur à Ia tension critique pour un rayon de cinq centimètres. Le

courant ionique résultant est présenté à la figure 2.3 qui est une photographie de la mesure

effectuée à l'oscilloscope. La conception de la source détermine l'allure générale de la courbe

et nous présenterons un peu plus loin le détail du design. Le courant moyen d'ions est d'environ

0.056pA pour une densité ionique de 1.1 x IO9 ions/cm3. Cette densité combinée au débit utilisé

par le système générateur d'aérosol produit un flux ionique de 1.6 x 10" ionskm3.s ce qui est de

beaucoup supérieur à la limite de Nit vue précédemment. La fréquence des oscillations est de

45 Hz ce qui limite le dépôt des particules chargées lesquelles, en se déplaçant beaucoup plus

lentement que les molécules ionisées, ne font qu'osciller légèrement durant leur passage dans la

section de neutralisation.

..

Figure 2.3. Photographie du signal représentant le courant ionique observé à l'oscilloscope.

La source de haute tension fut fabriquée d'abord d'une façon très simple. Le schéma de

ta figure 2.4a présente la première version de la source haute-tension. Le gain de voltage encre

les sources de tension continue et la sortie est accompli par une bobine d'allumage d7automt?bile.

La caractéristique majeure était un gain très important malgré le fait que ce type de bobine produit

une inductance de fuite importante. Avec des tensions d'alimentation de 10.4 V et de -6.17 V,

ce montage produit une tension de sortie de + 20 kV et -8.9 kV à 30 Hz. La tension était

caractérisée par un pulse suivi d'oscillations dues à l'inductance de fuite et à la capacitance

parasite. Malgré l'utilisation d'un relais à pointes humides, les contacts de ce dernier se sont

soudés pendant une utilisation prolongée (1 heure). Comme alternative, nous avons utilisé des

transistors à effet de champ qui offrent des temps de réaction très courts ce qui résulte en un

courant induit intense dans la bobine. Toutefois la tension obtenue est moins élevée que pour un

L

Figure 2.4a. Source de très haute tension (THT) utiIisant un relais à pointe humide.

Figure 2.4b. Source de très haute tension (THT) utilisant des transistors à effet de champ.

relais soit +8.5 kV et -3.8 kV à 45 Hz. La figure 2.4b montre l'utilisation de deux diodes qui ont

pour effet de présenter à Ia porte des transistors +10 V et -10V selon le cas avec une source

d'ondes carrées de 6V. La tension à la porte des transistors doit être élevée pour accélérer la

mise en conduction des transistors et permettre d'atteindre des tensions de sortie plus élevées.

L,a limite de la tension porte-puits pour les deux semiconducteurs est de 25 V. L'enveloppe de

la tension produite (voir figure 2.3) présente les mêmes caractéristiques que celles de la source

fabriquée avec un relais, LRs oscillations amorties, subséquentes au pic de tension, ont une

fréquence de 3400 100 Hz qui peut être comparée il la fréquence de resonance de la bobine

L'impédance fut mesurée avec un impédancemètre HP4800A de Hewlett-Packard et la fréquence

de résonance expérimentale fut de 3300 + 100 Hz ce qui correspond bien aux oscillations

trouvées.

Manipulations. Une expérience typique débute en purgeant le générateur d'aérosols avec de l'ail

sec purifié de façon à diminuer la concentration particulaire jusqu'à ce que Ie rapport entre les

particules générées et les particules résiduelles atteigne 104. La production des particuIes est alors

enclenchée et la concentration est vérifiée par I' APS. Aprés Ia stabilisation de la concentration,

les pompes de l'impacteur et de la casette-filtre externe sont démarrées simultanément. Le filtre

externe a été utilisé pour évaluer l'efficacité globale du coIIecteur. CAPS ne fut pas considéré

pour l'évaluation de cette efficacité car les caractéristiques de la tubulure d'entrée de l'appareil

vis-à-vis de la transmission des particuIes selon leur diamètre n'étaient pas connues de façon

quantitative. Notons ici qu'un filtre total NucleporefM 0.2 Pm fut inséré entre la sortie de

I'impacteur et la pompe. La pression de sortie était dors mesurée entre Le collecteur et le filtre,

pour s'assurer que la dépression due au filtre ne fausse pas la lecture et par le fait même tout Ie

contrôle du débit. La durée des collectes était fonction de la concentration massique des

particules produites, une période usudle variant entre 30 et 60 minutes. Après la collecte, les

substrats et les filtres étaient lavés et les solutions résultantes étaient analysées à l'aide du

spectrophotomètre. Pour chacune des coIIectes, des essais de sureté ont été effectués sur des

substrats (ou des filtres) pour assurer qu'il n'y avait pas d'interférence introduite par la procédure

de lavement. Pour chacun des diamètres de particuIes utilisées, trois essais ont été complét6s

pour des substrats couverts et non couverts. Une attention spéciale fut portée lors de I'utilisation

du générateur VOAG parce que le diamètre des particules produites peut varier quelque peu SUI

une période d'utilisation prolongée (ex. 6 collectes consécutives de 60 minutes). Quelques

échantillons ont été utilisés pour l'évaluation de la qualité des particules au MEB et au

microscope optique. Pour ces échantillons, la qualité du dépôt fut vérifiée et Ia concentration

surfacique de particules en fonction du rayon du substrat fut mesurée avec un système de

comptage de particules automatisé. Ce système fut utilisé pour déterminer l'efficacité de coilecti

pour les particules de 10 et 14 Pm, parce que la concentration des aérosols demeurait sous 1;

limite de détection du spectrophotomètre malgré plusieurs heures d'échantillonnage. La validiti

de cette technique de mesure sera étudiée au chapitre 3. Les aérosols perdus sur les paroi

internes de l'impacteur ont été récupérés en lavant les surfaces avec IO ml de solution à base di

surfactant. Pour l'évaluation des pertes à l'entrée, un plateau d'impaction spécial fut préparé pou

accepter un papier d'aluminium agissant comme substrat. Finalement, la pression réelle pou

chacun des étages a été mesurée en remplaçant l'anneau d'espacement conventionnel d'un étagi

par un anneau d'espacement spécialement équipé d'un manomètre.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Débit. Durant les échantillonnages, l'irnpacteur est opéré à pression de sortie réduite, sous 1;

limite théorique et nominale de 0.5 atm, de façon à rencontrer le critère de Reynolds qui dit quc

la chute de pression à travers un orifice à bords tranchants doit être d'au moins 47% @rew e

Lippman, 1978) pour assurer que l'écoulement soit bloqué. Néanmoins, la forme de l'orifici

influence grandement le rapport de pression nécessaire pour atteindre les conditions critiques e

l'éventail des rapports de pression (aprèdavant) peut varier autant que de 0.2 à 0.8 (Zimmermai

et Reist, 1984). Les valeurs de pression qui assurent que l'écoulement est bloqué par l'orifici

critique du SPAL ont été déterminées expérimentalement. La mesure du débit en fonction de 1;

pression de sortie est présentée à la figure 1.7 (chapitre 1) pour des conditions normales dc

température et de pression. La valeur de 0.5 atm (380 m d g ) du critère de Reynolds est uni

bonne approximation de la limite supérieure de la pression de sortie provoquant un écoulemen

bloqué. Cependant, il n'est pas avantageux de travailler à cette pression de sortie car uni

variation des conditions d'entrée peut pousser le système hors des conditions d'écoulemen

bloqué. Donc en pratique, une pression de 3 I O mmHg fut choisie et les débits mesurés avec cettc

pression de sortie étaient de 10.3 et 20.6 Ymin. Pour cette pression, les diamètres de coupuri

devraient être légèrement différents des valeurs calcuIées au chapitre 1. De plus, la distributioi

4c

de pression à travers le collecteur montre une différence maximale de -4.2% et de -5.1% pour le!

étages 5 et 6 respectivement par rapport aux valeurs calculées à l'aide des équation!

isentropiques. Ceci influence aussi, quoique de façon mineure, les valeurs du D,, et du débit.

Diamètre aérodynamique (pm)

Figure 2.5. Courbes d'efficacité caractéristiques pour chacun des étages de l'impacteur à cascade.

Courbes d'efficacité. Les diamètres de coupure caractéristiques pour chacun des étages de

l'impacteur en cascade sont montrés à la figure 2.5. Les substrats d'aluminium étaient couvert(

de surfactant pour chacun des échantillonnages. Les diamètres de coupure expérimentaux ont éti

déterminés sur la figure en prenant la valeur du diamétre correspondant Li une efficacité de 50%

sur les courbes classiques en forme de "SM. Le tableau 2.1 présente les diamètres de coupure

expérimentaux et la mesure du débit correspondant; ces mesures sont comparées à deux modèles

théoriques: 1) les D,, et le débit calculés avec la chute de pression isentropique et 2) les DsO et

le de'bit calculés avec la pression mesurée pour chaque étage. Le modèle 1) utilise le programme

de calcul de la même façon qu'au chapitre 1 en imposant la pression de sortie à 3 10 rnmHg. Le

modèle 2) impose les pressions expérimentales pour chacun des étages à I'intérieur du programme

de calcul. Notons ici que les calculs ont été exécutés avec les valeurs nominales des dimensions

des orifices.

Tableau 2.1. Comparaison des diamètres de coupure expérimentaux et théoriqued D,, expérimental D,, théorique D,, théorique

@ml Pisam pique Pmcslde

(pm)

Étage 1 9.8 A 0.4 9.60 9.82

Étage 2 5.1 2 0.2 4.89 5.02

Étage 3 2.0 1 O. 1 1.97 2.02

Étage 4 1.0 k0.1 0.987 1 .O2

Étage 5 0.47 i 0.05 0.476 0.488

Étage 6 0.22 I 0.03 0.234 0.232

Étage 7 0.06 I 0.01 0.054 0.055

Débit (Vrnin) 10.3 I 0.2 10.65 IO. 10

" conditions ambiantes = TPN

Les tolérances de fabrication permettent une fluctuation de 6 pm sur la largeur et de

-.O5 mm sur la longueur. Des variations de cet ordre pour la largeur et la longueur de la fente

du dernier étage permettent des variations de débit de 0.6 et 0.25 Ymin respectivement. Au

tabIeau 2.1, il est visible que le D, calculé correspond bien avec les valeurs expérimentales, les

deux modèles montrant seulement des variations mineures. La différence la plus importante

concerne le débit anticipé par calcul. Le modèle utilisant la pression mesurée se compare

avantageusement avec les résultats expérimentaux. Même si le débit du modèle isentropique est

à l'intérieur du domaine couvert par l'incertitude (+ 0.85 Yrnin), il apparaît vraisemblable que le

calcul avec les pressions mesurées doit donner des résultats plus fiables. On peut observer que

la coupure de l'étage 7 s'éloigne de la valeur de départ de O. 1 pm car on doit maintenir la pression

de sortie suffisamment basse pour obtenir le débit nécessaire au fonctionnement du colIecteur.

La valeur de la pression est telle que le diamètre de coupure est inférieur de 40% environ.

La netteté et la similarité des courbes d'efficacité pour chacun des étages peuvent être

comparées à la figure 2.6 où les valeurs de l'efficacité de collecte de chacun des étages ont été

normalisées en les divisant par le diamètre de coupure expérimentai de l'étage en question, de la

même façon que Rubow et al. (1987). La figure montre que la réponse aérodynamique pour tow

les étages est très similaire. Ceci suggère que la courbe moyenne de tous les étages peut être

utilisée comme modèle pour retracer les courbes individuelles de la figure 2.5 et par conséquenl

la figure 2.6 à nouveau. Pour les étages 1 et 2, les pentes des courbes sont un peu plus abruptes

o etage 1

7 étage 2

+ étage 3

O étage 4

O étage 5

A étage 6

x etage 7

Diamètre des particules 1 DSo expérimental

Figure 2.6. Courbes d'efficacité comparative normalisées.

que les autres, ceci est probablement dû aux faibles vitesses de l'air qui minimiseraient 11

réentraînement des particules. La dispersion dans la partie basse pour les autres étages, autou

de 10% d'efficacité de collecte, peut être expliquée par le rebondissement et le réentraînemen

des particules dans I'impacteur.

Ces effets sont amplifiés par l'utilisation de substrats non couverts. Les figures 2.7a e

2.7b montrent l'efficacité de collecte pour les étages 6 et 7 respectivement. Le creux dans la

6 0 - 4 0 -.

20 -

O - 0.01 0.1 1 1

Diamètre des p a r t i c u l e s (pm)

Figure 2.7a. Effet du rebondissement et du réentraînement des particules sur l'efficacité de collecte de l'étage 6 pour des substrats couverts et non couverts.

courbe d'efficacité (cas non couvert) pour des particules de diamètres supérieurs à la coupure étai

prévisible pour ces étages Zt grande vitesse d'air car un tel comportement a déjà été obsewc

(Hering et al., 1979) et expliqué par le rebondissement. De plus, le phénomène di

rebondissement est une caractkristique étroitement liée au type de substrat utilisé et aux particule

qui s'y déposent (Hinds et al., 1985) (substrat de feuille d'aluminium et microsphères de late:

ici). L'utilisation d'autres types de matériel comme substrats, tels les filtres de polycarbonate.

w o n couvert / - 0.1 1

Diamètre des particules (pm)

Figure 2.7b. Effet du rebondissement et du réentraînement des particules sur l'efficacité de collecte de l'étage 7 pour des substrats couverts et non couverts.

et des pellicules de polyéthylène, n'entraine pas de différences significatives pour ce qui est dr

l'efficacité de collecte pour les substrats couverts. Les substrats non couverts quant à eu:

présentent une efficacité moindre de quelques points de pourcentage seulement. Toutefois, le,

variations sont très près des marges d'erreur et cette observation demeure qualitative pou

l'instant.

L'efficacité globale de l'impacteur utilisant des substrats non couverts peut diverger

substantiellement du cas des substrats couverts. La figure 2.8 présente l'efficacité du coIIecteur

comme étant le rapport entre la masse totde collectée sur les sept étages et la masse totale

recueillie par un filtre externe. La récolte des particules de 0.3 à 7 pm atteint 97&% d'efficacité

dans l'air au repos. Pour le cas non couvert, la récolte des particules chute continûment sous

I pm (55&5% pour des particules de latex de 0.054 pm par exemple); ainsi les mesures

gravim&riques dans ce créneau peuvent fortement diverger. Sur la même figure, l'efficacité

décroît pour les particules de diamètre supérieur à 7 Fm et le phénomène vaut pour Ies deux cas.

Des résultats simiIaires pour l'efficacité de collecte ont été trouvés par Rubow et al. (1987). La

perte de grosses particules est causée par le tube d'entrée qui agit comme un impacteur en soi,

La mesure de la masse recueillie sur les feuilles d'aluminium placées sous le tube d'entrée montre

Diamètre des particules (pm)

100 O

O €7

O

80 - a O

n

9

Figure 2.8. Efficacité globale du collecteur relative à un filtre total.

w 60 '3 . r( O cd O G 40 - rw W

20 -

O

O O COUVeR

O O non-couvert

8 1 1 1 1 1 1 , r 1 1 1 1 1 , 1 , * 8 1 7

O, 1 1 10

une efficacité de collecte (figure 2.9) qui explique à quelques points de pourcentage près la perte

d'efficacité de la figure 2.8, Même si les caractéristiques physiques du bec d'entrée ne sont pas

idéales pour I'impaction, les calculs théoriques résultent en des diamètres de coupure de 38 pm

et 28 pm pour les modèles fonctionnant à 10 et 20 Vrnin respectivement. Ces pIateaux

d'impaction spéciaux à l'entrée vont sans doute faire partie du collecteur SPAL de façon

définitive.

Les pertes d'aérosol sur les parois furent évaluées en lavant les pièces de I'impacteur.

Pour toutes les dimensions de particules, plusieurs collectes consécutives furent nécessaires pour

5 7 10 15

Diamètre des particules (pm)

Figure 2.9. Courbe d'efficacité de collecte pour le tube d'entrée du colIecteur.

récolter suffisamment de matériel afin de produire un signai vdable au spectrophotomètre.

L'emploi de particules de bleu de méthylène a permis de déceler un certain nombre d'endroits oh

il y avait accumulation de matériel. Un premier site est localisé sous la plaque contenant les

orifices, tout près des fentes: le dépôt forme un halo autour de la sortie de l'orifice et est causé

par la turbulence du jet. Ce halo est présent sur les étages 3,4,5,6 et 7 lorsque la concentration

de particules atteignant l'étage en question est suffisamment grande. Un autre endroit où un dépôt

peut s'accumuler est sur I'anneau de rétention du substrat, spécialement sur Ies étages 6 et 7 étant

donné les grandes vitesses atteintes à la sortie du jet. L'air possède suffisamment d'inertie pour

atteindre le rebord de I'anneau avant de retourner dans le canal d'évacuation au centre du plateau.

Dans le cas des substrats couverts, l'obtention d'un signal mesurable provenant du lavage de cet

endroit a nécessité typiquement trois collectes de 60 minutes chacune ( pour des particles de latex

de 0.054 pm de diamètre). La perte moyenne pour ces coIlectes était de 3&2 pour cent pour le

coliecteur en entier. D'autres expérimentations faites au laboratoire ont montré que pour des

particules de diamètre supérieur à 0.3 Pm, les pertes sur les murs sont inférieures à 1%. La

précision expérimentale ne permet pas la comparaison des pertes sur les murs pour Ies cas couvert

et non couvert. Le dépôt sur l'anneau de rétention du dernier étage est facilement observable lors

de I'utilisation de substrats non couverts. Ceci cause une augmentation des pertes sur les parois

jusqu'à 7% pour des particules de 0.054 Pm de diamètre. Les résultats obtenus se comparent

avantageusement avec ceux de Marple et al. (1993).

CONCLUSION

L'irnpacteur SPAL a été étalonné en utilisant des aérosols monodisperses de latex et de

bleu de méthylène. E'instmment a été conçu pour capturer des particuIes avec des diamètres de

coupure s'échelonnant de O. 1 il 10 pm de diamètre aérodynamique équivalent pour des débits

nominaux de 10 ou 20 Vrnin. L'évaluation de I'impacteur a montré des coupures caractéristiques

franches avec des valeurs expérimentales de D,, allant de 0.06 pm jusqu'à 9.8 pm pour un débit

de 10.3 Vmin. L'efficacité de collecte ne change pas significativement lors de l'emploi de filtres

48

de polycarbonate ou de pellicules de polyéthylène comme substrats à la place des feuille:

d'aluminium, et ce autant pour les échantillons couverts que non couverts. Des pertes sur le:

parois ont été observées (3% couvert, 7% non couvert pour des particules de latex de 0.054 pm:

et localisées principalement au dernier étage. L'entrée du collecteur présente une haute efficacit€

de transmission pour des particules de diamètres variant entre 0.3 et 7 Fm. Pour les particule

de diamètres supérieurs à 7 Fm, une plaque d'impaction optionnelIe placée juste sous le tubc

d'entrée peut récolter les aérosols de dimensions supérieures non récupérés par le design original

CHAPITRE 3

Mesure de la concentration d'aérosols à l'aide d'un svstème de com~tage automatisé3

INTRODUCTION

Les impacteurs pour l'échantillonnage d'aérosols ont été largement utiIisés pour la

classification inertielle des particules et ils sont des instruments de choix pour déterminer la

distribution massique en fonction de la taille des particules (Marple et al., 1993). Les particules

récoltées peuvent être analysées subséquemment et classées selon différents critères. La

microscopie à contraste de phase (MCP) est souvent utilisée pour mesurer la concentration en

nombre des fibres (Baron et Shulman, 1987; Kenny, 1988). La concentration en nombre par

mètre cube des aérosols ne peut être déterminée facilement avec plusieurs types d'impacteurs

parce qu'ils produisent des amas de matériel difficilement séparables. En effet, le comptage des

particules individuelles est seulement possible lorsqu'el~es sont étalées sur une surface

suffisamment grande. Le collecteur SPAL, qui est un impacteur à dépôt étendu, produit des

Ce chapitre a fait l'objet d'une publication soumise à Environ. Sci. Tech. intitulée: "Combination of an impactor and a microscope counting systern to determine aerosol concentration." par P. Picard. D. Michaud et M. Baril.

échantillons analysables et dénombrables par les techniques de microscopie. Durant les tests

d'étalonnage du collecteur, la qualité du dépôt a été étudiée par la variation de la densité

surfacique des particules recueillies (voir chapitre 1). De plus, une corrélation a été trouvée entre

le nombre de particules comptées et la masse mesurée. Un système de comptage serni-

automatique fut mis au point pour déterminer la concentration des aérosols par comptage optique

de façon à compIéter l'étalonnage de l'appareil. Cette technique utilise de faibles quantités

d'aérosols comparativement aux autres méthodes de mesure, améliorant ainsi la sensibilité de la

méthode d'étalonnage. Le système de comptage peut être utilisé à d'autres fins et ne requiert

qu'un bon contraste pour fonctionner efficacement. Nous l'utilisons d'ailleurs pour compter les

colonies de micro-organismes issues de l'utilisation du SPAL version biologique (voir chapitre 4).

Nous présentons dans ce chapitre l'évaluation des performances de la méthode de

comptage réalisée avec des aérosoIs monodisperses échantillonnés lors de l'étalonnage du SPAL

(chapitre 2). Le système de comptage est décrit en détail et les mesures spectrophotométriques

sont comparées au nombre de particules comptées. Un essai préliminaire avec des particules

hétérogènes est aussi présenté.

Système de comptage. La figure 3.1 présente le schéma du système de comptage. Il est composé

d'un microscope Optiphot-66 de Nikon (Tokyo, Japon) sur lequel une platine micrométrique à

déplacements automatisés a été ajoutée. Le déplacement du plateau est assuré par deux moteurs

pas à pas, le tout commandé par un ordinateur. Chaque pas du moteur produit un déplacement

de 0.3 pm, toutefois les toIérances mécaniques limitent la précision à 1 Fm. Le fonctionnement

de cette pIatine sera discuté au paragraphe suivant. Le repositionnnement après plusieurs

dépIacements successifs peut être effectué à I 1 Fm. La précision sur les mesures de

déplacements a été obtenue à l'aide d'une grille de référence et d'un système d'acquisition

d'image composé d'une caméra CCD WV-BL2ûû et d'un moniteur vidéo WV-54 10 de Panasonic

5 1

(Secaucus, New Jersey, U.S.A.) combinés à une carte d'aquisition d'image Oculus-300 dl

Coréco Inc. (Montréal, Québec, Canada). La grille de référence était un support codé pai

microiithographie et découpé dans une gaufre de semiconducteur au silicium (Baril et al., 1987)

Figure 3.1. Photographie du système de comptage automatisé.

La platine micrométrique à déplacements commandés est présentée à la figure 3.2. LR

plateau se déplace sur des tiges rigides usinées avec précision. Un premier déplacement,

nommons-le Y, est monté sur un bloc composé du piateau et du moteur pas à pas qui assure son

déplacement. Il est imbriqué sur un second bloc qui produit un mouvement selon l'axe

perpendiculaire X, en déplaçant le bloc Y au complet avec le deuxième moteur. La transmission

du mouvement est assurée par des vis micrométriques à pas très fin de façon à obtenir un

Figure 3.2. Photographie de la platine micrométrique à déplacements commandés par ordinateur.

mouvemernent linéaire inférieur à 1 ym pour une rotation de 0.8", soit un pas des moteurs

utilisés. Des ressorts maintenant la tension sur la vis ont été utilisés afin de limiter les

mouvements incontrôlés dus à l'espace minimal requis par la vis pour opérer, les filets demeurant

appuyés sur le même côté quel que soit le sens du déplacement. De plus, quatre micro-

intempteurs ont été placés aux extrémités afin d'éviter tout bris advenant d'une erreur de

programmation du dépIacernent. Le fonctionnement détaillé du système d'interface

ordinateur-moteurs pas à pas est décrit à l'annexe B.

Le contrôle des moteurs s'effectue à I'aide d'un ordinateur et il suffit d'écrire un mot sur

le port parallèle de I'appareiI. Le code est très simple, le signal est placé sur quatre bits, deux par

moteur, un pour le sens de rotation et l'autre pour le signai d'horloge ou plüs simplement le pas.

Lors de la programmation, les bits sont placés à +SV en écrivant 1'2'4 ou 8 sur le port et une

simple somme permet la combinaison des directions pour les diagonales. Une fonction de

commande du déplacement écrite en langage Ci+ est présentée à l'annexe C à I'intérieur du

programme qui contrôle tout le système d'acquisition d'image et de dénombrement.

Durant l'opération du système, le programme nécessite l'intervention de l'utilisateur pour

ajuster la focalisation sur la surface, étant donné les irrégularités de la surface du papie~

d'duminium utilisé comme substrat. Pour ce type de matériel, l'intensité des pixels cornposani

le fond continu montre une distribution normale et, de ce fait, la limite de détection des pixels

composant les particules fut fixée à cinq fois l'écart-type, 50. Cette limite fut choisie dans Ie but

d'éliminer complètement le bruit provenant du fond continu. Le nombre de pixels par particule

(avec une intensité supérieure à 50) peut être évalué pour chaque diamètre de la gamme de

dimensions attendues et l'utilisateur choisit des valeurs limites maximale et minimale pour ce

paramètre. Ces paramètres de contrôle réduisent le bruit du fond et la sous-estimation du nombre

de particules Iors du dénombrement d'agglomérats de particules. Une autre routine est disponible

pour l'estimation du fond continu pour des images provenant d'une gélose, c'est l'algorithme de

la sphère roulante (Sternberg, 1983). Cette routine a été utilisée principalement dans le comptage

des colonies de micro-organismes développées sur gélose. Les résultats de cette étude seront

présentés au chapitre 4. La distinction des particules ou colonies du fond sur lequel eIIes reposent

est amplifiée par l'utilisation d'une source lumineuse polarisée, qui pour certains matériaux,

produit un meilleur contraste.

Une fois les paramètres choisis (substrat, dimension des particules, longueur d'onde

utilisée, etc.) la performance du système peut être évaluée. D'abord, il a été noté que l'intensité

de la lumière incidente peut varier entre la puissance maximale de l'ampoule de 50 W jusqu'à

12.5 W sans compromettre le résultat. La reproductibilité du nombre de pixels trouvés présentait

une écart-type sur la moyenne de 0.3% pour plusieurs mesures de la même image. Un autre

facteur fut aussi vérifié au départ, l'influence du focus sur le nombre de pixels et de particules.

Pour une variation de dix unités (116 de tour) de la vis d'ajustement micrométrique du

microscope, le nombre de particules varie à l'intérieur d'une fourchette de 0.5% et Ie nombre de

pixels, à l'intérieur de 1.3%. Donc l'influence de I'utilisateur sur la qualité de la mesure peut être

réduite à la reproductibilité du système moyennant un minimum d'attention.

Manipulations. Une mesure typique débutait de la même façon que les échantillonnages

effectués au chapitre 2. Les collectes d'aérosol duraient approximativement 15 minutes selon la

concentration et la dimension des particules. Par exemple, pour des microsphères de latex de

0.605 pm de diamètre, le temps d'échantillonnage fut de 60 minutes, et pour des particules de

bleu de méthylène de 6.22 pm de diamètre, l'échantillonnage fut de 10 minutes. La vitesse de

rotation du moteur fut ajustée à 3 rpm pour assurer plusieurs rotations durant la collecte.

Figure 3.3. Image numérisée de particules de latex de 1.054 pm de diamètre récoltées sur un substrat d'aluminium sans adhésif.

LES particules récupérées sur les substrats d'aluminium sans adhésif étaient comptées au

microscope. Les mesures étaient effectuées selon des lignes axiales, r, à partir du rebord interieur

jusqu'au rebord extérieur du dépôlt annulaire. Les limites de la trace annulaire varient légèrement

entre les différents étages (en raison des différences dans les longueurs de fente), par exemple,

pour l'étage 5 nous avons: rinrcnc,, = 1 .O cm et r,,,=1.7 cm. Les dimensions d'un cadre d'image

sont 153 x 121 pm2 sous un grossissement de 640X, donc une ligne axiale compte 39 cadres

adjacents pour cet étage. Pour chacun des étages, six mesures axiales ont été effectuées résultani

en un total de 234 cadres d'images balayés. Les dimensions des aérosols utilisés variaient entre

0.054 pm et 8.9 Pm. Un exemple d'un cadre d'image montrant des particules de 1.054 Fm es1

présenté à la figure 3.3. Pour la majorité des échantillonnages, il y avait habituellement trois

étages sur les sept disponibles qui présentaient suffisamment de matériel pour être exploités.

Tous les diamètres ont été testés trois fois (Le. par trois échantillonnages) pour augmenter la

précision des mesures. Après le décompte automatique des particules au microscope, les substratc

étaient lavés avec une solution d'eau et de surfactant et l'absorption de la solution ainsi produite

était mesurée au spectrophotornètre (Novaspec 4049). Les substrats lavés ont été réinspectés au

microscope et aucune trace significative de microsphères de latex ou de bleu de méthylene ne fui

trouvée. Les solutions produites par un deuxième lavage ont donné une intensité nulle au

spectrophotomètre.

Deux autres essais ont été faits avec des particules hétérogènes provenant d'un

environnement industriel. Des échantillonnages de deux heures sur substrats d'aluminium sans

adhésif ont été exécutés au centre d'un atelier de mécanique automobile comprenant quatre unités

de réparation distinctes. Les échantillons ont été analysés avec le système automatisé et les

résultats ont été comparés avec un dénombrement manuel sous le microscope.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La précision du dénombrement des particules effectué par le système de comptage est

décrite sur la figure 3.4. On peut voir que le nombre de particules comptées pour chaque cadre

d'image se retrouve à l'intérieur d'une bande de 5% autour de la valeur réelle. Le nombre de

particules comptées de cette façon fut transformé en concentrations surfaciques qui ont été

utilisées pour calculer le nombre total de particules collectées à la surface du substrat en

multipliant la valeur moyenne par la surface occupée par le dépôt annulaire. Cette valeu1

moyenne est une approximation utilisée lors du calcul parce que la concentration surfacique varie

4 5 5 0 5 5 6 O 6 5 7 0 7 5 80

Nombre réel

Figure 3.4. Nombre de particules comptées par le système en fonction du nombre réel de particules se retrouvant sur le substrat dans un cadre donné.

environ linéairement entre les deux rebords. Une fois le nombre total de particules déterminé

la masse peut être calculée (masse = volume d'une sphère parfaite x densité x nombre) a F t r

d'obtenir une concentration (masse dans 4 ml de solution) qui peut se comparer avec I'absorptior

mesurée au spectrophotomètre. Les résultats pour les particules de bleu de méthylène son

présentés à la figure 3.5, sans distinction pour l'étage de collecte ou la dimension des particules

La régression linéaire montre un bon coefficient de corrélation (0.979) pour ces particules dc

diamètres variant entre 1.3 et 8.9 Fm. L'écart type relatif (ETR) obtenu (4.5%) pour la régressior

linéaire englobe les incertitudes résultant du calcul du nombre de particules et de la mesure ai

spectrophotomètre.

Pour les particules de latex, le signai au spectrophotomètre change selon le diamètre de!

particules parce qu'elles sont insolubles dans la solution de surfactant et d'eau. Chacune de!

analyses produites pour un diamètre en question est comparée à une courbe d'étalonnagf

-

- -

r = 0,97866

ETR = 4.5%

0.00 0,02 0.04 0.06 0,08 0.10

Absorption

Figure 3.5. Masse de bleu de méthylène calculée à partir du nombre de particules détectées par le système de comptage en fonction de l'absorption lue au spectrophotomètre pour les solutions produites à partir de ces particules.

exclusive à ce diamètre car l'absorption est une fonction compIexe (théorie de Mie) de la tailIe

des particules et de la longueur d'onde employée. Pour ies particules de dimension supérieure

à I Fm, les résultats sont similaires à ceux trouvés pour le bleu de méthylène. La figure 3.6

montre la régression linéaire du nombre total de particules comptées (de 1,054 pm de diamètre)

en fonction de l'absorption au spectrophotomètre, sans distinction pour les étages de collecte. Le

coefficient de corrélation (0.994) et ETR (5.1%) sont très similaires à ceux obtenus pour les

particules de bleu de méthylène (figure 3.5). Pour Ies particules de diamètre inférieur à 1 Fm,

seules les microsphères de latex ont été utilisées parce qu'elles étaient plus faciles à générer ei

ce. en concentration stable et élevée.

Absorption

Figure 3.6. Nombre total de particules comptées avec le système automatisé en fonction de I'absorption produite au spectrophotornètre par Les solutions produites à l'aide de ces mêmes particules.

À la figure 3.7, l'écart type des régressions lineaires est tracé en fonction du diamètre des

particules. Ce graphique engIobe les données pour les deux types de particules soit les

microsphères de latex et les billes de bleu de méthylène. On peut observer que l'écart type relatif

est pratiquement constant (-5%) pour des particules de dimension supérieure à 1 pm mais

augmente très rapidement sous cette limite. L'efficacité de la méthode chute donc rapidement

pour des particules de diamètre inférieur à 1 p. Étant donné que la limite de résolution du

microscope optique est de 0.3 pm, le bruit constitue une part de plus en plus importante du signal

lorsque le diamètre des particules approche cette valeur. Si nous tentons de restreindre

l'importance de ce facteur en augmentant la limite de détection à 70 ou 90, nous perdons jusqu'à

Diamètre des particules (p m)

Figure 3.7. Écart type des régressions linéaires en fonction du diamètre des particules étudiées.

304 du signal réel. Avec ce type de substrat, il est difficile d'augmenter les performances di

système pour les petites particules. Avec un autre type de matériel, possédant un signal de foni

plus uniforme, il serait possible d'obtenir un contraste supérieur. Par exemple, la pellicule di

polyester et les milieux de culture en gélose sont pratiquement transparents et l'écart type di

l'intensité moyenne des pixels est suffisamment faible pour réduire jusqu'à dix fois le niveau di

bruit par rapport aux substrats d'aluminium utilisés avec le système de comptage. Néanmoins

pour le cas de particules spécifiques et bien connues, comme ici dans l'étalonnage avec de

particules monodisperses, la moyenne d'efficacité du comptage donne des résultats à I'intérieu

de 5% de la vraie valeur et la limite de détection, nommément 0.04 pg/ml, est cinq fois supérieuri

à celle obtenue avec le spectrophotomètre.

Le même problème de limite de détection survient pendant l'analyse de particules

hétérogènes de provenance industrielle. De plus, différents types d'aérosols répondront

différemment à la lumière incidente et le contraste sera donc variable selon la composition de la

particule. Dans le cas des deux échantillons récoltés dans un atelier de mécanique, la perte de

particules comptées était de 1.2% et due aux similarités entre le substrat et le matériel composant

les aérosols. L'efficacité globale du système de comptage par comparaison à une énumération

manuelle donne 2.3% de variation pour des particules de diamètre supérieur à 1 Fm. Une

attention spécide doit être apportée lorsque cette méthode est utilisée avec un type de particules

défavorable pour lequel la probabilité d'erreur significative de comptage est envisageable.

Néanmoins, la possibilité d'obtenir à la fois le nombre de particutes et une mesure de la masse

est un atout certain dans l'étude d'un type spécifique d'aérosol. Cette méthode de dénombrement

rapide, jumelée à une technique analytique comme le microscope électronique à balayage avec

un analyseur de rayons X par dispersion d'énergie (MEB-EDXA), peut réduire significativement

le temps d'analyse.

CONCLUSION

il a été démontré qu'un système de comptage optique peut être utilisé avec un impacteur

pour en réaliser l'étalonnage. Ce système travaille avec des aérosols monodisperses qui ont des

diamètres supérieurs à 1 pm et qui sont récoltés sur des substrats faits d'aluminium ou d'autre

matériel. En comparaison avec les valeurs obtenues en utilisant un spectrophotomètre, lei

concentrations déterminées via la présente méthode étaient à l'intérieur d'une marge d'erreur de

5% et la limite de détection était augmentée par un facteur 5. Pour Ies aérosols hétérogènes, le

système peut être utilisé pour donner une excellente approximation du nombre total de particules

collectées.

Conce~tion et évaluation d'un imriacteur de t n e $PAL ada~té aux bio-aérosols.

INTRODUCTION

Les aérosols d'origine microbiologique sont présents dans tous les environnements

naturels. Les concentrations de ces particules (poIlen, spores de champignons microscopiques,

bactéries, virus, fragments de tissus divers, etc.) varient selon plusieurs facteurs ponctuels. La

collecte de bio-aéroso~s peut se faire suivant les mêmes techniques d'échanti1Ionnage que Ies

a6roso~s non biologiques. Toutefois, assurer Ia survie ou l'activité biologique des bio-aérosols,

durant et après la coHecte, représente un facteur essentiel de l'évaluation des concentrations de

ces particules, ce qui differe passablement de l'échantillonnage de particules non biologiques.

De plus, la manipulation des échantilIons, l'entreposage et I'anaiyse des aérosols colIectés

s'écartent de façon substantielle des méthodes couramment employées pour les aérosols

inorganiques.

Ce chapitre présente un survol de la dynamique associée aux particules d'origine

biologique ainsi que les concepts théoriques suivant lesquels les performances des collecteurs de

bio-aérosols sont évduées. Suivent, les modifications apportées au collecteur SPAL pour qu'il

62

puisse capturer des bio-aérosols (version SPALBIO). L'étalonnage du collecteur ainsi modifié,

avec des billes de latex monodisperses sur des substrats en gélose, représente la première partie

de l'évaluation de l'impacteur. Une étude comparative avec un collecteur de type Andersen

(Andersen, 1958) vient compléter cet étaionnage. Le modèIe biologique a été conçu de façon à

être utilisé avec Ie système d'imagerie présenté au chapitre 3. La méthode de comptage associée

à ce système est utiIisée pour évaluer l'effet de la concentration du milieu de culture, du

chevauchement des colonies et des conditions d'entreposage. Le chapitre conclut en une

évaluation globale des performances de l'ensemble du train d'échantillonnage et d'analyse.

Le but le plus fréquemment associé à l'échantillonnage de bio-aérosols est de vérifier et

de quantifier la présence de ces particdes pour évaluer l'exposition relative à ces produits ou pour

identifier la source afin d'en contrôler les émanations. Les effets relatifs à la présence de telles

particules sont variés: asthme, fièvre, irritation, infection, etc (Lavoie et L u e , 1994). Le degré

de réaction aux bio-stérosois varie d'un individu à l'autre et les relations dose-réponse sont peu

connues. Les recommandations de façon à déterminer les niveaux de concentrations de bio-

aérosols acceptables en regard de l'exposition à ces particules ne sont pas encore établies

(Nevalainen et al., 1993).

Les concentrations associées aux aérosols biologiques peuvent varier pour un même type

d'environnement parfois de plusieurs ordres de grandeur. Par exemple, des concentrations de

l'ordre de 10 à 103 UFC/rn3 (unités formatrices de colonies) peuvent être observées dans des

maisons ou des environnements de travail ayant des sources modérées (Macher et al., 1991;

Martinez et al., 1988; Rahkonen et al., 1990). Des concentrations inférieures à 102 UFClm3 sont

trouvées généralement dans des endroits bien ventilés sans sources significatives, par exemple,

des édifices à bureaux, des laboratoires, des salles d'opérations dans les hôpitaux, etc. De façon

inverse, des quantités très élevées peuvent être observées avec des pics de concentrations allant

de 10" jusqu'à 10'~uFUm3 pour des endroits tels que des usines de textile, des bâtiments où l'on

manipule des céréaies et des édifices sérieusement contaminés (Lacey et Crook, 1988; Kotimaa,

1990; Eduard et al., 1990). Dans la plupart de ces environnements, la concentration varie

considérablement dans l'espace et dans le temps. Ceci est dû principalement à la méthode de

production de ces particules vivantes. Par exemple, la croissance et la mise en circulation de

spores d'un milieu contaminé par des champignons microscopiques peut se produire

soudainement lorsque certaines conditions de température, d'humidité et de vitesse de l'air en

contact avec Ia surface contaminée sont propices à l'éclosion.

Pour capturer les aérosols biologiques contenus dans l'air, on peut utiliser différentes

forces physiques. Ces forces définissent une classification des différents types d'appareils de

collecte (Hinds, 1982; Lehtimaki et Willeke, 1993), par exemple, les collecteurs inertiels

(impacteurs, cyclones, centrifuges), les filtres, etc. Dans Ia gamme des impacteurs, le collecteur

Andersen, qui utilise des plats de pétri remplis de gélose comme substrats, est l'un des collecteurs

de bio-aérosols les plus connus et il est utilisé comme référence principale dans quantité d'études

(Reponen T. et al., 1994, Henningson E. et al., 1981, Smid T. et al., 1989, Morring K.L. et al.,

1983). Ce collecteur est composé de six étages présentant chacun 400 orifices placés au-dessus

d'un plat de pétri conventionnet. Le débit d'air est d'un pied cube par minute (28.3 Ilmin) et les

diamètres des orifices sont 1183, 916,713, 534, 343 et 254 pm pour les étages allant de 1 à 6

respectivement; les diamètres de coupure correspondants sont 7.2,4.8,3.2,2.1, 1.0 et 0.6 pm.

Une correction statistique doit être apportée au nombre de colonies comptées pour tenir compte

de la probabilité que deux micro-organismes soient récoltés au même endroit (Macher J., 1989).

Quelques autres modèles d'impacteurs ont été développés avec ce même principe de collecte sur

substrat en gélose (Henningson et Ahlberg, 1994) qui permet la mesure de la concentration

particulaire ainsi que de la granulométrie associée.

L'efficacité de collecte des impacteurs de bio-aerosols est reliée aux aspects physique et

biologique du fonctionnement. L'efficacité totale, ET, peut être divisée en deux parties, soit

l'efficacité de collecte (particules récoltéesladmises dans le collecteur), EC, et l'efficacité de

préservation (particules récoltées qui demeurent vivantesltotd récolté) EP. L'effkacité totale

peut être exprimée de la façon suivante (Henningson et Ahlberg, 1994):

EC= EEk(1- PM)x ECE (4-2)

où EE est l'efficacité d'entrée du collecteur, PM sont les pertes sur les murs et ECE est

I'efficacité de collecte d'un étage d'impaction. L'efficacité de collecte est déterminée de façon

conventionnelle avec des particules monodisperses non viables. Il est impossibte, avec les

méthodes actuelles, de déterminer l'efficacité de préservation d'un collecteur. Ceci est dG au fait

qu'il n'est pas simple de différencier et de quantifier les micro-organismes qui ont été tués par

le générateur d'aérosol, qui sont morts en suspension dans l'air, qui ont été tués par le colIecteur

ou qui sont décédés durant l'incubation. Aucune méthode efficace ne peut, à ce jour, mesurer

avec précision la viabilité d'une particule en suspension dans l'air. Toutefois, il est possible

d'estimer I'efficacité de préservation seIon quatre modèles principaux. Premièrement, la

quantification de base exprime simplement le nombre de micro-organismes vivants collectés par

l'appareil en question, nommés les survivants S:

où Ncv est le nombre de colonies vivantes. Lorsque le nombre de cellules comptées pour le

collecteur en cours d'étalonnage est comparé au le nombre de cellules vivantes d'un

collecteur de référence (N,),,, , iI est dors question de survivants relatifs S,, donnés par:

Le nombre de cellules vivantes collectées comparé au le nombre total de celIuIes récoltées par

l'appareil, N,,, donne l'efficacité de survie Se, définie comme suit:

Finalement, lorsque l'efficacité de survie d'un collecteur en cours d'étdonnage est comparée à

celle d'un collecteur de référence on retrouve l'efficacité de survie relative Se,,:

Si un collecteur de référence avec 100% d'efficacité de préservation était disponible, l'efficacité

pourrait être donnée de façon absolue tout comme l'efficacité de collecte. Jusqu'à maintenant,

la meilleure mesure disponible pour évaluer l'efficacité de préservation est l'efficacité de survie

relative Se,, car le nombre de micro-organismes qui décèdent durant la procédure ne peut être

connu à l'aide des techniques actuelles. Le nombre total de bactéries recueillies est évalué en

inséminant un traceur radio-actif aux bactéries (Harstad, 1965) et en mesurant la radio-activité

totale des échantillons. Les résultats obtenus demeurent relatifs et I'efficacité totale ET ne peut

être déterminée de cette façon. Toutefois, cette méthode ne peut être utilisée avec tous les rnicro-

organismes car les effets secondaires sont nombreux (par exemple: mortalité élevée, arrêt de la

reproduction, etc.).

Les méthodes d'étalonnage pour les collecteurs d'aérosols biologiques se divisent en deux

goupes fondamentaux, soit l'utilisation de particules provenant d'environnements naturels, soit

par production contrôlée de particules en laboratoire. Les essais avec des bio-aérosols naturels

produisent des résultats relatifs à des appareiIs de référence car les concentrations particulaires

viables initiales ne sont pas connues. Pour ce qui est des étalonnages en laboratoire, Ies aérosols

biologiques sont préparés en culture et produits il l'aide de différents types de génirateurs dont

les plus fréquemment utilisés sont les nébuliseurs devilbiss et Collison et le disque tournant

"Spinning top" (Henningson et Ahlberg, 1994). Les aérosols produits sont introduits dans des

chambres ou tunnels d'échantillonnage selon Ie cas (p.ex. Jensen et al., 1992). L'utilisation de

micro-organismes présente des difficultés majeures à l'effet que les dimensions disponibles sont

limitées et que les besoins intrinsèques h la manipuIation de tels aérosols sont à la fois nombreux

et complexes.

L'analyse des aérosols collectés s'avère la partie cruciale de l'évaluation de l'efficacité

totale des collecteurs. L'énumération des particules vivantes de l'aérosol collecté doit se faire

après culture des micro-organismes. Cette méthode analytique est lente et sensible à plusieurs

facteurs comme la température, l'humidité et la composition du milieu ainsi que le temps

d'incubation. Les différentes espèces de micro-organismes réagissent différemment à ces

facteurs. Les résultats du dénombrement sont entachés d'une certaine incertitude. Les conditions

expérimentales doivent être précisées afin d'être en mesure d'assurer une bonne reproductibilité

et, de plus, elles doivent simuler au mieux les conditions reliées aux espèces couramment

étudiées.

MODIFICATION DU COLLECTEUR

La conception modulaire du coliecteur SPAL permet une adaptation rapide à la collecte

de bio-aérosols. La modification majeure consistait en l'usinage d'un réceptacle qui, une fois

rempli de gélose, agirait comme substrat. La figure 4.1 montre une vue de coupe de ce réceptacle.

Le volume contenu à l'intérieur de la cavité est de 1 1.4 cm'. En pratique, le volume de gélose

liquide coulée est de 1 1 cm3 et la tension de surface de ce liquide impose une forme bombée à la

surface (figure 4.2). Lorsque le milieu se solidifie, on observe une diminution de volume

dégageant dans la partie centrale de l'anneau environ 1 mm à partir du rebord supérieur

(figure 4.2). Le réceptacle est fixé au plateau porte-substrat à l'aide du même anneau

Figure 4.1. Vue de coupe d'un réceptacle à gélose circulaire et ses dimensions.

m g d o s e liquide

gélose so lidiflée

--ppppp ~- ~ -~ -

Figure 4.2. Aspect de la gélose à l'intérieur du réceptacle à l'état liquide et une fois solidifiée

de rétention utilisé pour les substrats conventionnets. Les autres pièces qui ont été modifiées sont

les anneaux d'espacement entre chacun des étages. Les dimensions ont été ajustées de façon à

conserver la même distance fente-surface d'impact (avec gélose solidifiée) déterminée au

chapitre 1 de façon à ce que le SPALE310 ait les mêmes caractéristiques que le SPAL original.

Étalonnage. L'étalonnage granulometrique du collecteur a été effectué avec des billes de latex

monodisperses de diamètres variant de 1.054 à 14 Pm, identiques à celles utilisées au chapitre 2.

Le montage de production ainsi que les méthodes sont identiques (purge du système, mesure de

température et de débit, etc.). Les substrats utilisés sont Ies réceptacles à gélose remplis de 1 1 ml

Figure 4.3. Photographie du système de comptage automatisé.

de solution solidifiée (méthode de préparation à l'annexe D). Le débit nominal était de 20 Ymin.

La quantité de particules récoltées a été mesurée avec le système de comptage automatisé présenté

au chapitre 3. Un appareil supplémentaire a été utilisé pour compléter la gamme de

grossissements disponible au microscope, il s'agit d'un stéréoscope Olyrnpus modèle SR4045,

Olympus Co. (Tokyo, Japon). La photographie de la figure 4.3 présente Ie système de comptage

en entier. On peut voir le microscope muni de la caméra CCD, le stéréoscope avec une caméra

photo, le moniteur vidéo du système d'acquisition d'image et l'ordinateur contrôlant le tout. Le

réceptacle rempli de gélose était déposé sur la platine à déplacements commandés par ordinateur

(figure 4.4).

Figure 4.4. Photographie de la platine à déplacements commandés par ordinateur sur laquelle on aperçoit un réceptacle (i gélose.

Essais comparatifs. Les essais comparatifs effectués avec des collecteurs de type Andersen on

&té réalisés en collaboration avec M. Jacques Lavoie du programme de soutien analytique d!

I'IRSST Ostitut de Recherche en Santé et en Sécurité du Travail du Québec) dans le cadre d'un1

recherche sur Ia mesure des contaminants chimiques et biologiques dans l'air d'une porcheril

utilisant la technique de litière biomaîtrisée. Cette méthode d'élevage a pour but de contrôler le

contaminants chimiques, biologiques et les odeurs. La litière est composée d'un mélange dl

déjections solides et liquides provenant des porcs, de sciures de bois ou de paille et d'une enzym(

issue de la biotechnologie. Avec l'action de cette enzyme, il semblerait se créer une fermentatioi

bactérienne spécifique entraînant la production rapide de compost. Une fois par semaine, pou

obtenir des conditions aérobiques, l'aération est réalisée par un brassage mécanique de la surfacc

de la iitière. La température maintenue par la fermentation permet de réduire les concentration:

de bactéries et les gaz à des niveaux acceptables à l'intérieur de la litière. Toutefois le:

moisissures de type Aspergillus fumigatus se retrouvent dans des conditions de prolifératior

idéales. Le but était de vérifier les concentrations de bactéries et de moisissures totales dans l'ai

ambiant avant et après le brassage.

Ce type d'environnement est hautement contaminé ( 1 6 UFC/m3 et plus) nécessitant ains

des temps de collecte très courts, soit 15 et 60 secondes respectivement pour les bactéries et lei

champignons afin d'éviter une surcharge des milieux de culture servant de substrat et, par le fai

même, des erreurs majeures dans la détermination des concentrations. Toutefois, pour des tempr

d'échantillonnage de faible durée, nous avons mesuré en laboratoire que l'inertie mécanique

(démarrage et arrêt de la pompe) peut causer des incertitudes de l'ordre de 10% sur le volumf

total échantillonné. La courte durée des temps de collecte a nécessité la modification du systèmc

d'entraînement de la rotation des étages afin qu'ils puissent effectuer deux tours complets en 1'

secondes, la durée minimale. Le coilecteur SPALBIO a été opéré à un débit nominal de 10 Ymir

afin d'éviter une surcharge des milieux de culture.

Les 8 échantillonnages effectués se divisent en deux groupes soit avant et après Ir

brassage. A l'intérieur de ces divisions, il y a eu deux collectes de bactéries et deux collectes dc

moisissures. Les milieux de cultures utilisés sont le SDA pour Ies moisissures totales (Sabouraud

dextrose agar, Quelab Laboratories, Montréal, Québec, Canada) incubé à une température de

27" C pour une période allant jusqu'à 7 jours et le TS A pour les bactéries totales (Tryptic soya

agar, Quelab Laboratories) incubé à 35°C pendant 48 heures. L'appareil de référence est un

impacteur microbien Andersen (Andersen Instruments Inc., Atlanta, Géorgie, U.S.A.). Les

collecteurs étaient placés sur une table à 1.5 m du sol juxtaposée à un enclos contenant de la

litière et où se trouvaient des porcs. La distance entre les collecteurs était de 30 cm et les pompes

de ces derniers étaient placées sous la table pour minimiser toute fluctuation due à l'évacuation

de l'air pompé.

Échantillonnage en laboratoire. L'évaluation du collecteur requiert des échantillonnages en

milieux peu contaminés de façon à estimer Ies temps de collectes idéaux pour différentes

situations. Les échantillonnages, au nombre de trois, avaient pour but d'évaluer la quantité de

moisissures présentes dans l'air du laboratoire qui est ventilé mécaniquement. Le débit nominal

était de 20 Vrnin pour cet environnement contenant peu de micro-organismes. Le milieu de

culture utilisé est le SDA. Au cours des trois échantiilomages, de même que pour tous les essais

effectués avec le collecteur SPAL, le nombre de colonies a été déterminé rnicroscopiquement et

macroscopiquement pour évaluer l'effet du chevauchement des colonies. Le dénombrement

s'effectuait à des intervalles de 6 heures pour des températures d'incubation de 27°C pour les

moisissures et de 35°C pour les bactéries.

Production de bio-aérosols. Au cours des deux dernières expériences, le collecteur a été placé

dans la chambre d'échantillonnage du montage d'étalonnage (c.f. chapitre 2). L'emploi d'une

solution d'eau contaminée par des champignons microscopiques ayant fermenté plusieurs jours

et du nébuliseur a permis la fabrication d'un aérosol composé de spores. Bien que cette méthode

soit quelque peu empirique, le but visé à savoir générer des spores d'un même type et les mettre

en suspension a été atteint. Les collectes, d'une durée de 30 et de 15 minutes respectivement à

un débit nominal de 20 Yrnin, ont été effectuées sur des milieux de culture de SDA dilués à 25%

des éléments nutritifs initiaux (Chang C.-W. et al., 1995). La dilution est une façon de limiter

la dimension des colonies formées après incubation et d'évaluer les effets rnasquants lors du

dénombrement. Les conditions d'incubation étaient les mêmes qu'au cours des autres

expériences.

L'étalonnage du collecteur a été effectué avec des biiles de latex monodisperses de 1.054,

2.096,4.00,4.92,5.6, 10.5 et 14 pm de diamètre. Le système de comptage automatisé donne la

concentration surfacique et l'efficacité de récupération est calculée à partir de cette dernière. Le

seuil de résolution du système de comptage limite la gamme de particules utilisables à 1 Fm et

plus. Toutefois, selon les dimensions connues des particules biologiques, seuls les virus se

retrouvent sous 1 rnicrom8tre (Bisson M., 1986). L'efficacité de récupération des étages a été

placée sur le graphique d'étalonnage du collecteur SPAL version originale (figure 4.5). On y

retrouve les points des essais du modèle biologique et les courbes moyennes d'efficacité du SPAL

original. L'efficacité des étages correspond bien aux courbes déterminées au chapitre 2 pour la

version originale. Les rapports des dimensions physiques ayant été conservés, nous ne nous

attendions pas à des changements dans les diamètres de coupure associés. Ainsi, les

modifications apportées au SPAL pour permettre i'échantillonnage de bio-aérosols, n'ont pas

provoqué de modification significative de son comportement aérodynamique. Les pertes sur les

murs ne devraient pas avoir changé de façon substantielle car le parcours emprunté par

l'écoulement d'air est à toute fin pratique Ie même que pour le modèle original. L'augmentation

de la dimension des espaceurs allonge cependant le parcours du passage cylindrique entre les

étages au centre du collecteur de 6 mm pour chacun des étages.

Cngc4 h g e 3 Cngc 2 étage 1

I . , m ' L U ' , i . ,

0,1 1 1 O

Diamètre aérodynamique (pm)

Figure 4.5. Graphique présentant les courbes d'efficacité du collecteur SPAL version originale et les points qui marquent la valeur des efficacités correspondantes pour le modèle biologique.

L'utilisation d'un système de comptage optique jumelé à des substrats de gélose

représente un élément novateur pour l'étalonnage des collecteurs de bio-aérosols. En effet,

ceux-ci sont étalonnés, selon les méthodes courantes, sur des substrats solides (Henningson et

Ahlberg, 1994) comme des feuilles d'aluminium, de polycarbonate, etc. Aucune spécification

quant au respect des distances orifice-substrat n'y est donnée pas plus que sur les différences des

propriétés collectrices entre les géloses et les substrats solides. Or, les géloses présentent une

adhérence accrue, semblable aux substrats couverts d'une substance adhésive. De plus, ces

milieux de culture s'affaissent au contact prolongé de l'air car ils s'assèchent. La distance entre

Ies orifices et la surface n'est donc plus constante.

Les résultats des essais comparatifs avec le collecteur Andersen sont regroupés sur le

figures 4.6a et 4.6b où les concentrations de macro-colonies sont présentées. Le

échantillonnages portant les numéros 1 et 2 ont été effectués avant le brassage et ceux portant le

numéros 3 et 4 à l'intérieur de cinq minutes après le brassage de la litière biornaîtrisee. Pou

chacune des expériences, il y avait deux collecteurs Andersen (1,S) et un SPAL. Malgré de

écarts relatifs de l'ordre de 20 % entre les différents appareils, les concentrations mesurée

concordent à I'intérieur des marges d'erreur 3 l'exception des échantillonnages 3 et 4 de la figur

4.6b.

1 2 3 4

Échantillonnage

Figure 4.6a. Densité de bactéries totales (UFC/m3) pour quatre échantillonnages effectués avec deux collecteurs de type Andersen et un collecteur SPALBIO.

h el

E

P 2 V) a - a C

O L.

V) a - L

2! O a n a rn 32 .- V) C a n

Figure

Andenen2 SPALBIO

1 2 3 4

Échantillonnage

Densité de moisissures totales (UFC/m3) pour quatre échantillonnages effectués avec deux collecteurs de type Andersen et un collecteur SPALBIO.

La quantification de la performance du collecteur SPALBIO a été faite à l'aide de la

définition du nombre relatif de survivants (équation 4-4). Les résultats du caIcul des Sr.i(r3:

(SPAL / Andersen 1 et 2 selon l'indice) sont présentés au tableau 4.1. Les cokctes avant (#1 el

#2) et après (#3 et #) brassage sont divisées à l'intérieur du tableau car les moyennes associées

different de façon significative selon un test de Student 'Y' avec un niveau de rejet à 0.05. La

moyenne (bactéries et moisissures) est de 1 .O4 avant le brassage (t=1.5 1 1 et p=U,O 174) et de 1.45

après le brassage (t=3.669 et p=0.008). Bien que les valeurs des S,, soient limitées par les erreurs

expérimentales produisant un résultat à 40% près (Lavoie et Lazure, 1994)' La concordance des

mesures indique une cohérence dans le fonctionnnement du collecteur SPALF3IO versus le

collecteur Andersen.

Les écarts importants pour les valeurs de S,, après le brassage s'expliquent par le

développement de colonies sur les étages 6 et 7 du collecteur SPAL. Ces étages récupèrent des

particules ayant des diamètres inférieurs au diamètre limite de 0.6 pm récupéré par le collecteur

Andersen. La fraction attribuable à ces étages représente en moyenne 22.3% du total des UFC

collectées par le SPAL. Les échantillonnages de moisissures présentaient les fractions

supplémentaires les plus importantes sur ces étages, et Ie maximum d'écart entre le SPALBIO et

les Andersen 1 et 2 était de 32.1% pour la collecte #3. Si les étages 6 et 7 sont ignorés lors des

calculs, la moyenne des S,, après le brassage diminue à 1.07 et le test "t" de Student ne

Tableau 4.1. Résultats de la comparaison SPAWAndersen pour le nombre de micro-organismes survivants relatifs pour 8 échantillonnages en milieu hautement

contaminé.

Bactéries Moisissures I 1

permet plus de confirmer que les moyennes (avant et après) sont différentes (t=2.277 et pa.057).

Ceci démontre que le comportement du SPALBIO est très similaire au Andersen dans la gamme

des dimensions communes aux deux collecteurs. Les résultats de cette étude comparative sont

excellents mais la valeur statistique en limite la portée. Toutefois, les corrélations entre les taux

de récupération ouvrent la porte à une étude plus approfondie des performances du collecteur qui

pourrait comporter une évaluation en laboratoire avec des bio-aérosols générés spécifiquement

ainsi qu'une étude en environnement plus poussée afin de corroborer statistiquement les résultats

d'une étude comparative.

Collecte

1

Les résultats des échantillonnages en milieu peu contaminé (laboratoire de physique

atomique et motéculaire) sont présentés au tableau 4.2. Les micro-colonies, ayant 40 pm de

diamètre et plus, soit deux fois la taille maximale des particules récoltées, se développent durant

la culture des micro-organismes et ne peuvent être observées qu'au microscope. Cette limite fut

S,, S d

1 .O2 1 .O7

S ~ I %O

1.12 0.94

adoptée pour éviter de compter des particules qui ne sont pas des micro-organismes. Les

développements atteignant 1 mm et plus en diamètre sont considérés comme des macro-colonies.

Les concentrations trouvées correspondent aux valeurs attendues pour de tels édifices soit

quelques centaines d'unités vivantes formées par mètre cube (Macher et al., 1991; Maainez et

al., 1988; Rahkonen et al., 1990). On observe, lors de la croissance des macrocolonies, que le

recouvrement limite le nombre de colonies dénombrabIes. De plus, plusieurs micro-colonies ne

terminent pas leur évolution vers les rnacro-colonies, elles sont ainsi ignorées du processus de

comptage macroscopique. Le nombre d'unités formant des colonies présenté au tableau 4.2 est

la valeur maximale atteinte au cours de la période d'incubation, avant le chevauchement des

colonies qui prennent de plus en plus d'expansion. Les rapports observés (environ 63%) entre

le nombre de colonies macroscopiques et le nombre total (micro+macro) pour une densité

surfacique d7UFC moyenne évalué à 48 UFC/cmZ sont du même ordre de grandeur que ceux

observés par Chang et al. (1995). Ceux-ci variaient entre 33% (20 UFC/cmZ) et 69% (60

UFC/crnz) selon la densité surfacique d'UFC lors des échantillonnages.

Tableau 4.2. Résultats des échantillonnages effectués à l'intérieur du laboratoire (somme de tous les étages du collecteur)

collecte macro-colonies maero+micro raPPO* durée de la collecte (UFCIrn3) (UFC/mSl (%) (heures)

Les figures 4.7 a, b et c présentent l'évolution temporelle de la culture des moisissures

pour les trois coIlectes effectuées au laboratoire. Le dénombrement était effectué à toutes les 5

heures (7 heures à deux occasions) sous le microscope pour les micro-colonies et visuellement

pour les macro-colonies. L'effet de recouvrement s'observe dans l'évolution du nombre total

d'unités vivantes qui passe par un maximum après une période d'incubation d'environ 24 hrs.

LR nombre de micro-colonies augmente au début car les spores de champignon germent et

atteignent progressivement la taille seuil de 40 Pm. Ce nombre diminue lorsque la taille du

Tarnps dlncubalion (hiuras)

(a)

Tamps dlncubatlon (heures)

(b)

Tarnps dlncubalion (houres)

(cl

Figure 4.7. Évolution temporelle du nombre de colonies de moisissures comptées pour les troii collectes (a, b et c) effectuées à l'intérieur du laboratoire.

développement dépasse le millimètre et qu'il est alors considéré comme une macro-colonie. Lx

recouvrement des colonies réduit le nombre total d'unités comptées et atteint un équilibre aprè!

72 hrs environ. La diminution du nombre total est causée par le chevauchement des micro.

colonies et le recouvrement de certaines macro-colonies par des développements démesurés dr

macro-colonies (jusqu'à 1.5 cm de diamètre). Ces résultats confirment les observations de Chan4

et al. (1995).

Les échantillonnages de longue durée (1 heure ou plus) ont provoqué une modificatior

de la surface des substrats. Le passage de l'air a asséché localement le milieu de culture de façor

proportionnelle à Ia surface couverte par la ou [es fentes selon Ie cas. Le tableau 4.3 montre les

surfaces balayées pour chacun des étages et la profondeur de rétraction du milieu associé

(épaisseur avant moins épaisseur après) mesurée à l'aide d'un micromètre. Les étages 6 et 7 ne

sont pas mentionnés sur le tableau car les milieux étaient trop altérés (asséchés et fendillés) pou1

être utilisables. De façon ce que le milieu conserve suffisamment de ses propriétés pou1

permettre la culture des micro-organismes, le temps d'échantillonnage limite est de 30 minutes

pour ces étages (à un débit de 20 Vrnin).

Tableau 4.3. Mesure des profondeurs de rétraction du rudieu de culture après des échantillonnages de longue durée.

Étage Profondeur Supertiae couveri (mm) par la fente

essai #1 essai #2 essai #3 moyenne normalisée ( c d ) (1.5 hr) ( 1 .O hr) (1.2 hr) ( m m m

1 0.25 0.18 0.22 O. 17 5.9

Les deux derniers échantillonnages, effectués sur Ies milieux de culture dilués à 25%

d'éléments nutritifs, ont produit des colonies de moisissures plus petites dû au manque de

nutriments. Ainsi, Ie recouvrement est presque nul, les macro-colonies ayant des diamètres

maximums d'environ 3 mm. Les figures 4.8 a et b montrent que le nombre total de colonies, qui

se développent plus lentement que lors des expériences précédentes, tend vers le nombre de

macro-colonies comptées. On pourrait croire qu'un milieu ainsi dilué pourrait permettre des

énumérations plus justes mais du point de vue micro-biologique, les espèces réagissent

Temps dlncubatlon (heureil

(a)

Temps dlncubatlon (heures)

Figure 4.8. Évolution temporelle du nombre de colonies de moisissures comptées pour deux colIectes (a et b) sur des milieux dilués effectuées à l'intérieur du laboratoire.

différemment à la pauvreté nutritive ce qui peut causer une ségrégation ou une énumération

inexacte si les conditions de culture ne respectent pas les minimums vitaux desdites espèces.

Chang et al. (1995) suggèrent d'ailleurs l'utilisation de milieux conventionnels avec des densités

surfaciques inférieures à la limite maximale admise nomdement pour le collecteur utilisé. Au

dessus de cette limite, le recouvrement altère la qualité du dénombrement (Nevalainen A. et al.,

1992).

DISCUSSION

Lors de l'étude comparative avec le collecteur Andersen, les micro-colonies ont été

dénombrées de la même façon que lors des échantillonnages en laboratoire et le nombre total

d'unités vivantes a grimpé en moyenne de 55%+7% par rapport au dénombrement traditionnel

de macro-colonies. Les résultats peuvent sembler invalider l'utilisation du dénombrement de

macro-colonies. Toutefois, il faut noter que les normes actuelles ont été établies d'après les

mesures relatives produites par les méthodes d'analyse. Étant donné que les valeurs absolues des

concentrations ne sont pas déterminables à l'aide de la technologie actuelle, les nonnes relatives

sont donc le meilleur moyen d'obtenir une mesure reproductible et fiable. L'énumération des

micro-colonies se rapproche un peu plus du nombre réel de micro-organismes. La quantification

8

absolue vis-à-vis cette technique peut être envisageable, quoique non sans dificultés technique5

dans un avenir prochain.

Le dépôt uniforme sur les substrats, jumelé au système d'imagerie, permet de mesurer un1

concentration surfacique maximale allant jusqu'à 120 UFC/cm2 pour chacun des étages lorsqu~

ce sont les microcolonies qui sont dénombrées. Par comparaison, une concentration inférieun

ou égale à seulement 25 UFC/cm2 est nécessaire pour garantir un minimum de recouvrement e

optimiser les résultats lors du dénombrement des macro-colonies. Les valeurs ont été déterminée,

à l'aide des résultats des échantillonnages effectués en milieu hautement contaminé. Le temp,

d'incubation doit être choisi de façon à obtenir le minimum d'altération (germes non développé:

et recouvrement) du nombre total de colonies. Le temps d'échantillonnage idéal peut être calculc

d'après la densité surfacique maximale permise et la concentration approximative anticipée dc

bio-aérosols dans l'air à échantillonner (p.ex. Nevalainen et al., 1992). La relation donnant 1;

densité de surface attendue est:

où 6 est la densité surfacique, C, est la concentration approximative de bio-aérosols dans l'air

Q est le débit volumique, A la surperficie de collecte et t le temps d'échantillonnage. II est donc

possible d'évaluer grossièrement le temps de collecte pour optimiser le rendement dt

l'énumération des unités vivantes formées selon le type d'environnement étudié. Les essai!

préparatoires représentent une solution alternative mais elles impliquent des délais d'au moini

48 heures si l'on dénombre des macrocolonies de bactéries (72 heures pour les moisissures) ci

qui n'est pas toujours possible.

CONCLUSION

Les modifications apportées au collecteur SPAL afin de le rendre compatible ave

l'échantii~omage de bio-aérosols ont maintenu les diamètres de coupure déterminé

expérimentalement aux mêmes valeurs que pour le modèle original. Les performances d

collecteur SPALBIO se comparent à celles du collecteur Andersen sur la base de résultats relatif!

La méthode d'énumération automatiske des micro-colonies a mis en évidence l'effet d

recouvrement des colonies ainsi que la sous-estimation d'environ 50% ou pIus du nombre rée

d'unités vivantes. Les collectes sur des milieux dilués ont montré que le recouvrement peut êtr

limité, voire éliminé, mais des contraintes biologiques restreignent la possibilité d'utilisation d

cette méthode. Les milieux de culture lors des échantillonnages de longue durée sont altérés e

ils se rétractent de 0.2 à 1.2 mmlheure selon l'étage du collecteur. Le temps maximur

d'utilisation, !imitant les altérations majeures pour les étages 6 et 7, a été évalué à 30 minute

pour un débit de 20 Vmin. Enfin, les différentes expérimentations ont permis de déterminer qus

la concentration surfacique optimale de micro-organismes sur les substrats afin d'obtenir le

meilleurs dénombrements possibles devrait être de 25 UFC/cm2 ou moins pour les macra

colonies. La densité surfacique maximale admissible grimpe à 120 UFC/cm2 lorsque 1'0:

dénombre les rnicrocolonies. Le temps d'échantillonnage requis pour des expérimentations peu

être évalué sommairement à l'aide de la concentration attendue de bio-aérosols et la concentratioi

surfacique désirée.

CHAPITRE 5

Analvse semi-auantitative de articules de sulfates produites en laboratoire à l'aide de la s~ectrosco~ie des ravons X par disuersion d'énervie.

INTRODUCTION

Les caractéristiques du dépôt d'aérosols fourni par le collecteur SPAL montrent qu'il est

possible d'obtenir une dispersion surfacique suffisante pour envisager des andyses de particules

individuelles. Des aérosols produits à partir de solutions de sulfates (fer, cobalt, cuivre, etc.) ont

fait l'objet d'études quantitatives par les techniques SIMS ("Secondary Ion Mass Spectrometrf'),

XPS ("X-ray PhotoeIectron Spectroscopy") et XRF ("X-ray FIuorescence") dans notre Iaboratoire

(Bad et al., 1995; Michaud et al., 1990; Guay, 1995; Zoro 1995). Les particules étaient alors

collectées et andysées sous forme d'amas. Le microscope électronique à balayage était

occasionnnellernent utiIisé pour vérifier la morphologie et l'homogénéité des particules. L'intérêt

et Ia possibilité avec le SPAL de déterminer la composition des particuIes sur une base

individuelle nous ont amené à l'évaluation de la technique EDXA (analyse des rayons X par

dispersion d'énergie) pour la quantification de la composition chimique de particules discrètes.

Nous présentons ici une brève revue de la théorie du rayonnement X résultant d'un

bombardement électronique. Par la suite, nous présentons un survol des methodes utilisées

couramment dans le domaine pour la correction des intensités des pics spectraux. La méthode

correspondant le plus il nos besoins fut implantée et vérifiée à I'aide de particules d'un sulfate de

magnésium. Le dégagement minimal autour d'une particule pour limiter les interactions avec les

particules avoisinantes lors des analyses fut aussi étudié.

Principes. Le bombardement des échantillons à l'aide d'électrons produit deux types

d'interactions: élastique ou inélastique. Les interactions élastiques s'effectuent principalement

avec les noyaux atomiques et !a trajectoire des électrons incidents est modifiée sans perte

d'énergie importante. Les électrons de ce type sont dits rétrodiffusés et ce sous un angIe variant

de O à quelques degrés mais typiquement de 5". Ces électrons donnent des informations sur Ia

densité atomique de la cible étant donné que le nombre d'électrons rétrodiffusés est fonction de

la dimension des noyaux bombardés. L'énergie incidente et l'angle d'incidence auront des effets

non négligeables sur Ia production de tels électrons. PIus l'énergie incidente sera grande, plus Ia

profondeur à laquelle se produiront les interactions sera importante. Pour ce qui est de l'angle

d'incidence, à mesure qu'on s'éloigne de la verticale, la zone d'interaction se déplacera plus près

de la surface de l'échantillon, et la quantité d'électrons rétrodiffisés augmentera.

Les interactions inélastiques quant à elles, produisent divers effets impliquant un transfert

d'énergie et une faible déviation de la trajectoire. Les électrons secondaires, les électrons Auger,

les rayons X et la cathodoluminescence représentent la majorité des interactions possibles. On

peut tirer de ces interactions un certain nombre d'informations reliées à la morphologie, Ia

structure cristalline, la composition chimique, la structure éIectronique, etc. Les électrons

secondaires proviennent de la cible et sont éjectés de la surface immédiate car ils sont faiblement

liés. La distribution en knergie possède une limite supérieure communément admise de 50 eV

mais la moyenne des knergies retrouvées est d'environ 3-5 eV. Cette faible énergie limite la

profondeur d'émission. Les électrons secondaires sont donc utilisés principalement pour

l'imagerie. Iis sont produits par les électrons incidents, donc très fortement concentrés près du

faisceau, et la résolution de l'imagerie sera équivalente au diamètre du faisceau. L'effet de la

densité atomique (plus communément appelé effet du numéro atomique moyen 2) est peu

important pour les éléments purs et lourds, mais dépend aussi des liaisons chimiques et de

l'orientation cristaI!ographique du solide. Pour ce qui est de l'angle d'incidence, les électrons

secondaires en dépendent grandement: par exemple, sur une surface irrégulière, les pentes

apparaissent plus claires parce qu'une incidence oblique augmente la probabilité d'éjecter des

électrons secondaires.

Le rayonnement X provient aussi des interactions inélastiques des électrons avec la

matière. La décilération des électrons incidents dans le champ coulombien produit un

rayonnement (bremsstrahlung) équivalent à la perte d'énergie. L'énergie du rayonnement s'étend

de O à la vaieur de la tension d'accélération du faisceau incident. L'intensité de ce rayonnement

augmente avec le Z moyen de ta cible car le champ coulombien augmente. Sur le spectre, le

rayonnement du fond continu est concentré aux faibles énergies car la probabilité d'interaction

pour un électron à ces énergies est plus grande peu importe le matérie1 sondé.

Un autre type de rayonnement X est produit lors d'interactions inélastiques qui se

traduisent par l'excitation d'un atome composant la matrice (la cible). Il y a par Ia suite relaxation

de l'état d'excitation soit par Ie déplacement d'un électron vers l'orbitale laissée vacante soit par

I'émission d'un 4ectron Auger. Lors du premier cas, il y a émission d'un rayonnement X

caractéristique de l'atome qui subit la désexcitation. Les orbites correspondent à des niveaux

d'énergie bien précis de sorte que l'on peut identifier l'atome émetteur. La quantité des rayons

X qui atteignent le détecteur differe cependant de la quantité initialement produite par le passage

des électrons car les rayons peuvent être absorbés avant de sortir du solide. Cette absorption est

caractéristique du matériel composant Ia matrice et est déterminée par le coefftcient d'absorption

massique des éléments. Un autre phénomène lié à l'absorption peut modifier le spectre du

rayonnement: il s'agit de la fluorescence secondaire. Les rayons X excitent un autre atome et, Lori

de la désexcitation, il y a émission d'un nouveau rayon X, d'énergie plus faible, caractéristique

de l'atome nouvellement excité.

Cas de surfaces planes. Plusieurs artéfacts modifient le spectre résultant d'un bombardemen

électronique. Pour effectuer des mesures quantitatives, il faut corriger les intensités dc

l'échantillon pour trois interactions principales. Le modèle de correction ZAF classique oi

conventionnel traite séparément les trois interactions. En premier Iieu, l'absorption (A) de!

radiations X primaires est plus ou moins forte selon les matériaux présents. La méthode dc

correction pour ce paramètre est fondée sur une représentation simplifiée de la distribution @(pz:

du rayonnement engendré en profondeur en fonction de pz [mg/cm2] la profondeur d'ionisatior

(p est la densité et z la profondeur) (Scott et Love, 1992). Le terme est une representation de 1:

section efficace d'ionisation de Ia matrice qui tient compte des matériaux et de l'énergie incident€

des électrons. Deuxièmement, la fluorescence secondaire (F) modifie elle aussi le rayonnemeni

émergeant de la surface. Elle est définie comme la contribution (I,,) à l'intensité de la raie d'un

élément j due à la présence d'un élément k pour n éléments k possibles. Sous forme d'équation

cela donne:

où Fj est la fluorescence produite à l'énergie correspondant à la raie de l'élément j et Ij l'intensité

caractéristique totale enregistrée pour l'élément j (Reed , 1975). Finalement, la correction de

numéro atomique (Z) tient compte de la diffusion des électrons dans l'échantillon en fonction de

la densité atomique moyenne. Elle est exprimée par l'équation suivante (Scott et Love, 1992):

où 11s est l'expression d'une loi serni-empirique de ralentissement des électrons, en

remplacement de la loi de Bethe (Pouchou et Pichoir, 1986), et R le facteur de rétrodiffusion des

électrons.

La quantification de la composition élémentaire d'un échantillon fait appel à des étalons

se rapprochant le plus possible de la composition du matériel inconnu. Toutefois, des méthodes

de simulations num6riques permettent des analyses sans &dons (moyennant une perte de

précision d'un facteur deux environ). La qualité de telles analyses ainsi que leur reproductibilité

sont optimisées lorsque les échantillons présentent une surface plane et bien polie de façon à

contrôler un maximum de variables physiques qui pourraient entraîner des variations complexes

ettou difficiles ài pararnétriser. Ces conditions de surface produisent, avec des étalons valables,

une sensibilité de détection de l'ordre de 100 ppm pour un numéro atomique supérieur à 22,lûûû

ppm pour un numéro atomique compris entre 10 et 22 et O. 1% à 1% pour les numéros atomiques

inférieurs à 10.

Le volume d'interaction lié à la composition de la matrice, paramètre corrigé par 2, est

une fonction de la tension d'accélération des électrons incidents, du matériel composant la

matrice et de l'angle d'incidence. De Façon à visualiser l'effet des différents paramètres, on

utilise le cas idéal (surface plane polie) évalué par une simulation de Monte Carlo. La figure 5. la

présente l'augmentation de la profondeur (et du volume) d'échappement des rayons X et de

pénétration des électrons en fonction de l'énergie du faisceau incident. À un angle d'incidence

différent de la nomaie, le volume d'interaction se déforme et se rapproche de la surface (figure

5.1 b). Le nombre atomique moyen du matériel composant la matrice réduit de façon inversement

proportionnelle la pénétration des électrons et du même coup le volume de production des rayons

X tel que présente à la figure 5. lc.

td \v ELmFm X-RAY

COPPER

Figure 5.1. Effets (a) de l'énergie incidente, (b) de l'angle d'incidence et (c) du matériel composant la matrice sur le parcours des électrons. Reproduction de Maurice (198 1).

Cas des particules. Les problèmes liés a l'analyse des surfaces rugueuses et des particul!

proviennent du volume d'interaction qui peut varier selon des circonstances non prévisibles. E

particutier, pour les particules, la position du faisceau sur une particule influence grandement

région d'interaction. Dans certains cas, celle-ci peut même se retrouver en grande partie

l'extérieur de la particule. Les effets observés avec une surface plane (figure 5.1) s'applique

égaiement aux particules et plusieurs scénarios sont envisageables selon l'endroit où le faisca

fiappe. Le schéma de la figure 5.2.a présente une particule où le faisceau interagit entièreme:

dans cette dernière, un cas idéal. La position du détecteur de rayons X caractérisera le parcou

a traverser pour le rayonnement et l'on peut aisément concevoir que l'absorption et

fluorescence secondaire seront modifiées selon la position adoptée. Les formes irrégulières dc

particules peuvent entraîner des interactions plus ou moins complexes produisant des zones (

Faisceau incident

Figure 5.2. Schéma de trois différentes possibilités d'interaction électrons-particule,

rayonnement non homogènes comme l'illustre la figure S.2.b. De plus, pour de très petite;

particules ou pour des matériaux légers, les électrons peuvent traverser de part en part Ia particulc

(figure 5.2.c) et interagir avec le substrat, produisant un fond et des émissions caractéristique

différents de ceux de la matrice. Toutes ces possibilités entraînent des variations importante;

limitant la quantification.

Différentes méthodes de correction doivent donc être appliquées pour réduire les artéfacti

lors de l'analyse de particules. Trois méthodes principales ont été développées et continuen

d'être peaufinées pour améliorer la qualité des analyses. Premièrement, la méthode Z N

conventionnelle (Maurice, 1981) peut être modifiée spécifiquement pour application à de!

particules. La correction de Armstrong (1988) par exemple, tient compte de la morphologie de!

particules par des approximations de formes (sphérique, cyIindrique, etc.) pour lesquelles on peu

calculer un coefficient d'absorption massique 4 selon trois axes x, y et z. La qualité des résultat!

obtenus avec cette correction a été vérifiée par Stonns et al. (1989). Cette étude conclut qut

lorsque les résultats de l'analyse élémentaire sont normalisés à lm%, l'erreur est de l'ordre dt

6% pour les composés principaux comparativement à 30 % pour la méthode ZAE

conventionnelle. Une autre correction ZAF pour particules, sans étalon, proposée par Van Born

et Adams (1991) donne des erreurs de moins de 10 % pour des éléments moyens et lourds alor:

que des erreurs significatives surviennent uniquement pour des éléments ayant un faible Z ou une

concentration massique infériecre à 10%.

La deuxième méthode est une correction qui fait intervenir une simulation de Monte Carlc

pour différents modèles de particules se rapprochant de formes géométriques simples. Ho et al

(1987) ainsi que Lankosz (1992) ont développé des modèles qui présentent des résultat:

légèrement supérieurs à la méthode ZAF conventionnelle pour des particules de dimensior

supérieure à 1 Fm.

La troisième méthode employée est celle du rapport pic sur fond continu (PtB) telle qur

proposée originellement par Statharn (1979). Small et al. (1991) ont appIiqué la méthode aur

particules et les résultats ne furent pas probants pour la quantifcation, n'atténuant que légèrement

les fluctuations entre les particules d'un composé standard. Cette dernière méthode fut améliorée

par Làbàr et Torok (1992) qui ont développé une technique de calcul sans étalon avec une

correction pour la dimension des particules. Les résuItats sont à l'intérieur de 10% pour les

composés principaux mais pour ce qui est des composés mineurs, l'erreur est parfois très

importante (>100%). Trincavelli et Van Grieken (1994) ont proposé un autre modèle PA3 qui

donne des résultats comparables à la méthode de Làbàr et Torok pour toutes les dimensions des

particules analysées. L'erreur serait de moins de 7% pour les composés principaux et de l'ordre

de 100% pour les composés mineurs (moins de 10% de la masse totale).

Méthode utilisée. Nous avons choisi d'implanter la méthode de Trincavelli et Van Grieken car

elle procure de bons résultats à partir de calculs simples et rapides. Les analyses peuvent être

effectuées sans étalon et la méthode est généralisée pour toutes les morphologies de particules

rencontrées. L'équation principale qui gouverne la méthode est:

où Ci est la concentration massique relative de l'élément i, Pi et Bi sont respectivement l'intensité

du pic et du fond continu à la raie i, f decrit l'intensité du brernsstrahiung comme une fonction

du numéro atomique moyen 2, de l'énergie incidente E, et de l'énergie Q de la raie i. Z est la

correction pour Ie numéro atomique proposée par Riveros et al. (1992), F est la correction pour

la fluorescence secondaire de Reed (1965) (pour les particules de quelques Fm, F= 1 car les rayons

X ne rencontrent que très peu de matériel avant d'atteindre le détecteur), o est la fluorescence

produite à la raie indiquée et (fr) est la fraction du niveau (intensité) observé par rapport à tous

les autres niveaux du même groupement (raies de type K, L. etc.). La fonction décrivant le

bremsstrahlung, f, est représentée par une équation empirique (Reed, 1975). L'implantation de

cette méthode a été effectuée en langage C++ dont le code source est présenté à l'annexe C après

l'expression détaillée des équations. Le programme réalisé ne comporte pas de banque de

92

données relative aux caractéristiques atomiques des éléments. Il n'a été utilisé qu'à des fin5

d'essais.

Les aérosols de référence ont été produits à partir de sulfates solubles dans l'eau. L

fabrication de ces particules a été effectuée à l'aide d'un nébuliseur de type DeVilbis et di:

montage décrit au chapitre 2. Les solutions utilisées étaient faites d'un ou de plusieurs sulfatez

selon les besoins de I'expérience. Les aérosols ont été récoltés sur des filtres de polycarbonate

et des feuilles d'aluminium placés à I'intérieur du colIecteur SPAL. La composition chimique

des filtres limite au mieux la présence d'éIéments qui pourraient contaminer Ie signal provenani

de l'échantillon contrairement au papier d'aluminium qui impose ses raies caractéristiques lor~

des analyses. Les substrats de polycarbonates ont été découpés et placés sur des pastilles de

graphite qui servaient de support à I'intérieur du microscope électronique à balayage. Le:

supports conventionneis en laiton ont été utilisés pour les substrats d'aluminium.

Un microscope électronique à balayage modèle JSM-840-A (JEOL, Peabody, MA) fui

utilise pour les analyses de particules. Un spectromètre de rayons X, Northem 5400 (Northem.

Middleton, WI), muni d'un dktecteur au germanium de haute pureté placé à 30" par rapport à lz

normale de la surface de l'échantillon, fut utilisé pour récolter les spectres. Les analyses semi-

quantitatives sans standard (correction ZAF conventionnelle), automatisées ou non, ont été

effectuées à l'aide du logiciel FX-85 de la compagnie Northem. Lors des analyses EDXA, lz

tension d'accélération des éIectrons incidents était de 10 keV. Le faisceau était focalisé au centre

de la particule étudiée avec le grossissement maximum (300000 X) pour une durée d'acquisitior

de 120 secondes. La couche conductrice employée sur les substrats de polycarbonate étai1

composée de carbone. Pour les substrats d'aluminium, des dépôts de carbone et d'or-pdladiurr

ont été utilisés.

Les premiers aérosols fabriqués ont été produits à partir de sulfate de magnésium et 11

analyses correspondantes avaient pour but de retrouver les proportions relatives de Mg et S

l'intérieur des aérosols en tenant compte de la dimension des particules utilisées. Par la suite, no1

avons préparé des aérosols à partir d'un mélange équimolaire de sulfates (Fe, Cr, Co) pour ur

analyse semi-quantitative des spectres mais des difficultés particulières au cobalt (fluorescent

secondaire perturbant le signal du fer) nous ont contraint à une analyse quditative uniquemen

De plus, ces sulfates ont été utilisés individuellement pour produire des dépôts successifs sur u

même substrat, permettant ainsi l'évaluation de la contamination du spectre d'une particule pi

celtes qui sont à proximité. Un autre mélange équimolaire de sulfates (Co, Cu, Mg) a été prépai

pour produire des aérosols utilisés pour comparer les méthodes ZAF conventionnelle et P/B. Lc

produits chimiques (FeS0,.7H,O, CrS0,.7H20, CoS0,.7H20, CuSO,.SH,O, MgS0,.7H2C

étaient tous classés "réactif ACS".

Les particules de sulfate de ma~nésium ont une forme sphérique presque parfaite tel qi:

montré sur la photographie de la figure 5.3 prise au microscope électronique à balayage. LI

composés élémentaires d'intérêt sont le magnésium et le soufie. L'oxygène dans les sulfatc

présente un problème de quantification car le composé récolté peut posséder plusieurs niveau

d'hydratation non connus; de plus, la quantification de l'oxygène, un élément léger, pose souvei

des difficultés d'analyses en EDXA et il est généralement obtenu par différence (Maurice, 198 1

Le composé de base étant MgSO,, la proportion massique relative du Mg par rapport au S, i.'

Mg / Mg+S, est théoriquement de 0.433 (ou 0.567 pour le S).

Figure 5.3. Photographie de particules de sulfate de magnésium prise au microscope électronique à balayage.

Nous avons analysé 64 particules de diamètres variant entre 0.2 et 10 Pm. Les résultats

des compositions massiques en fonction du diamètre sont présentés à la figure 5.4. Les résultats

pour les particules de diamètre supérieur à 1 pm se rapprochent plus de la valeur attendue. La

moyenne pour la proportion massique du magnésium est de 0.425 ( 0.575 pour soufre). Avec un

écart-type relatif de 8.2% les points dispersés autour de la moyenne ne présentent apparemment

pas de distribution particulière. Ceci correspond bien à la dispersion attendue qui, seton

Trincavelli et Van Grieken (1994), est due à la combinaison du point d'entrée du faisceau sur la

particule et de la position de cette dernière par rapport au détecteur de radiation.

Diamètre des particules (pm)

Figure 5.4. Compositions massiques relatives du Mg par rapport au S déterminées expérimentalement en fonction du diamètre des particules étudiées. La ligne pointillée est la valeur théorique attendue.

Pour ce qui est des particules de diamètre inférieur à 1 Fm, les résuItats s'éloignent un peu

plus des valeurs attendues soit 0.394 et 0.606 pour Mg et S respectivement. L'écart type relatif

est de 9.0%. La qualité des mesures de proportion massique pour ces particules est altérée par

le fait que la majeure partie du faisceau traverse la particule et interagit avec le substrat.

L'approximation suivant laquelle Ie signal de fond produit par le substrat est négligeable lorsque

le numéro atomique moyen de la particule est de beaucoup supérieur à ceIui du substrat, proposée

par Trincavelli et Van Grieken, ne tient pas ici. Bien que le substrat et le support soient de

carbone (Z très petit), l'intensité du bremsstrahiung en est fortement influencée. Le rapport P/B

est donc modifié et ce de façon non proportionnelle sur l'ensemble du spectre (Trincavelli et Van

Gneken, 1994), les éléments les plus légers étant le plus fortement influencés. Le rapport PB du

magnésium diminue pour les petites particules malgré le fait que les intensités du pic et du fond

continu doivent théoriquement varier de façon proportionnelle, les volumes de matériel sondé

étant proportionnels. L'augmentation de la vaIeur du fond continu sous le pic d'intérêt produi

la variation du rapport PB. Les figures 5.5 a et b illustrent le phénomène. Le spectre de 1;

particuIe P26 ayant un diamètre de 0.5 pm présente une très forte intensité pour le carbone pai

rapport aux autres pics. Le fond continu correspondant est donc modifié. Sur la figure 5.5b le

signal de carbone est du même ordre de grandeur que pour les autres composés de la particule P44

de 10 Pm de diamètre. Les fonds continus sous les pics de Mg pour les deux spectres sont dc

même ordre de grandeur tandis que l'intensité maxirriale varie, causant une modification dc

rapport PB qui est de 3.06 et de 3.27 pour les particules P26 et P40 respectivement. À première

Figure 55. Spectre des rayons X en énergie pour des particules de sulfate de magnésium de 0.1 pm de diamètre en (a) (particule P26) et de 10 pm de diamètre en @) (particule P40).

vue, le soufre semble sousmis à des variations plus importantes d'intensité mais si l'on observc

le rapport PB, on retrouve des valeurs semblables soit 3.23 et 3.27 pour les particules P26 et P4C

respectivement. L'hypothèse selon laquelle l'intensité du fond continu varie proportionnellemeni

à l'intensité du pic tel que proposé par Statham (1979) est donc vérifiée ici.

La production de particules de sulfates individuels récoltées sur le même substrat en trois

collectes successives a donné des densités surfaciques de l'ordre de 1 particule par 200 pm2, i.e

1 par carré de 15 pm d'arête. Pour fins de comparaison, un mélange équimoIaire de sulfates de

Cr, Co et Fe a été produit. Les spectres des particules du mélange présentent des intensités dt

même ordre de grandeur pour les trois composés (figure 5.6.a). Pour une particule isolée

provenant d'un sulfate pur, le spectre correspondant montre une composition épurée nt

comportant que les pics caractéristiques de ce composé (figure 5.6.b). Si des particules d'un

autre composition se retrouvent à proximité, leurs pics caracti5ristiques apparaissent aussi sur 1

spectre, avec des intensités non prévisibles. Ii n'est plus possible alors de différencier le

éléments constitutifs de chacune des particdes avec précision et, par le fait même, de détermine

la quantité des éléments présents. La photographie #20 de la figure 5.7 montre un dépôt d

sulfates individuels de Cr, Co et Fe pour lequel on retrouve des contaminations de signaux due

à la proximité des particules. Les particules identifiées 132 et 133 sont juxtaposées l'une

l'autre; leurs spectres apparaissent à la figure 5.8 a et b. Les pics respectifs de Co et de Fe sor

Figure 5.6. Spectre des rayons X en énergie pour une particule faite à partir d'un mélange d sulfates de Cr, Co et Fe en (a) et spectre des rayons X en énergie pour une particule de sulfate d Co en O>).

Figure 5.7. Photographie d'un dépôt successif de particules provenant de trois sulfates distincts (Cr, Co et Fe).

comparables en intensité (et sur chaque spectre) même si la composition de chacune des

particules est théoriquement unique. Le signal reçu n'est donc pas représentatif de La particde

analysée. Pour un espacement de 2.5 pm entre deux particules (figure 5.7, particules 136 et 137),

le phénomène est moins prononcé, la contamination étant de l'ordre de 25 % selon les intensités

spectrales. Le spectre de la particule 137 (figure 5.9a) présente un signal de fer provenant de la

particule voisine dans une proportion supérieure à la contamination inverse, i.e. supérieure à la

contribution du signal de cobalt sur le spectre de la particule 136 (figure 5.9b). Ceci s'explique

par la fluorescence secondaire qui est possible seulement pour des niveaux d'énergie inférieurs;

ici la fluorescence du cobalt augmente le signal total du fer. La photographie #24 de Ia figure

5.10 montre respectivement les particules 23 1 et 232 de sulfate de Co et de Mg distantes de 5 Pm.

Les spectres enregistrés (figure 5.1 1 a et b) ne présentent aucune trace de contamination. Des

résultats similaires ont été trouvés par Gitlin (1974) à savoir que le signal provenant de particules

d'argent représentait moins de 1 pour cent du signal total (du substrat) A 3 Fm du rebord d'une

particule de 5.6 Fm.

Les spectres de la figure 5.1 1 présentent des pics d'Au et de Pd car le dépôt de conducteur

était composé de ces éléments. Lors d'analyses quantitatives, ces éléments peuvent introduire des

artéfacts supplémentaires qui pourraient être évités en utilisant un dépôt de carbone. De plus, les

substrats d'aluminium introduisent un pic d'une telle intensité que les raies voisines (par exemple

le Mg) sont inutilisables tant pour la quantification que l'identification. Ii est de mise d'utiliser

alors des substrats composés d'éléments légers, tels les filtres de polycarbonate, pour limiter ces

altérations du spectre des particules.

Figure 5.8. Spectre des rayons X en énergie pour les particules (a) 132 et (b) 133 de la figure 5.7.

Figure 5.9. Spectre des rayons X en énergie pour les particules (a) 136 et (b) 1 37 de la figure 5.7.

Figure 5.10. Photographie d'un dépôt successif de particules provenant de trois sulfates distincts (Cu, Co et Mg).

Figure 5.11. Spectre des rayons X en énergie pour les particdes (a) 23 1 et (b) 232 de la figurt 5.10.

Nous croyons qu'une distance de 5 pm entre les particules permet de réduire au rninirnun

la contamination des spectres par les émissions caractéristiques des particules environnantes. L

collecteur SPAL permet des dépôts étalés sur une grande surface ce qui permet d'obtenir de

densités sufaciques de l'ordre d'une particule par 25 pm2. Il est possible d'utiliser deux débits

10 ou 20 Vrnin, pour adapter l'échantiilonnage à la densité particulaire de l'aérosol à récolter. Dc

plus, la vitesse de rotation des plateaux porte-substrat est modifiable donnant ainsi une option dc

plus à l'utilisateur pour qu'il puisse atteindre la densité surfacique optimale pour l'analyse dc

particules individuelles.

La préparation d'aérosols provenant d'un mélange de sulfates (Cu, Co, Mg) en proportion:

atomiques égales de 1/3 pour chacun des éIéments a été réalisée avec le montage du chapitre 2

Les proportions massiques relatives ont été cakulées à I'aide de la technique conventionnelle

ZAF appliquée sur place aux spectres recueillis (programme FX-85). 80 particules de diamètre:

variant entre 1 et 12 pm ont été analysées à I'aide du système automatisé. Les valeurs moyenne:

ainsi que les écarts types relatifs (ETR) des analyses sont présentées au tableau 5.1. Les écart!

types sur Ia valeur moyenne avec la méthode ZAF vont de 34.5% à 41.3%. Ces valeur!

correspondent bien aux observations qu'Armstrong (1988) avaient effectuées à l'effet que 1:

méthode ZAF conventionnelle produisait des incertitudes de l'ordre de a0 % pour des particule!

allant de 1 à 30 Pm de diamètre. La méthode P/B que nous avons implantée a produit dt

meilleurs résultats soit 12.3% à 15.6% d'kart type relatif. Les variations excèdent cependant di,

pourcent, phénomène observé par Trincavelli et Van Grieken pour les éléments dits mineur:

(moins de 10 % de Ia masse totale). Les écarts types pour le mélange sont en effet plus élevés

II Tableau 5.1. Valeurs rnoyetmes des pruportions massiques relatives pour les méthode I I de corrections ZAF conventionnelle et Pm.

II ZAF P/B 1 théorique I

II éIément 1 proportion ETR 1 proportion ETR 1 proportioi 1 1

102

en comparaison avec un sulfate unique (ET' = 8.2% pour MgSO, pur) car la fraction massique

de chacun des éléments est inférieure à 10% ce qui en fait effectivement des composés mineurs.

Le magnésium présente Ies écarts les plus importants quelque soit la méthode employée

confirmant ainsi la difficulté propre à la technique EDXA à traiter les éléments légers et ce

conformément à la théorie.

CONCLUSION

La théorie associée à l'analyse de particules individuelles au microscope électronique à

balayage a été présentée de façon à mettre en évidence les difficultés relatives à ce type

d'analyses. Une méthode de correction a été implantée et vérifiée avec des aérosols de sulfates

fabriqués en laboratoire. Les résultats obtenus donnent les compositions massiques relatives avec

un écart type d'environ 13%, ce qui se compare à ceux de Trincavelli et Van Grieken (1994).

D'autres aérosols ont été produits pour évaluer la dispersion minimale des aérosols sur une

surface de façon à éviter toute contamination provenant des particules avoisinantes. Pour les

sulfates que nous avons utilisés, une distance de 5 prn semble éliminer la totalité des signaux

parasites. Le collecteur SPAL est en mesure de fournir les densités surfaciques nécessaires 5

l'analyse des particules individuelles sans contamination mutuele des spectres individuels.

Analvse de uarticules de sulfates ~r0duitES en laboratoire au moven de la suectrosco~ie p hoto-acoustiaue FTTR-SPA.

Les techniques d'analyse d'aérosols utilisées dans notre laboratoire (SIMS, XPS, EDXA

et XRF) telles que mentionnées au chapitre précédent donnent des informations sur les éléments

constitutifs des particules et, pour Ia technique XPS, quelques indications sur la nature chimique.

Toutefois, les composés complexes peuvent exiger l'emploi d'autres techniques ou une

combinaison de techniques. Les méthodes chimiques conventionnelles nécessitent des quantités

de matériel bien supérieures à celles des aérosols que l'on peut récolter avec un SPAL sur de

courtes périodes d'échantillonnage (quelques heures). À l'opposé, l'utilisation de la

spectroscopie d'absorption infrarouge FTIR permet de mesurer des quantités telles qu'il est

possible d'analyser une particule à la fois (Kellner et Malissa, 1989, Allen et al., 1994). Dans les

études de Kellner et Malissa, la mesure de l'absorption était effectuée en transmission à travers

les aérosols récoltés sur des substrats transparents à l'infrarouge (par exemple: pastille de B r ) .

Les problèmes liés à ce type d'analyses, telles la diffraction et l'opacité des composés au

rayonnement, provoquent des difficultés d'andyses propres à certains échantillons.

101

Nous avons entrepris d'évaluer les performances d'une autre méthode de détection dc

I'absorption FTIR soit Ia spectroscopie photo-acoustique (SPA). Cette méthode ne nécessite pa

de préparation particulière d'échantillons et possède des caractéristiques qui sont compatible,

avec l'analyse de particules. Les effets produits par la rugosité de Ia surface et la diffractioi

influencent peu les spectres résultants étant donné que la détection fait appel à des phénomène;

non radiatifs. De plus, des corrections simples peuvent remédier aux différences ainsi créée:

(Dittmar et ai., 1994, Monchalin et al., 1984). Nous avons tend, dans un premier temps

d'utiIiser les substrats conventionnels de feuille d'aluminium, de polyester et de polycarbonatc

qui sont compatibles avec les différentes méthodes d'analyses et de pesée utilisées à l'universitc

Lavai pour l'étude des aérosols. La recherche avait pour but d'évaher le potentiel d'utilisatioi

des substrats conventionnels bien qu'ils ne représentent pas nécessairement les matériaux idéau~

pour ce genre d'analyses. Par la suite, nous avons procédé à quelques essais sur pastilles de KE3

(matériel typique et transparent pour les analyses dans l'infrarouge) pour évaluer la qualité der

mesures en paralIèle avec les résultats obtenus pour les autres substrats. Le schéma de la figurr

6.0 présente les différentes méthodes explorées lors des analyses. D'abord, l'emploi du balayagr

continu produit des spectres infrarouges conventionneIs. Les substrats utilisés possédaient de:

1 FTIR-SPA /

spectres IR conventionnels mise en évidence du signal provenant de la surface

détection synchrone

Figure 6.0. Schéma présentant les différentes méthodes utilisées lors des analyses des particules à t'aide de la technique FTIR-SPA.

I variation de la vitesse 1 / de balayage 1

I 1 I

absorptions fortes qui masquaient les pics propres aux particules en surface. On a donc utilisé

deux méthodes pour tenter d'améliorer la qualité des spectres des particules, soit la détection

synchrone et la variation de Ia vitesse du balayage.

Le présent chapitre est composé d'une partie théorique présentant les phénomènes de base

de la spectroscopie photo-acoustique qui sont nécessaires à la compréhension des résultats

obtenus lors des expérimentations. À l'intérieur de cette section portant sur la théorie, nous

présentons de façon particulière l'utilisation de la détection synchrone pour isoler le signal

provenant de la surface des échantillons. La description du matériel et des manipulations

effectuées lors des analyses suit la partie théorique. Les résultats des analyses conventionnelles

FI'IR-SPA sur les sulfates de référence, utilisés pour produire les aérosols, sont ensuite présentés.

Les mesures effectuées à l'aide de la détection synchrone sont présentés subséquemment. Une

discussion sur les résultats obtenus ainsi que sur les possibilités d'utilisation de la technique

FTIR-SPA appliquée aux aérosols termine la présentation des résultats.

Principe de base. La production d'un signal photo-acoustique (PA) est présentée

schématiquement à la figure 6.1. L'intensité d'un flux de lumière dirigé vers la surface d'un

échantilion est modulé à une fréquence sonore (généralement de 1 à 5000 Hz). Le faisceau

lumineux est absorbé selon l'absorptivité P (taux d'absorption du matériel [cm-']) pour une

longueur d'onde donnée (A). La radiation absorbée par le matériel est transformée, au moins en

partie, en chaleur par des phénomènes non radiatifs. Étant donné que l'intensité de la source

lumineuse varie dans le temps, la chaleur sera conséquemment modulée elle aussi sous forme

d'ondes thermiques. Ces ondes qui se déplacent à travers l'échantillon sont atténuées par les

propriétés thermiques du matériel composant l'échantillon. L'amplitude des ondes thermiques

qui atteignent la surface est caractéristique de la profondeur de diffusion thermique (distance

que l'onde parcourt avant d'être atténuée d'un facteur l/e [cm]). La température de la surface

sera modulée selon l'absorption et la diffusion thermique du matériel pour les différentes

longueurs d'ondes du faisceau incident, Le gaz environnant sera, à son tour, chauffé, produisant

ainsi des variations de pression (onde sonore) qui seront captées par un microphone.

Malgré le fait que le phénomène de base fut compris par Alexander G. Bell il y a pIus de

100 ans (1880)' le traitement théorique formel ne date seulement que du milieu des années

soixante-dix. Rosencwaig et Gersho (1976) ont démontré que pour des échantillons opaques de

dimensions supérieures à la longueur d'onde thermique, 2~cp, la surface éclairée par le faisceau

incident présentera une modulation de temp6rature. Cette modulation de la température de la

surface résulte en la production d'une onde acoustique externe dans le milieu environnant qui

peut être détectée par un microphone ou tout autre transducteur approprié. Le signal que doit

enregistrer le microphone est mis en évidence en isolant l'échantillon et le microphone dans un

boîtier étanche (cellule photo-acoustique), à fenêtres transparentes à l'infrarouge, ayant un volume

minimum et des conditions acoustiques favorisant la transmission du signal de l'échantillon au

détecteur.

/\ Microphone

lere khantillon

Atténuation

Onde thennique amortie

Lumière Chaieur Pression - Onde modulée moduIée modulQ - sonore --- ---- - -

Figure 6.1. Schéma représentant le processus fondamental de la génération d'un signal photo-acoustique.

L'intensité d'un signal PA dépend des propriétés optique et thermique de l'échantillon tel

que montré à la figure 6.2. Pour une valeur de Pp inférieure à 0.1, l'amplitude est pratiquement

nulle et aucune information ne peut être obtenue sur l'échantillon dans cette région. Cette limite

marque Ie début d'une dépendance Iinéaire de l'absorption en fonction des propriétés Pp sur une

plage de valeurs allant jusqu'à 10. Cette région est suivie par l'arrivke progressive de la

saturation (Amplitude = 1) qui représente l'amplitude de modulation de température maxirnde

pour le matériel sondé à une longueur d'onde incidente et une fréquence de modulation données.

La phase du signal par rapport à la modulation imposée (sans tenir compte du déphasage

instrumental) possède le même profil que l'amplitude. Sous la limite de saturation, le signal PA

en fonction de la longueur d'onde est proportionnel au spectre d'absorption de I'échantilon

(Rosencwaig, 1980). Par exemple, si l'absorptivité P est très grande, l'amplitude de I'onde

sonore atteindra rapidement sa valeur limite et elle ne sera plus proportionnelle au niveau

d'absorption. D'une autre façon, si la profondeur de diffusion p est grande, l'amplitude sera

composée des contributions d'une plus grande quantité de matériel provenant de couches

profondes causant ainsi la saturation. La limite pratique de saturation pour un signal PA est

supérieure à celle de la spectroscopie en transmission. Ceci découle de la nature même du

phénomène photo-acoustique, à l'effet que seule la radiation absorbée est détectée. La lumière

n'a pas besoin d'être transmise (ou réff échie, ou émise); seule l'absorption est nécessaire et une

dégénérescence non radiative (dans le cas présent: transformation de lumière en chaleur). Par

exemple, pour un échantillon donné, la chaleur produite par l'absorption contribuera au signal

jusqu'à ce qu'elIe provienne d'une profondeur supérieure à p. L'atténuation de l'onde thermique

limite la profondeur sondée à cette distance. Ainsi la saturation est causée par l'absorption

complète de la lumière incidente avant d'atteindre Ia profondeur de diffusion thermique p. La

SPA est presque essentiellement une spectroscopie d'excitation à dégénérescence non radiative

et de ce fait elle peut donner des détails spectraux très utiIes même pour des substances opaques,

difiactantes et/ou non réfléchissantes. Les spectres PA recueillis en mode continu (voir section

suivante) produisent des spectres d'absorption semblables à ceux produits par les autres

techniques FTIR.

U-

ln-

O -8- a 1 'u

-110 g

- 4 2 0

-125 -2 -

-130

1.25E-04 1.2SE-02 l.ZSE+OO 135f+02 135EW4 125E-03 1.2SE-01 135EIOl 1.2~EcOJ

PP

Figure 6.2. Variation de la phase et de l'amplitude de l'absorption en fonction des propriétés @ Tiré de Dittmar et al. (1 994).

Méthodes de production d'un signa1 photo-acoustique. Étant donné la dépendance directe de

I'intensité du signal PA en fonction de l'intensité incidente, la production de spectres PA

infrarouges est pratiquement impossible avec des spectromètres dispersifs conventionnels car le

flux lumineux incident est trop faible pour engendrer un signal vaIable. D'un autre côté, l'analyse

sur une large bande de fréquences (par exemple, l'infrarouge moyen) à l'aide de lasers ajustables

est encore difficile et, pour la majorité des applications, elle devient extrêmement coûteuse

lorsqu'on veut obtenir des spectres ayant de fortes intensités à haute résolution. La seule solution

pratique pour obtenir des spectres PA convenables est d'utiliser un interféromètre à transformée

de Fourier (nommé FïIR dans l'infrarouge). Bien que I'intensité soit inférieure à celle des lasers:

le flux lumineux avec l'accessibilité et le côté pratique de l'instrumentation permettent de

combler le déficit en intensité. De ce fait, Ia FTIR-SPA a été utilisée durant la dernière décennie

pour l'analyse de divers types de matériaux (Jurdana et al., 1994, Bajic et al., 1995, Yang ei

Fateley, 1987, Carter JII, 1992).

La majorité des travaux de recherche FTIR-SPA ont été réalisés avec des spectromètre5

commerciaux opérés en mode de balayage rapide dans lequel la différence de parcours 2

l'intérieur de l'interféromètre est modifiée en déplaçant un des miroirs à vitesse constante (c'es1

le mode continu). Toutefois, il y a un intérêt grandissant dans l'utilisation d'un mode qui modifie

le parcours en déplaçant quantiquement le miroir sur de petites plages de fréquences ("step-

scan"). Ce mode d'utilisation permet des fonctions particulières et une étude dynamique de5

systèmes (par exemple: Jurdana et al., 1994, Manning et Grifiths, 1993, Forsskahl et al., 1995

Dittmar et al., 1991). La SPA n'est pas considérée comme une technique spectroscopique

dynamique, cependant le processus de diffusion thermique est relativement Ient et, de ce fait, il

y a un déphasage dans le signal PA, analogue à celui produit par les processus dynamiques. Il

n'est donc possible d'observer la dynamique des processus que pour des cas particuliers.

Le faisceau émanant d'un interféromètre, pour une longueur d'onde donnée, est modulé

(principe de base de l'interférométrie) à une fréquence F=2v/A, où v est la vitesse du miroir et A

la longueur d'onde. Le mode de balayage continu sur la plage de longueurs d'onde couverte p a

l'appareil présente donc des fréquences de modulation qui varient au fil du spectre. II es1

avantageux d'utiliser un déplacement de miroir selon des incréments distincts pour de petites

plages de longueur d'onde (mode "step-scan") de façon à conserver une fréquence de modulation

constante sur tout le spectre balayé. Cette option n'est disponible que sur quelques appareils

utilisés pour des applications spécialisées et en développement et nous n'avons pu l'utiliser.

La superposition d'une modulation de vitesse sinusoïdale aux incréments quantiques de

vitesse du mode "step-scan" permet la détection synchrone pour une fréquence de modulation

constante sur tout le spectre balayé. La possibilité d'utiliser un amplificateur synchrone avec ce

mode permet d'enregistrer le spectre SPA à différents déphasages, ce qui, avec Ia variation de la

vitesse de balayage, donne accès à des informations sur la localisation des composés selon leu1

profondeur à partir de la surface ( Dittrnar et al., 199 1, Jurdana et al., 1994).

Il est possible d'utiliser un hacheur mécanique de faisceau pour moduler le signal er

combinaison avec la détection synchrone mais le flux lumineux incident diminue ce qui peul

provoquer l'extinction du signal (amplitude en fonction de la longueur d'onde noc

proportionnelle à Pp et presque nulle). Les signaux retenus, de plus, contiennent une composant€

dc importante provoquant des modulations d'amplitude dans les spectres @ittmar et al., 1994)

Ces effets limitent les possibilités d'analyses à des aspects qualitatifs seulement.

Propriétés thermiques des échantillons. Le processus d'un signal PA est tel qu'il n'y a que les

substances près de la surface qui contribuent au signal (Rosencwaig, 1980). Pour un échantilIon

optiquement et thermiquement homogène, le terme photothermique est proportionnel à P(A)e*')":

où P(Â) est l'absorptivité à la longueur d'onde A et x est la distance à l'intérieur de l'échantillon.

La radiation incidente est amortie et la chaleur déposée est réduite d'un facteur I/e, I/eZ et I/eZn

pour des profondeurs de pénétration respectives de x=l/P, 2/p et 27@ De la même façon, l'onde

thermique qui atteint la surface est amortie par un facteur e-", où le coefficient de diffusion

thermique a=l/y. Donc, pour de la chaleur déposée 3 x=y, 2p et 2xy sous la surface, l'onde

thermique qui atteint la surface sera amortie respectivement d'un facteur l/e, l/e2 et l/ezK. L'effet

combiné des amortissements thermique et optique pour des échantillons homogènes enuaîne que

seulement la chaleur déposée à l'intérieur d'une distance y de la surface produit une modulation

de la température de la surface suffisamment élevée pour être détectable.

Pour un échantillon optiquement inhomogène, la situation peut être considérabIement

différente (Mandelis et al., 1979). Considérons le cas d'un solide formé de plusieurs couches

superposées qui, pour une gamme de longueur d'onde A, est composé d'une ou de plusieurs

couches transparentes déposées sur une base fortement absorbante. La radiation incidente atteint

la base sans diminution @=O pour les premières couches) . L'onde thermique résultante dans

l'échantillon est donc atténuée par un facteur e" avant d'atteindre la surface, où x est maintenant

l'épaisseur combinée et a le 1/y équivalent des couches transparentes car elles vont toutes

participer à l'atténuation alors que seule la base absorbe. En principe, un rapport signal sur bruit

supérieur à 20 (approximativement 6) peut permettre la détection d'un absorbant fort sous la

surface transparente jusqu'à trois fois la longueur de diffusion thermique de la surface. Avec u

rapport signal sur bruit de 18, cette distance peut atteindre 2xp. Toutefois, toute absorption dan

les couches de surface réduit considérablement la profondeur sondée vers une distance de p t

les longueurs d'ondes touchées sont altérées sur le spectre du composé de la base (Dittmar et al

1994) .

Étude en profondeur à l'aide de la fréquence de modulation. La valeur de p est donnée pa

l'expression (KlpC,~f)'~, où K est la conductivité thermique, C, la capacité calorifique, p I

densité et f la fiéquence de modulation (Hz) (Rosencwaig A., 1980). La longueur de difbsio

thermique p, et par le fait même la profondeur du signal PA, est inversement proportionnelle à 1

racine carrée de la fiéquence de modulation. Pour les cas d'échantillons homogènes ou à surface

transparentes, l'effet d'une variation de la fréquence de modulation d'un facteur 10 produit un

variation de la profondeur sondée d'un facteur JIO (ceci présuppose que l'échantillon homogèn

ne présente pas de saturation photothermique et que celui à couches multiples présente un

absorption très forte sur la base). Pour les spécimens homogènes, l'augmentation de la fiéquenc

de modulation est une méthode utilisée pour réduire ou éliminer la saturation. Toutefoi5

l'augmentation successive de la fréquence restreint la détection aux couches de plus en plus pré

de la surface.

Ainsi pour Ies échantillons hétérogènes, la différence entre deux spectres recueillis à de

fi-équences de modulation différentes peut être utilisée pour isoler le spectre d'un composé à un

certaine profondeur. Pour y arriver il suffit de modifier la vitesse de balayage car, comme on 1'

vu, F=2v/h. Par exemple, pour un polymère organique typique, 2xp est d'environ 70 Fm à 20i

Hz et de 50 pm à 400 Hz. Donc, en principe, une couche sous la surface à une profondeur de 6i

pm peut être identifiée par la différence entre les spectres à 200 Hz et à 400 Hz. Le rapport signa

sur bruit pratique des expériences FTiR limite actuellement la détection en profondeur à 2 ou : fois la profondeur de difision thermique p, i.e. qu'une discrimination d'environ 20-30 pm es

possible pour un polymère à des fréquences de modulation de 200 Hz à 400 Hz. Le mod,

d'utilisation des interféromètres avec déplacement en escalier ("step-scan") produit des spectre

dans lesquels la profondeur sondée est constante sur toute la gamme de longueur d'onde. Il es

donc possible (en "step-scan") de sonder différentes profondeurs en ajustant adéquatement lei

vitesses de miroir et les incréments.

Étude en profondeur à l'aide de la phase du signal. La phase du signal PA peut être utilis6i

pour étudier les échantillons selon la profondeur. D'après la thgorie présentée par Rosencwail

et Gersho (1976), le signai PA provenant d'un échantillon fortement absorbant (complètemen

saturé photothermiquement) et thenniquement épais (épaisseur > p) doit être en quadrature avet

la modulation. Comme il a été démontré par Mongeau et al. (1986)' la phase d'un signa

provenant d'un film thermiquement mince (épaisseur « p) sur la surface d'un substra

thermiquement épais sera aussi en quadrature avec la modulation. De plus, pour un échantillor

homogène thermiquement épais, le signal d'un absorbant faible devrait s'écarter de 45" de celu

d'un absorbant fort.

Les angles de phase sont schématisés à la figure 6.3. Dans ce diagramme vectoriel, le

signal de la surface, du substrat et le signal PA total sont représentés par les lettres S, B et 1

respectivement. Étant donné que les signaux de la surface et du substrat ne sont sépaés que de

45" (pour le cas ci-dessus), ils ne peuvent être isolés simultanément par l'utilisation d'ur

amplificateur synchrone à deux phases (O0 et 90"). Tel que montré sur la figure, la réponse à 90"

du substrat contient des composantes de chacun des signaux de la surface et du substrat. De 12

même façon, la réponse à 135" contient des contributions de la surface et du substrat

Néanmoins, en ajustant la phase de l'amplificateur synchrone orthogonalement à l'un ou l'autre

des signaux de surface ou de substrat, la composante de ce signai est aiors éliminée de la réponse

Les signaux détectés sont donc SIJ2 (vecteur 1)ou BIJ2 (vecteur 2) tel qu'indiqué sur la figure

Figure 63. Diagramme vectoriel représentant les signaux PA selon l'angle de phase provenant de la détection synchrone. Les signaux de la surface (S), du substrat (B) et le signal total (T) sont explicités selon l'angle étudié. Tiré de Mongeau et al. (1986).

Ii faut noter ici que la phase du signal PA détecté (&) est seulement relative car elle inclut

la phase instrumentale de la celiule photo-acoustique du système de détection (@,). Une phase

de référence peut être établie facilement en déterminant la phase à laquelle un signal PA est

maximum dans l'entrée A O degré de l'amplificateur pour un échantillon extrêmement absorbant.

Un tel échantillon fournit une approximation vaIable de la phase 4, (relative) du vecteur S de la

figure 6.3 étant donné que l'absorption sera Iocalisée presque entièrement à la surface (Dittrnar

et al., 1994).

Pour les échantillons qui ne se conforment pas aux conditions établies précédemment (i.e.

couche faiblement absorbante et thenniquement mince sur un substrat faiblement absorbant et

1 Id

thermiquement épais) il y aura un déphasage différent de 45" entre la surface et le substrat et 1

différenciation des composés presents sera plus ou moins f a d e selon la valeur de l'écart. Dl

plus, les intensités relatives entre les pics peuvent aussi varier conformément aux postdats dl

l'analyse de la phase photo-acoustique pour chaque longueur d'onde étudiée.

Matériel. Le schéma du montage utilisé est présenté à la figure 6.4 où l'on retrouve la cellule

photo-acoustique Mtec modèle 200 de Mtec photoacoustics inc. (Ames, Iowa, U.S.A.) qui reçoi

le faisceau infrarouge provenant d'un interféromètre Michelson MB- 100 de Bomem inc. (Québec

Québec, Canada). Le rayonnement incident peut être modulé à l'aide d'un hacheur de faiscear

oscillant, modèle LAO de Bulova Electronics (New York, New York, U.S.A.) le tout relié à UI

amplificateur synchrone à deux phases, modèle l29A de Princeton Applied Research (Princeton

New Jersey, U.S.A.). Le montage réalisé est présenté sur la photographie de la figure 6.5 où 1'01

voit sur l'interféromètre un caisson qui permettait la purge de l'environnement avec de l'azotr

sec afin d'éliminer L'absorption de la vapeur d'eau et du CO,. L'intérieur du caisson a éte

recouvert d'un absorbant sonore pour limiter au maximum I'apport du bruit ambiant au signa

perçu par le microphone de ia cellule photo-acoustique. Le hacheur de faisceau, présent sur is

photographie, est retiré lors des anaiyses en continu. L'amplificateur synchrone ainsi qur

l'ordinateur qui effectue I' acquisition et Ie traitement des données n'apparaissent pas sur la figure

L'équipement a été emprunté auprès de Bomem et autres tiers pour un temps limité et pa

conséquent nous n'avons pu faire toutes Les mesures que nous aurions souhaitées.

- - - Faisceau

Hacheur de faisceau. ------

Alirnrniaion

Amplificateur -' Svnchrone =,.&.,,=

Figure 6.4. Schéma du montage de mesure photo-acoustique.

Figure 6.5. Photographie de la cellule photo-acoustique, du hacheur de faisceau et du boîtier.

Échantillons et anaIyses. Des échantillons de sulfates ont été préparés à l'aide d'un générateui

d'aérosols similaire à celui du chapitre 2. Les substrats utilisés étaient faits de papie~

d'aluminium, de polycarbonate et de polyester, les trois types les plus couramment utilisés dans

notre laboratoire. Des aérosots de sulfates individuels de Fe, Ni, Cu et Zn ainsi que d'un mélange

des quatre (25% atomique chacun) ont été récoltés sur les trois types de substrats avec le SPAL.

De plus, les sulfates individuels et sous forme de mélange ont ét6 pressés en pastilles solides en

guise de références. Un dépôt de particules de sulfate de nickel 45 pm) produit par

broyage mécanique a été effectué sur une pastille de KBr. Les produits chimiques (FeS0,.7H20,

NiS0,.6H20, CuS0,.SH20, ZnS0,.7H,O) étaient tous classés "réactif ACS". Pour compléter la

somme des échantillons, des aérosols produits par un moteur diesel ont été récoltés avec le SPAL

sur des substrats d'aluminium durant une période d'échantillonnage de 12 minutes. Seul le

substrat de l'étage #6 possédait un dépôt suffisamment important, de l'ordre de 70 pg de

particules (O. 1 à 0.2 Fm de diamètre), pour être analysé.

Les échantillons récoltés sur les substrats conventionneIs ont été analysés selon trois

méthodes. Les premières analyses consistaient à effectuer le spectre en continu des produits de

référence et des substrats couverts de particules. Ces spectres ont été utilisés pour évaluer

l'applicabilité de la loi de Beers-Lambert (absorption proportionnelle à la concentration) pour les

sulfates. De plus, les spectres des substrats vierges ont été soustraits des spectres des substrats

avec les sulfates pour tenter d'isoler le maximum de signaux provenant de la surface. La vitesse

du miroir était de 0.5 cm/s pour ces analyses. Pour les substrats de polymères, cette vitesse de

balayage correspond à une profondeur sondée variant selon la longueur d'onde entre 50 et 10 pm

(pour un nombre d'onde de 400 cm-' et 4000 cmL respectivement) (Palmer et Dittrnar, 1993).

L'échantillon sur pastille de KBr, de même que toutes les pastilles de sulfates de référence, ont

été analysés de façon conventionnelle en balayage continu pour des nombres d'onde

correspondant à l'infrarouge moyen. Deuxièmement, deux vitesses de miroir différentes ont été

utilisées afin de mettre en valeur le composé en surface par la comparaison des spectres récoltés

à 1 .O cmls et 0.5 cm/s (épaisseur sondée mince versus épaisseur sondée épaisse). Troisièmement,

117

l'utilisation de la détection synchrone avec analyse de la phase pour récupérer le signal provenant

de la surface a été expérimentée pour tous les sulfates. Les spectres, à l'exception de quelques cas

spécifiés au cours du texte, ont été effectués à une résolution de 8 cm-' et 50 balayages étaient

cumulés pour chacun.

ANALYSE DES RÉSULTATS

Sulfates de référence. La figure 6.6 montre les spectres en continu des quatre sulfates utilisés.

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.6. Spectres en mode continu des quatres sulfates de référence sous forme de pastilles compressées.

Chacun d'entre eux possède des pics caractéristiques propres à l'identification de la substance

par exemple, 621 cm-' pour le fer, 683 cm-' pour le nickel, 800 cm' pour le cuivre et 638 c d

pour le zinc. L'identification d'un composé pourrait donc être basée sur la présence simultané€

de plusieurs pics dont les intensités reIatives seraient les mêmes que celles du composé de

référence. Les pics 62 1 pour le fer et 800 pour le cuivre (et plusieurs autres) ont déjà été observk

lors d'analyses de sulfates à l'état solide par Miller et Wilkins (1952).

La figure 6.7 présente le spectre expérimental du mélange des sulfates ainsi qu'une courbe

calculée à partir de la somme des sulfates individuels. L'hypothèse utilisée est que pour chacun

des composés, le nombre de mdécuIes de sulfate qui a participé au signal est le même. On a

1 - mélange calculé 1 ..-..-. mélange de référence

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.7. Spectre du mélange de référence en pastille compressée et courbe calculée à l'aide de la loi de Beers-Lambert et des proportions atomiques des quatres sulfates composant le mélange.

additionné les quatres spectres de références et divisé par quatre. La pastille du mélange a étt

préparée avec les poudres des sulfates broyées (proportion moléculaire de 0.25 chacun) , liée:

avec une petite quantité d'eau et séchées à l'air libre durant une journée. Lors de la productior

des aérosols, à partir de la solution dosée, il n'est pas possible d'affirmer que Ies particule:

produites ont conservé la structure moIéculaire originale (nombre de molécules d'eau associées)

c'est Ià d'ailleurs un sujet qu'il serait intéressant d'étudier dans une recherche future avec 12

spectroscopie photo-acoustique ou une autre technique. On peut constater sur la figure qur

l'enveloppe résultant du calcul suit très bien celle du spectre du mélange sauf pour quelque:

différences mineures concernant l'intensité absolue.

Bien que pour les composés utilisés ici, I'applicabilité de la loi de Beers-Lambert n'ait p z

été vérifiée de façon formelle, on peut tenter en première approximation une quantification avec

composés multiples. Le principe de superposition permet de dire que l'absorption du mélange

à une longueur d'onde A est la somme de l'absorption de chacun des composés à cette longueur

d'onde. Il faudra donc utiliser quatre pics à quatre longueurs d'onde différentes sur un même

spectre pour résoudre un mélange à quatre composés. La matrice correspondant à quatre

composés (Kendall, 1966) est:

où A, est l'absorption du mélange, F est la concentration du composé numéro i ei ja

I'absorptivité à la longueur d'onde A. pour le composé i. Les valeurs de aG sont obtenues à parti1

des spectres des substances pures (échantillons de référence). Il est donc possible de calculer les

concenerations en utilisant les pics qui présentent les qualités suivantes (George et McIntyre,

1987): ils ont une absorption entre 0.2 et 0.5, sont symétriques et se chevauchent le moins

possible. En utilisant les pics 11 10.9, 1 112.8, 11 18.6 et 1135.9 (voir figure 6.6), nous obtenons

des concentrations atomiques de 26.5%, 24.5%' 23.8% et 25.2% pour les sulfates de Cu, Ni, Zn

et Fe, respectivement, ce qui est très près du résultat attendu (25% pour chacun). Ce résultat, bien

que unique, permet d'entrevoir qu'il serait possible d'atteindre une précision de tl% dans la

détermination des concentrations de mélanges d'aérosols de ce type. Il ne faudrait pas manquer

cependant d'apporter les soins appropriés lors des manipuIations et de la préparation des

échantillons, tel que précisé par Kendall (1966).

Soustraction du spectre du substrat. On pourrait être tenté d'éIiminer l'interférence causée par

le substrat, par exemple le polycarbonate, en soustrayant le spectre d'un substrat vierge du spectre

des substrats couverts de matériel. Toutefois, pour la spectroscopie photo-acoustique sur des

solides, le volume de matériel sondé varie selon les propriétés thermiques de l'échantillon et il

est donc différent pour un substrat vierge et pour le même substrat couvert de particules.

Néanmoins, la soustraction pourrait mettre en valeur certains pics car le dépôt de sulfate peut être

vu comme une monocouche de particules ayant des diamètres aérodynamiques qui varient ici

entre 1 et 2 Fm. La profondeur sondée dans le substrat étant d'environ 70 Pm, il serait plausible

de mettre en valeur des plages de nombre d'onde où les signaux des particules seraient plus

intenses. La figure 6.8 montre le résultat de la soustraction du substrat de polycarbonate vierge

du spectre des particules récoltées à l'aide du SPAL. Peu de pics sont mis en évidence car le

polycarbonate présente une grande quantité de pics qui occupent les mêmes zones que celles des

sulfates. Les pics ou régions identifiés représentent des endroits où les sulfates absorbent

beaucoup alors que le polycarbonate absorbe faiblement. McCIenny et al. (1985) ont utilisé la

soustraction pour éliminer le signal des substrats de téflon au cours d'andyses FllOR en

transmission sur des échantillons d'aérosols urbains recueillis sur des filtres. Les régions où le

signal du téflon est important limitaient la qualité des analyses, laissant même des incongruités

dans les spectres (valeurs négatives ou extrêmement grandes). Ils ont toutefois réussi à quantifier

les sulfates et les nitrates à l'aide des bandes où iI n'y avait pas de conflit et ce de façon

comparable à la fluorescence X dans un intervalle de confiance de 95%.

O 1 O00 2000 3000 4000

Nombre d'onde (cm-')

Figure 6.8. Résultat de la soustraction d'un spectre FTR-SPA de polycarbonate avec dépôt d'aérosols de sulfates et d'un spectre de polycarbonate vierge (haut de la figure). En pointillé, Ie spectre de référence du mélange des sulfates (de la figure 6.7).

L'utilisation de l'aluminium comme substrat laissait présager, étant un absorbant faible,

qu'il serait possible de contourner l'effet masquant des polymères. Les pics d'absorption de

l'aluminium n'occupent qu'une faible partie du spectre, ce qui laisse, en théorie, aux sulfates de

larges régions valables à des fins d'identification. Toutefois, le bruit associé aux spectres, ici,

a complètement éliminé la possibilité d'identification des compos6s comme on peut le constater

à la figure 6.9. Sur cette figure, la courbe résultant de la soustmction (avec moins sans sulfates)

a de plus été traitée en effectuant un lissage à trois points de façon à rendre la figure plus lisible.

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.9. Soustraction de spectres FTIR-SPA avec et sans sulfates sur des substrats d'aluminium et spectre de référence pour le mélange de sulfates utilisé (pointillé).

Le spectre de réfirence des sulfates a tout de même des pics communs avec la soustraction, plus

particulièrement dans les régions 1500-1700 cm-' et 3000-3500 cm-'. Une identification qualitative

ne peut être envisagée avec un tel niveau de bruit. Celui-ci est dû aux propriétés thermiques

(grande conductivité) et optiques (surface réfléchissante) de l'aluminium.

Variation de Ia vitesse du miroir. Pour mettre en valeur les composés de surface, il est possible

de varier la vitesse de déplacement du miroir de l'interféromètre, ce qui modifie la fréquence de

moduiation et donc la profondeur d'analyse. La figure 6.10 montre les spectres résultants

obtenus pour des sulfates sur des substrats de polycarbonate à des vitesses de miroir de

de 1.0 et 0.5 cm/s. Les différences d'absorption sont minimes et peu significatives, seule Ia

région 590-620 cm-', propre aux sulfates, pour le spectre de 1.0 c d s (fréquence plus élevée,

profondeur de pénétration moindre), se distingue significativement du signai du substrat. Pour

cette même vitesse de miroir, il est visible que pour des nombres d'onde supérieurs à 2500 cm-'

le bruit devient énorme dQ à Ia fréquence de modulation associee qui devient trop élevée.

O 1 O00 2000 3000 4000

Nombre d'onde (cm-')

Figure 6.10. Spectre en continu FTR-SPA d'un mélange de sulfates sur un substrat de polycarbonate pour des vitesses de miroir d'interféromètre de 1 .O et 0.5 cmls.

Les essais effectués avec un substrat d'aluminium pour ces mêmes sulfates ne produisent

pas de signaux se détachant du bruit dans une mesure raisonnable. Quelques pics majeurs

pouvaient être identifiés mais les intensités relatives ne concordaient en aucune façon avec les

spectres de référence.

L'analyse d'un dépôt, sur un substrat d'aluminium, de particules produites par un moteui

diesel, a été effectuée en espérant obtenir une intensité PA plus importante car les composés de

carbones absorbent fortement et ce, même en faible quantité. L'utilisation de la vitesse maximale

(1 .O crnfs) pour notre interféromètre a permis d'obtenir un signal vaIable tandis que le spectre

récolté à 0.5 cm/s (balayage en continu) ne présente que du bruit. La figure 6.1 1 montre le spectre

obtenu avec des pics identifiés pour certains composants (Kellner et Maiissa, 1989, Allen et al.,

1994). Bien que le rapport signal sur bruit soit faible, les pics identifiés correspondent aux

-diesel sur Al

O 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.11. Spectre d'un dépôt d'aérosols générés par un moteur diesel sur un substrat d'aluminium à une vitesse de miroir d'interféromètre de 1.0 cmk.

Figure 6.12. Spectre FTIR en transmission de particules de diesel récoltées sur une pastiIle de Kbr à l'aide d'un impacteur reproduit de Kellner et Malissa (1989).

résultats obtenus par Kellner et Malissa (1989) présentés à la figure 6.12. Ces derniers ont

effectué une étude FTIR en transmission sur des aérosols de diesel récoltés avec un impacteur sur

des pastilles de KBr. Les quantités de matériel qu'ils analysaient étaient très faibIes, ce qui a

mené à des spectres où n'apparaissent que quelques pics majeurs (SO, et NH,).

Les spectres des sulfates sur substrats d'aluminium qui ont été effectués ne présentent pas

les mêmes caractéristiques que ceux pour le diesel. Les signaux sont confondus dans le bruit.

La faible quantité de sulfate limite l'intensité PA générée par rapport à un bruit imposant. Les

aérosols de diesel, eux, ont une très forte absorption ce qui permet de détecter un signa1 valable.

L'échantillon d'étalonnage de Ia cellule photo-acoustique est d'ailleurs composé de carbone ayant

des caractéristiques d'absorption similaires.

Analyse de la phase. L'étude de la phase des signaux enregistrés lors de la détection synchrone

avait pour but d'améliorer la qudité des analyses sur les substrats conventionnels. Le déphasage

instrumental est déterminé à l'aide d'un étalon de carbone noir. Comme ce composé absorbe très

fortement, le signai généré provient presque uniquement de la surface et la phase initiale es

déterminée comme telle à 11 degré (Palmer et Ditûnar, 1993). À cette phase, 157", le signai tota

récolté pour l'ensemble du spectre était de 0.243 unité (1 unité représentant la tension maximal1

d'entrée de l'appareil). De façon à vérifier la qualité de la détermination de la phase initiale, II

signal total a été mesuré après une rotation de -45" pour retrouver, selon le diagramme de phas1

présenté h la figure 6.3, le signal de surface réduit d'un facteur J2. Le signal mesuré était dl

0.168 unité ce qui correspond donc parfaitement à la théorie. Pour le signal du substrat, le résulta

obtenu était de 0.0 13 unité comparativement à zéro pour la valeur théorique.

Les premières mesures effectuées avaient pour but d'évaluer la perte d'illumination duc

à l'ajout d'un hacheur de faisceau. L'échantillon de calibration a été utilisé pour procéder à cettr

évaluation avec et sans modulateur. La figure 6.13 présente les spectres obtenus pour les deu:

0,40

0,35 - _--.. ...- ..,xi:

?ha-, .*Y*..

:f. .. '. -...-.. balayage normal 4$ ??

.;.+?; . avec modulateur 0,30 - ... . ; .; .

.. . .:

, 1 0,25 - v

d . . CO* . : . . -- . .. Hz0 a 0,20 - ...

22 .- V)

0,15 - M

c - 0,lO -

9 - B~ ~ . *.

0,05 - \ii

0,oo - I 1 I

O 1000 2000 3000 4000

Nombre d'onde (cm-')

Figure 6.13. Spectres FTIR-SPA de l'échantillon de carbone noir pour le système de mesure avec et sans hacheur de faisceau.

situations. La perte d'intensité est d'environ un facteur 7. Les spectres pour l'échantillon de

référence sont conformes aux données du fabriquant à l'exception près que la cellule ne fut pas

purgée pour le cas sans rnoduIateur. L'absorption due à la vapeur d'eau ainsi qu'au dioxyde de

carbone est donc présente. La baisse de l'intensité du faisceau incident consécutive à l'emploi

du modulateur peut avoir des répercussions sur la saturation du signal (Dittmar et al., 1994).

La phase a été utilisée pour isoIer Ies signaux de surface et en profondeur pour les

échantillons de sulfates récoltés sur des substrats de polycarbonates. Le spectre récolté à +45

degrés par rapport à la phase instrumentaIe devrait correspondre au substrat seul ( ~ 1 f 2 ) . La

I 1 ,- . .. ., ,. . ...... , : : j " Polycarbonate (référence) . , : . 8 : .. , ., . . ,:. . - a . .

-Substrat ( B +45 degrés)

O 1 O00 2000 3000 4000

Nombre d'onde (cm-')

Figure 6.14. Spectre FTIR-SPA recueilli avec détection synchrone à 4 5 degrés par rapport à la phase instrumentale pour des aérosols de sulfates de cuivre récoltés sur du polycarbonate et spectre de référence du polycarbonate (pointillé).

figure 6.14 montre le résultat obtenu pour le sulfate de cuivre. Le spectre résultant présente des

différences majeures pour ce qui a trait à l'intensité relative des pics. Néanmoins, la position de

ces derniers correspond généralement (environ 80%) au spectre de référence. Trois phénomènes

peuvent expliquer ces différences. D'abord, il y a Ia modulation d'amplitude provoquée par

l'utilisation d'un hacheur de faisceau avec détection synchrone tel que décrit précédemment dans

la théorie.

Deuxièmement, le signal du substrat peut être recueilli à une phase de +45 degrés de la

phase initiale seulement si les postulats de l'analyse de la phase sont respectés soit une couche

faibiernent absorbante et thermiquement mince sur un substrat faiblement absorbant et

thermiquement épais. Plusieurs plages de longueurs d'onde ne correspondent pas à ces postulats

et la phase du signal de surface peut varier, i.e. être différente sur tout le spectre. La variation de

la phase du signal pour un dépôt mince sur du polycarbonate a été observée par Jones et

McClelland (1996) et leurs résultats sont reproduits à la figure 6.15. À la partie (a), la position

Figure 6.15. Spectres FTIR-SPA d'un film de polymère à la surface d'un substrat de polycarbonate (reproduit de Jones et McClelland, 1996). L'effet de la variation de la phase sur l'amplitude du signal est présenté en (a) et l'identification de la provenance des pics selon Ia phase associée est présentée en (b).

des pics n'est pas altérée mais le processus implique une variation de l'intensité des signau:

selon un cycle cosinusoïdal (Betteridge et al., 1979), ce qui se traduit par des variation:

d'amplitude relative selon la phase étudiée. Jones et McCIelIand ont utilisé la phase (figurc

6.1%) pour déterminer à quel composé appartenaient les pics. Si la phase était inférieure à 16'

degrés, les pics appartenaient au dépôt de surface car la théorie photoacoustique, telle qut

présentée par Rosencwaig et Gersho (1976)' prédit que le changement de phase pour les couche:

superficielles s'effectuera vers des valeurs plus basses alors que l'inverse se produit pour le:

couches en profondeur.

Le dernier phénomène qui peut expliquer Ies différences d'amplitude observées à la figure

6.14 est que pour certaines longueurs d'ondes couvrant un pic, il peut y avoir saturation due à 12

faible intensité incidente. L'échantillon n'est plus sondé jusqu'à la profondeur de diffusion

thermique p aux endroits de forte absorption causant ainsi une variation des intensités relatives

des pics.

Le spectre correspondant à la surface a été récolté à -45 degrés de la phase instrumentale.

La figure 6.16 montre les résultats obtenus pour la portion 400-1600 cm-' . L'échelle utilisée

permet de montrer la correspondance de la position des pics. Pour la surface, les similitudes sont

supérieures au spectre du substrat. On constate en effet une concordance pour 97% des 27 pics

comparés. La surface de l'échantillon reçoit Ie faisceau incident non altéré ce qui limite les effets

de saturation. Les composés de la surface devraient, en théorie, montrer des intensités relatives

semblables à celles du spectre de référence pour une phase de -45 degrés. Toutefois, la phase

réelle varie tout au long du spectre, provoquant ainsi une variation dans les intensités relatives.

La position des pics demeure, malgré tout, aux bons endroits tel qu'observé à la figure 6.16.

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.16. Spectre FTIR-SPA de la surface récolté à une phase de -45 degrés par rapport à la phase initiale et le spectre de référence du sulfate de cuivre (pointillé).

L'utilisation de la détection synchrone ne pouvait s'appliquer directement aux substrat

d'aluminium car les propriétés de ce matériel (thermiquement mince) ne correspondent pas au:

postulats de l'utilisation de la phase pour séparer efficacement la surface du substrat. Toutefois

il est possible d'utiliser le module du signal ce qui permet de retrouver le spectre total (Le

semblable au spectre en continu). L'avantage de la détection synchrone dans ce cas est 1;

diminution du niveau de bruit. La figure 6.17 montre un spectre provenant de l'analyse d'aérosoL

de diesel sur un substrat d'aluminium. Les pics principaux identifiés correspondent à ceux de Ii

figure 6.1 1 sauf pour les intensités relatives. La modulation d'amplitude limite les similitude,

mais la position des pics ne fait aucun doute. Il serait donc envisageable d'utiliser les substrat:

d'aluminium pour récolter des aérosols inconnus et de les analyser avec la détection synchronr

Nombre d'onde (cm")

Figure 6.17. Spectre FTZR-SPA avec détection synchrone d'aérosols de diesel récoltés sur un substrat d'aluminium.

avec modulation de la phase du signal (plutôt que la modulation d'amplitude), ce qui n'altérerai

pas Ia hauteur relative des pics.

Substrats de KBr. Les expériences effectuées avec les substrats conventionnels n'ont pas donni

les résultats escomptés. L'identification de composés s'avère difficile à l'exception de la détectior

synchrone avec modulation de phase qui pourrait être tentée avec les substrats d'durninium. Pou]

les spectres en continu, seuls les aérosols de diesel ont produit des signaux significatifs car il5

absorbent fortement. La limite de détection que l'on obtient est énorme et elle ne présente qur

peu d'intérêt. C'est pourquoi des analyses sur des substrats de KBr ont été effectuées de façor

à compléter Ies essais de différentes méthodes photo-acoustiques.

La figure 6.18 présente Ies spectres de sulfate de nickel en poudre, compressée ou non

et en fragments déposés sur du KBr. La quantité de sulfate déposée à Ia surface du KBr a étl

mesurée au spectrophotomètre avec la mithode présentée au chapitre 2. Les fragments dispersé:

la surface avaient des dimensions s'échelonnant de 1 à 50 prn environ. La distributior

surfacique était uniforme d'après une inspection visuelle au microscope optique. La densité

surfacique mesurée est de 3.0&1 pg/cm2, ce qui donne, pour un faisceau d'environ 0.5 cm de

diamètre, une masse andysée d'environ 0.58 pg. LA correspondance des pics ne fait aucun douk

et la qualité du spectre des fragments de NiSO, pourrait être améliorée encore et de façor

substantielle en augmentant le nombre de balayages (qui n'était ici que de 50). Il serait don

envisageable d'atteindre une limite de détection de l'ordre de 0.3 pg/cm2 soit celle obtenue pai

fragments 1-50 prn -------- poudre -poudre compressk

nombre d'onde (cm'')

Figure 6.18. Spectres FTIR-SPA du sulfate de nickel pour des fragments sur des pastilles de KBr et pour de la poudre compressée ou non.

McClenny et a1.(1985) pour des essais en transmission. Il faut noter qu'aucune correction pou

l'analyse des poudres n'a été apportée aux signaux, laissant ainsi paraître des différence:

d'amplitude relatives telles qu'observées par Rockley et al. (1984) pour les particuIes en surfaci

et par Monchalin et a1.(1984) pour les poudres. Le collecteur SPAL peut facilement recevoir dei

substrats de KBr moyennant des modifications mineures. La sensibilité de Ia SPA nécessite ui

une densité surfacique qu'il serait possible d'atteindre avec le SPAL, muni de substrat de KBr

pour différents environnements en ajustant les paramètres qci commandent la rotation.

Pour utiliser la spectroscopie photo-acoustique sur des aérosols prélevés avec ur

impacteur, il apparaît donc préférable, sinon nécessaire, d'employer des pastilles de KBr commr

substrat ou tout autre matériel transparent dans l'infrarouge. Les qualités pratiques de 1;

spectroscopie FT'IR-SPA (moins sensible à la diffraction, épaisseur des échantillons et opacit€

peu influents, etc.) favorisent son utilisation vis-à-vis la méthode FTIR en transmission. Les

résultats obtenus pour isoler les signaux sur des substrats conventionnels indiquent clairement les

difficultés inhérentes aux matériaux utilisés vis-à-vis la spectroscopie FTIR-SPA. La détection

synchrone avec modulation de phase pourrait être utile avec des substrats de KBr pour limiter le

niveau de bruit lors de l'analyse de faibles quantités de matériel en microscopie infrarouge.

CONCLUSION

La spectroscopie photo-acoustique a été utilisée pour analyser des échantillons d'aérosol

fabriqués à partir de sulfates ainsi que des aérosols de moteur diesel récoltés sur des substrats

conventionnels en aluminium, polycarbonate et polyester. Les analyses en balayage continu ont

produit des spectres qui ne permettent pas l'identification des composés Zt l'aide des spectres de

référence produit à partir de poudres compressées. De même, la variation de la vitesse du miroir

de l'interféromètre pour mettre en valeur les composés en surface n'a pas produit les résultats

escomptés pour les sulfates. Seuls quelques changements ont été observés plus particulièrement

dans la région 590 à 650 cm-'. Les aérosols de diesel sur substrat d'aluminium, analysés à une

vitesse de miroir de 1 .O c d s , ont produit des pics identifiables, lesquels correspondaient au]

résultats de Kellner et Malissa (1989). L'utilisation de la phase pour séparer les signaux de

surface et du substrat, lors de Ia détection synchrone avec modulation d'amplitude, a été tentée.

En se calant sur la phase reliée à Ia surface, on a trouvé que les positions des pics correspondaieni

à 97% avec le spectre de référence du sulfate de cuivre. Les spectres récoltés à la phase

correspondant au substrat prisentent des différences majeures pour les intensités relatives des pics

et, de plus, la position de ces derniers est moins bien corrélée (environ 80%) avec les pics

observés sur le spectre de référence. La détection synchrone avec utilisation de la phase ne peul

s'appliquer pour les substrats d'aluminium selon les postulats de la méthode, mais il est possible

d'utiliser le module du signal qui offre comme avantage une forte diminution du niveau de bruit.

Le spectre correspondant aux aérosols de diesel sur aluminium avec détection synchrone présente

plusieurs pics similaires à celui récolté en balayage continu. Toutefois, iI y a modulation de

l'amplitude étant donné l'utilisation du hacheur de faisceau mécanique. Les expériences

préliminaires sur des pastilles de KBr donnent d'excellents résultats pour une densité surfacique

de fraagnents de sulfate de nickel de 3 . k 1 pg/cm2. En conclusion, il semble essentiel d'utiliser

des substrats de ce type pour effectuer des analyses photo-acoustiques appliquées aux aérosols

pour obtenir une bonne limite de détection.

CHAPITRE 7

Analvse ex~loratoire de cultures de cham~imons rnicrosco~iaues ~ a r - FTIRSPA.

INTRODUCTION

Les bio-aérosols proviennent de sources d'aérosols naturelles ou anthropiques qui foni

partie de la majorité des secteurs d'activité humaine. La nature des sources est diverse et le type

de particules (virus, bactéries, spores de champignons, pollen, antigènes, etc.) est multiple lui

aussi. Les sources existent aussi bien en milieu intérieur que extérieur. Du point de vue de la

mesure et de l'identification, les bio-aérosols sont considérés comme les particuIes aéroportées

les plus complexes à analyser (Spurny, 1994). Ils sont vivants, donc susceptibles à des

changements physiques, biochimiques et biologiques qui varient dans le temps et dans l'espace

selon les propriétés de l'environnement. Toutes Ies variables touchant Ie développement et l'étai

des bio-aérosols engendrent des difficultés de mesure et d'identification.

L'analyse exploratoire des champignons microscopiques par Fm-SPA a pour bu1

d'évaluer la possibilité d'utiliser cette méthode pour identifier de façon formelle les

micro-organismes d'une façon rapide et simple. Les mesures que nous avons effectuées se son1

limitées à quelques espèces de micro-organismes. La méthode conventionnelle d'identification

demeure l'observation visuelle (Spumy, 1994). Elle comporte une marge d'erreur notable car le

jugement humain fait partie de la technique. Il serait fort utile de disposer d'une méthode absolue

d'identification des bio-aérosols d'où l'essai ici de la spectroscopie photo-acoustique.

Nous présentons ici une revue des méthodes d'analyses qui ont été utilisées pour

déterminer la nature chimique des bio-aérosols. Par la suite, nous présentons la méthode

d'échantillonnage et le matériel utilisé pour réaliser les analyses FTIR-SPA de champignons

microscopiques. Suivent les résultats des analyses exploratoires et une discussion. Le chapitre

conclut sur une évaluation des possibilités de cette technique ainsi que le potentiel de recherche

associé.

TECHNIQUES D'IDENTIFICATION

La détection et l'identification classiques des bactéries ou des champignons

microscopiques sont généralement basées sur la morphologie des organismes, sur la viabilité de

croissance sur différents milieux de cuiture, sur la susceptibilité aux antibiotiques, sur la

métabolisation de produits variés, etc. Généralement, aucun test ne donne, à lui seul, une

identification définitive d'une bactérie inconnue. Plusieurs méthodes de mesure physique et

chimique ont été appliquées à l'identification des micro-organismes. Bien qu'elles soient

prometteuses, aucune ne peut entièrement remplacer la méthode des cultures cIassiques. Ces

méthodes peuvent être divisées en deux parties soit l'étude des micro-organismes individuels ou

en amas.

La chromatographie en phase gazeuse et la pyrolise (Fox et Morgan, 1985) ont été

utilisées pour l'identification des bactéries. Les chrornatogrammes, pour le cas de la pyrolise,

présentent généralement 200 pics et plus, dont seulement quelques uns permettent L'identification.

Le traitement des données représente le principal problème de ce type d'analyses. La

chromatographie en phase gazeuse (GCMS) permet de séparer et d'identifier les composés

voIatiIs et, malheureusement, la majorité des composés rnacromolécuIaires des cellule:

bactériennes ne Ie sont pas. Quelques développements prometteurs ont été effectués en utilisan

la technique FTMS ( fourier transfocm mass spectrometry) (Buchanan et Hettich, 1993).

Les spectroscopies de fluorescence et de luminescence recherchent des données à parti

de quelques composés moIéculaires des micro-organismes (Rossi et Warner, 1985). Ce:

méthodes présentent plusieurs subdivisions dont les particularités peuvent être intéressantes pou]

des domaines bien déffis. Pour plus de renseignements sur ces techniques on consultera l'articlt

de Neufeld et al. (1985).

Les spectroscopies infrarouge et Raman révèlent une muititude de composé!

simultanément ce qui compIique ie traitement des données. La spectroscopie infrarouge FTIE

semble prometteuse (Grader et al., 1987). Par exemple, Dalteno et al. (1987) ont analysé de:

bactéries de type R. Palusfris et ont obtenu des pics intenses dans la région du spectre allant dc

900 à 1600 cm-' et ce même pour une seule cellule.

La détection de particules individuelles repose sur plusieurs techniques que l'on présentc

brièvement ci-après avec les références associées. Les microscopies optique (LM), électronique

(SEM) et à transmission (TEM) ont été appliquées avec succès à t'identification de particule5

individuelles, mais le processus nécessite une participation humaine pour identifier les micro-

organismes seIon leur morphologie (Eramus 1978). Le débit cytométrique utilise des marqueurs

fluorescents (un ou plusieurs) qui sont appliqués sur des bactéries qui absorbent plus ou moin:

les solutions selon leur nature (Melamed et al., 1990). Les réponses spectrales produites par le:

bactéries ainsi marquées sont caractéristiques des espèces. Le fait que les bactéries ne réagisseni

pas avec tous les marqueurs complique l'application de la méthode en multipliant le nombrr

d'analyses nécessaires pour identifier une bactérie inconnue. La spectroscopie infrarouge (ot

Raman) peut saisir au passage les spectres des particules individuelles qui traversent le faisceat

d'un laser à argon (Schweiger, 1989). Les spectres résultants présentent des pics intenses et 1;

technique est en progression rapide. Les spectroscopies atomiques (AES, IPC, etc.) identifieni

les éléments constitutifs des particules (Sneddon, 1989). Pour obtenir des informations sur les

bio-aérosols, il sernbIe nécessaire que ces techniques soient couplées à d'autres méthodes (GC

et MS). La spectrométrie de masse (LAMMA, SIMS, FABMS, PAMS) est l'une des méthodes

les plus prometteuses (Sinha et Friedlander, 1985, HiIlenkamp et Kaufmann, 1982) étant donné

la possibilité de détecter des quantités extrêmement petites (10'12 g ou moins) en pyrolyse.

Plusieurs avantages, incluant la résolution spatiale et temporelle, permettent l'analyse de micro-

organismes individuels. Toutefois, l'appareillage nécessaire, Ies manipulations et le temps de

traitement rendent les analyses complexes et coûteuses.

Les échantillons de champignons microscopiques ont été prélevés à l'intérieur du

laboratoire de physique atomique et moléculaire de l'université Laval. La proprete des locaux

et du système de ventilation résulte en un faible taux de contamination, ce qui a nécessité une

durée d'échantillonnage de 60 minutes. Le collecteur utilisé est un SPAL version biologique dont

les plateaux ont été remplis de milieu de culture pour moisissures (SDA: Sabouraud dextrose

agar). Les échantillons ainsi prélevés ont été incubés durant une période de 48 heures à 27 "C

afin de permettre le développement complet des colonies de micro-organismes. Une fois le

dkveloppement terminé, les colonies ont été prélevées et déposées sur un porte-échantillon muni

d'une pastiIle de KBr. Les essais préliminaires portaient sur quatre familles de champignons

microscopiques: Fusarium Oxysporum, Aspergillus Fumigatus, Aspergillus Niger et Mucor sp.

collectées avec le SPALBIO. Chacune des colonies fut analysée trois fois de façon à tester

succintement la repoductibilité des analyses. De plus, pour l'espèce Aspergillus Fumigatus, deux

spécimens indépendants provenant d'échantillons différents ont été andysés dans le but d'évaluer

la possibilité d'identification de I'espèce. Les analyses ont été effectuées à l'aide d'un

interféromètre MB-lûû de la compagnie Bomem inc. (Québec, Québec, Canada) et d'une cellule

photo-acoustique Mtec photoacoutics inc. modèle 200 (Ames, Iowa, U.S.A.). ïa cellule a été

purgée à l'hélium avant toutes les analyses de façon à éliminer toutes les contaminations

gazeuses. Les spectres font état de 50 balayages à une risolution de 4 cm-'.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

L'état des échantillons, leur manipulation et les traitements préparatoires nécessaires aun

analyses compliquent souvent les différentes méthodes présentées ci-haut. Les essais dc

Fi'lR-SPA que nous avons effectués sur des aérosols (solides à surface irrigulière) ont produii

des résultats encourageants. La préparation des échantillons est sommaire et ces derniers sont pet

ou pas altérés (McClenny et al., 1985). Pour les cultures, le problème majeur est le transfert de

la gélose contenant les champignons sur la pastille de KBr. Les fragments récupérés ont raremeni

la même épaisseur, donc la position de l'échantillon varie à l'intérieur de la cellule

photo-acoustique, produisant ainsi une variation d'intensité absolue pouvant atteindre 150 %, tel

qu'observé par Carter IiI et Wright (199 1).

Les spectres recueiIlis pour les cinq échantillons font état de différences notables et

Tableau 7.1 Position des pics spécifiques aux espèces de champignons.

révèlent la présence de pics spécifiques aux différents champignons (tableau 7.1). Les pics

Mucor sp.

(cm-')

60 1

sélectionnés présentaient un rapport signal sur bruit supérieur. La proportion entre le volume des

F. Oxysponrm

(cm-')

740

A. Fmigatus(l)

(cm-')

698

A. Fumigatus(2)

(cm")

698

A. Niger

(cm-')

570

- milieu vierge

Nombre d'onde (cm")

Figure 7.1. Spectre d'un milieu de culture SDA vierge ainsi que le spectre d'une colonie de champignons F. Oxysporum.

champignons en surface et le volume du milieu de culture est d'environ 1/10. Les signaux

récoltés sont composés de l'absorption des deux substances et il y a prédominance du signal du

milieu de culture. Les essais de reproductibilité (3 pour chacun des échantillons) montrent une

variabilité qui a entraîné le rejet d'une dizaine de pics faibles n'apparaissant pas sur tous les

spectres d'un même échantillon. La figure 7.1 présente un spectre du milieu de culture vierge

ainsi que celui d'une colonie de F. Oxysporum. Les spectres présentent des différences

nombreuses au niveau de l'intensité mais seul quelques pics sont utilisables pour l'identification.

Néanmoins, pour tous les champignons analysés, le pic 1438 cm-' est présent et il se distingue

clairement du fond continu. Les autres pics identifiés sur la figure sont ceux qui permettent

l'identification du champignon F. Oxysporum et Ia distinction à la fois des autres familles et du

milieu de culture. La différenciation entre les espèces semble donc possible.

Nombre d'onde (cm")

Figure 7.2. Spectres de deux champignons de la famille Aspergillus.

La figure 7.2 montre les spectres de deux espèces d'Aspergillus, Niger et Fumigattcs. Les

similitudes sont nombreuses et les pics qui distinguent tes champignons se démarquent tout juste

du bruit. Les pics identifiés appartiennent aux Aspergillus Niger. L'identification à l'intérieur

d'une même famille (Aspergillus) semble possible mais le nombre de mesures effectuées ainsi

que le rapport signal sur bruit limitent les conclusions de cette étude. Si une telle différenciation

est effectivement possible, on peut envisager la spectroscopie photo-acoustique comme étant une

technique de choix pour l'identification des champignons microscopiques.

Bien que les résultats ne soient que descriptifs, il semble prometteur de poursuivre 1

recherche en optimisant les conditions d'analyse ainsi qu'en explorant les avenues possibles. Un

de celles-ci serait de travailler à des longueurs d'onde plus près du visible car les spectres de

micro-organismes dans cette région comportent plusieurs pics (Schrader, 1986). Il sera!

important d'inclure les bactéries dans une recherche future car elles représentent le

micro-organismes pour lesquels le besoin de disposer d'une méthode d'identification rapide e

fiabIe est actuellement le plus pressant (milieux hospitalier, agriculture, pharmacologie, etc.). L

traitement des spectres sera sans doute une partie importante de I'identification car les pic

spécifiques aux espèces peuvent être de faible intensité et difficiles à mettre en évidence. Pa

exempIe, pour nos échantillons, les intensités des pics caractéristiques ne représentaient que 109

de la valeur maximale (région entre 2000 et 2500 cmaL).

CONCLUSION

Il existe plusieurs méthodes d'identification de Ia signature chimique des bio-aérosol

(GCMS, F ï M S , spectroscopie atomique, spectrométrie de masse et cytométrie). Les difficulté

de préparation d'échantillons ou de performance ne semblent pas entièrement résolues pou

l'instant. Les essais exploratoires effectués à l'aide de la spectroscopie photo-acoustique FTIE

présentent des résultats encourageants. La présence de pics caractéristiques aux espèces perme

1' identification des champignons microscopiques. Le potentiel de la technique est confirmé e

il est envisageable de poursuivre les analyses pour parfaire la methode, les manipulations et le

conditions expérimentales. Le traitement des données pour l'identification formelle de

micro-organismes et la constitution d'une banque de spectres serait des étapes importantes d'un,

prochaine recherche. Notre étude exploratoire a mis en lumière le potentiel de la spectroscopi,

photo-acoustique pour l'analyse et l'identification des bio-aérosols.

CHAPITRE 8

Étude rél liminaire des uarticules liroduites dans les fumées d'un scal~el électrocautériseur utilisé lors de ~rocédures chirurpicales la~arasco~iaues et lors

d'ex~érirnentations in vitro4.

INTRODUCTION

L'étude des fumées produites par un scalpel électrocautériseur a été proposée par le Dr.

Éric Poulin du département de chirurgie de l'Hôpital du Saint-Sacrement de la vilIe de Québec.

Le travail touchant le domaine médical a été réalisé par son assistant, le Dr. Jean-Guy

DesCôteaux. De plus, les contraintes propres aux salles d'opération ainsi que l'aseptisation furent

supervisés par ce dernier.

Durant les chirurgies laparascopiques, la fumée produite par les scalpels

électrocautériseurs demeure à l'intérieur de la cavité abdominale jusqu'à ce qu'elle soit évacuée

à travers un trocart ou un appareil de succion. Les produits de cette réaction pyrolitique sont alors

en contact avec le patient pour une période plus proIongée et ils peuvent éventuellement être

Ce chapitre a fait l'objet d'un article publié dans Surgical Endoscopy intitulé "PreIiminary study of electrocautery smoke particles produced in vitro and dunng laparascopic procedures" par J.-G. DesCôteaux. P. Picard, É. C. Poulin et M. Bail.

absorbés. Inversement, une décompression rapide à travers la vaive d'un grand trocart peul

résulter en une exposition significative du personnel travaillant dans la salle d'opération aux

contaminants biologiques ainsi évacués. La démonstration du potentiel mutagène et des effets

toxiques des fumées sur Ies poumons a mené à la recommandation que des systèmes d'évacuation

de fumée soient utilisés pour protéger le personnel des effets potentiellement nuisibles dus à la

présence de fumée produite durant les chirurgies ouvertes ( Baggish et al-, 1993, Gatti et al.,

1992, Tomita et al., 198 1, Tsilibary et Wussig, 1977, Wenig et al., 1993). Malgré un usage

répandu de la cautérisation dans des procédures laparascopiques en environnements fermés, peu

d'attention a été accordée à la détexmination de la composition des fumées de scaIpel

éIectrocautériseur. Par conséquent, les risques imposés par cette fumée aux patients et au

personnel hospitalier sont méconnus (Gatti et ai., 1986).

L'objectif de cette étude préliminaire était de décrire la morphologie, les dimensions et

la composition élémentaire des particules produites durant les procédures laparascopiques qui

utilisent la cautérisation éIectrique et de vérifier la méthode de collecte avec des expérimentations

in vitro.

Expériences in vivo

Pour Ies procédures laparascopiques, la fumée était récupérée de l'abdomen à travers la

valve modifiée d'un trocart jetable de 1 1 mm (Auto-Suture Company, Norwalk, CT). La valve

d'insufflation standard du trocart fut retirée et l'orifice restant sur le boîtier du trocart fut élargie

à 3 mm et usinée pour accueillir un embout qui peut recevoir un tuyau de plastique en Tygon de

5/16" (Plorthon Performance PIastics, Akron, MA) mesurant 3 m de longueur et débouchant sur

une chambre de collecte de plexiglass mesurant 0.5 m3.

Figure 8.1. Photographie du matériel utilisé pour récupérer Ies fumées produites Iors des interventions laparascopiques.

La chambre de collecte (figure 8.1) accueillait le collecteur SPAL au centre et elle était

munie d'une section tubulaire entourant la partie cylindrique du coilecteur pour concentrer au

maximum les fumées recueilIies vers l'entrée du collecteur. La figure montre aussi les trocarts

utilisés, la tubulure et la valve d'acier inoxydable utilisée pour contrôler l'évacuation des gaz et

fumées. Pour capturer les particules, nous avons utilisé des substrats d'aluminium non couverts

pour permettre une analyse spectrométrique de façon à déterminer la composition élémentaire des

particules. Le recouvrement des substrats avec un adhésif aurait pu produire des difficultés

d'analyse au spectromètre de rayons X en énergie (Cheng et Yen, 1979). Malgré le fait que les

substrats non couverts sont moins efficaces pour récupérer les particules, [es données

d'étaIonnage au chapitre 2 montrent que l'efficacité du collecteur est sembIabIe au cas des

substrats couverts pour des particules de diamètres supérieurs à 1 pm et que I'efficacité est

moindre d'environ 20% sous ce diamètre. L'évacuation du gaz et de la fumée de la paroi

abdominale s'effectuait de façon intermittente pour conserver une bonne surpression dans la zone

de travail.

Étant donné que le collecteur doit fonctionner en régime continu pour conserver ses

caractéristiques d'étalonnage, une ouverture à l'intérieur de la chambre de collecte fut percée pour

permettre une entrée d'air ambiant afin de maintenir le débit de la pompe en tout temps. La

pompe utilisée produit un niveau sonore de 96 dBA à 1 mètre ce qui excède la norme pour un

environnement telle une salle d'opération. Un caisson insonorisant à double paroi, ventilé et

possédant un revêtement de mousse de polystyrène fut construit pour diminuer le niveau sonore

à 46 dBA à 1 mètre.

Les impacteurs à cascade sont largement utilisés pour l'étude de la fumée et de la

poussière tant en milieu environnemental qu'en milieu industriel (Hering et Marple, 1983). En

médecine, ils sont utilisés pour évaluer la pénétration pulmonaire des aérosols respirables, des

aérosols respirables contenant du sang, produits par des machines outils de chirurgies

orthopédiques, et des aérosols produits par les scalpels utilisant le laser (Jewett et al,, 1992,

Nezhat et al., 1987, Taylor et al., 1993, Tomita et al., 198 1).

Une valve opérée par un chirugien assistant contrôlait l'évacuation du gaz de l'abdomen

lorsque la cautérisation avait lieu. La durée de la cautérisation effectuée à l'intérieur du patient

était enregistrée par une minuterie électronique branchée sur la pédale d'activation de l'appareil.

Toutes les procédures ont été effectuées avec un Force 40 electrochirurgical generator (Valleylab,

Boulder, Colorado) utilisé à un courant de fulguration d'une puissance de 30 W. Pour chaque cas,

la quantité de CO, utilisée, durant l'intervention, fut notée.

L'information sur la masse totale de particules collectées et leur distribution

granulométrique fut obtenue. La masse a été mesurée à l'aide d'une micro-balance électronique

Sartorius R2000D (Sartorius GMBH, Gottingen, Allemagne). L'erreur sur la mesure a été

évaluée à i: 25 pg et elle inclut la marge d'erreur sur la pesée du substrat vierge avant et après

l'expérimentation. Le microscope électronique à balayage JSM-840-A (JEOL, Peabody, MA)

donnait l'information sur la morphologie des particules. Un spectromètre dispersif en énergie

Noahern 5400 (Northern, Middleton, WT) muni d'un détecteur au germanium de haute pureté fut

utilisé comme méthode d'analyse de la composition chimique élémentaire semiquantitative pour

les particules récoltées. 98 analyses EDXA de ce genre ont été faites.

Deux échantillonnages de contrôle ont été exécutés: premièrement, l'air de la saIle

d'opération fut échantillonnée durant 2 heures à un débit de 10.3 Umin pour identifier une

éventuelle contamination des collectes faites sur des patients étant donné que cet air vient combler

le manque de débit de l'évacuation. Deuxièmement, la sortie de gaz de l'insufflateur

laparascopique fut échantillonnée pour parer à une éventuelle contamination. Le collecteur fut

branché sur cet appareil qui distribuait du CO, jusqu'à un volume total (TPN) de 200 litres. Cette

quantité est comparable à celles utilisées durant les procédures chirurgicdes. De la même façon

que lors des échantillonnages sur les patients, la différence de débit entre l'insufflateur (6 Yrnin)

et le coIlecteur (10 Urnin) fut comblée avec de l'air ambiant qui effectuait le même parcours à

travers L'orifice de la chambre de collecte. Cinq patients ont été opérés suivant trois procédures

Iaparascopiques différentes: cholecytectornie (trois cas), Nissen Fundoplication (un cas) et

résection du sigmoïde (un cas).

Expériences in vitro

L'efficacité de transmission de l'ensemble tube/trocart requis pour récupérer la fumée de

particules produite durant les procédures fut aussi vérifiée expérimentalement au laboratoire. Une

suspension de particules de concentration connue fut introduite dans une chambre de verre posée

directement au dessus d'un analyseur de particules aéroportées APS-3300. La même suspension

de particules a été poussée à travers l'ensemble tubekrocart utilisé lors des interventions et les

particules restantes à la sortie furent échantillonnées par 1'APS. Cette expérimentation à été

effectuée à six reprises et le pourcentage moyen de transmission selon le diamètre des particules

fut calculé.

Des expérimentations in vitro ont été exécutées pour évaluer l'efficacité de récolte du

système de collecte in vivo. Trois échantillons de tissus animaux (langue de veau, mésentère et

omentum de chien) ont été cautérisés durant 5 minutes chacun, ce qui représente la limite

supérieure du temps de cautérisation utilisé lors des interventions laparascopiques. Le générateur

électrochimrgical fut ajusté au même courant que lors des différents cas in vivo. La chambre de

plexiglass de 0.5 m3 utilisée lors des interventions a été placée pour l'occasion sur le côté, avec

I'impacteur et le tissu animal à l'intérieur. L'ouverture a été couverte d'un drap chirurgical à

travers lequel l'opérateur utilisait le scalpel électrocautériseur. La cautérisation fut effectuée à

proximité de I'impacteur ce qui élimine l'utilisation du trocart et du tube de Tygon. Des

évaluations au microscope électronique à balayage et des analyses EDXA ont été effectuées sur

ces échantillons.

Expériences in vivo

Les échantillonnages de contrôle pour la salle d'opération et l'équipement d'insufflation

n'ont montré aucune quantité significative de particules. Le tableau 8.1 montre les distributions

massiques des particules collectées durant les procédures chirurgicales. La masse totale des

particules collectées au cours des différentes interventions varie de 80 à 1100 pg et est constituée

en majeure partie de particdes collectées sur les étages 6 et 7. La masse totale semble augmenter

avec le temps de cautérisation, ce à quoi on devrait effectivement s'attendre. Les particules

récoltées sur les plateaux des étages 6 et 7 sont les plus petites que l'appareil échantillonne, leurs

diamètres aérodynamiques équivalents variant de 0.1 à 0.5 pm environ. Ces particules ont la

forme de sphères parfaites tel que montré à la figure 8.2 où l'on voit une photographie du substrat

de l'étage 6 prise au microscope électronique à balayage. Des particules plus imposantes (22 pm)

ont aussi été identifiées (figure 8.3) sur les étages 1, 2 et 3 pour les cinq procédures

laparascopiques et leur masse cumulative variait entre 10 et 130 pg. Le temps moyen de

cautérisation était de 4.1 minutes et la quantité de CO, requise était de 217 litres. La durée des

interventions a varié entre 85 et 180 minutes.

Tableau 8.1 Distributions massiques des particuïes collectées durant les procédures

chirurgicales.

masse totale durée de

Étage 1 2 3 4 5 6 7 ( ~ 8 ) cautérisation

Cs)

Cholecystectomy 1 O 50 70 70 90 130 700 IL10 265

Cholecystectomy 2 10 40 80 140 130 150 470 1020 265

Cholecystectomy 3 O O 40 50 60 260 580 990 303

Sigrnoi'de 20 O 30 70 100 140 370 730 350

Nissen O O 10 O O 30 40 80 68

moyenne normalisée' 2 7 19 23 26 55 159 29 1

' Ln moyenne normalisée représente: ( 1 W sec. x masse 1 temps de cautérisation ) 15.

Figure 8.2. Photographie de particules de composition saline de diamètre inférieur à 2 pm prise au microscope électronique à balayage.

Figure 8.3. Photographie d'une particule composée principalement de carbone et d'oxygène de la taille d'une cellule humaine.

Expérimentations in vitro

La mesure de l'efficacité de transmission de la tubulure a démontré des résultats similaires

pour les six expérimentations. Le taux de transmission de particules à travers l'ensemble

tubeltrocart, utilisé lors de la collecte de particules de fumée sur les patients, varie selon la

dimension des particules. Le taux variait entre 60 et 90% pour les particules entre O. 1 et 2 pm,

et il était de moins de IO % pour des particules de plus de 10 pm (figure 8.4).

Les expériences de contrôIe sur les tissus animaux ont montré une distribution différente

de celle obtenue lors des cas in vivo. La masse totale des particules s'échelonnait entre 820 et

2650 pg avec une proportion pIus importante que précédemment sur les plateaux des étages 1,

Diamètre des particules (pm)

Figure 8.4. Transmission du système tube/trocart en fonction du diamètre des particules

2 et 3 (tableau 8.2). Les collectes effectuées sur des tissus animaux ont donné approximativement

le double du nombre de particules collectées durant les procédures laparascopiques, lorsque le

temps de cautérisation était équivalent. Les distributions massiques des deux expériences sur des

tissus canins (mésentère et omentum) apparaissent comme bimodales avec des maximums aux

extrémités. La cautérisation de la langue de veau n'a pas donné la même quantité de grosses

particules ce qui est probablement dû la difference de composition du tissu.

Tableau 8.2 Distributions massiques des particules collectées durant les expérimentations

en laboratoire.

masse totale secondes de

Étage 1 2 3 4 5 6 7 (PP) cautérisation

Langue de veau 20 10 40 10 40 160 540 820 300

Omentumcanin 510 210 120 140 330 300 310 1920 300

mésentère canin 540 440 430 120 90 370 660 2650 300

moyenne normalisée" 119 73 66 30 51 92 168 599

' La moyenne normalisée représente:( 100 sec. x mwse 1 temps de cautérisation ) 13.

Microscope électronique et analyse des rayons X

L'examen de 60 photographies provenant du microscope électronique à balayage

démontre invariablement la présence, tant dans les échantillons de laboratoire que d'interventions

laparascopiques, de deux types de particules morphologiquement et chimiquement différentes.

Figure 8.5. Spectre des rayons X pour une particule de 20 pm présentée à la figure 8.3.

Premièrement, les grosses particules, parfois quelques dizaines de micromètres de diamètre, ont

des formes hétérogènes qui ressemblent à des fragments de tissus. L'analyse des rayons X

confirme leur composition par un fort signal pour le carbone et l'oxygène tel que montré sur le

spectre de la figure 8.5. Deuxièmement, les particules plus petites, qui ont une forme sphérique,

sont généralement composées de sodium et de chlore, potassium, magnésium, calcium et fer

(figure 8.6). Ces sphères de sels sont des produits de l'assèchement de gouttelettes de solutions

salines, phénomène générateur des particules bien connu (Vanderpool et Rubow. 1988).

Figure 8.6. Spectre des rayons X pour une particule de 2 pm composée de sels.

DISCUSSION

Cette étude prdiminaire descriptive a été effectuée pour démontrer les difficultés

inhérentes à la collecte et à l'identification des particules de fumée produites par des scalpels

électrocautériseurs utilisés durant des procédures laparascopiques. Malgré une évacuation intense

de la fumée, comme pour cette étude ( 125-350 litres de CO, par intervention), seulement une

petite fraction des particuIes produites peut être collectée. En particulier, les grosses particules

sont pIus difficiles à évacuer parce qu'elIes ont tendance à chuter rapidement dans l'air et à

adhérer aux surfaces humides (Bacon, 1993, Rudinger, 1980). Par exemple, une sphère de 10 pm

parcourra seulement 2.5 cm à chaque 10 secondes dans I'air au repos. Les autres facteurs qui

limitent la ricupération complète des particules produites sont le circuit composé du tube

principal, du trocart et de sa valve, la longueur de la tubulure (3 mètres) menant à 1 'impacteur,

la condensation de vapeur d'eau dans ce dernier tube et l'évacuation intermittente de la fumée.

Le diamètre de la tubulure a été choisi de façon à minimiser le volume mort entre les évacuations

et à maximiser la transmission des particules d'après les recommandation de Brockmann ( 1993).

La difficulté de récupération des grosses particules est amplifiée par Ie fait qu'elles sont produites

par l'explosion des tissus, et elles peuvent ainsi être projetées loin du tube de succion. Leur

évacuation complète de l'abdomen durant les procédures laparascopiques présente un formidable

défi et explique pourquoi, durant les interventions chirurgicales, la coIlecte a donné des masses

totales d'environ I O 0 pg, tandis que les expériences in vitro ont recueilli jusqu'à 2600 pg avec

une proportion de grosses particules beaucoup plus importante. La fulguration de l'omentum et

du mésentère canin en laboratoire éliminait plusieurs barrières de telle façon que les grosses

particules étaient colIectées plus efficacement, démontrant du même coup que les limites de

récupération sont largement techniques. Les six expériences de laboratoire effectuées dans le but

de déterminer La transmission du circuit emprunté par la fumée pour rejoindre I'impacteur

appuient Ies hypothèses justifiant la difficulté de collecte des particules de fumée provenant des

interventions sur des patients. spécidement pour les plus grosses (r 10 pm). Elles ont démontré

que les pourcentages de transmission sont grands pour Ies petites particules (60-90%) et très bas

pour les grosses particules excédant 10 micromètres (figure 8.4). Mentionnons que le fait que le

temps de cautérisation durant la fundoplication laparascopique de Nissen était tellement différent

des autres procédures et des expériences de laboratoire l'a exclue des analyses statistiques.

Néanmoins, les mesures répétées de l'analyse de Ia variance de ce petit échantillon d'expériences

montre que les distributions massiques pour les différents étages du collecteur étaient différentes

pour les cas in vivo et les cas in vitro (P3.O 187). Ceci confirme toutes les observations cliniques

et de laboratoire.

Du point de vue de Ia technique d'échantillonnage, le collecteur SPAL a permis

l'identification de particules d'origine organique qui pouvaient être aisément isolées grâce au

dépôt uniforme produit. Les distributions granulométriques trouvées lors des expériences in-vitro

et in-vivo ont mis en évidence les types de particules produites lors de l'utilisation d'un scalpel

électrocautériseur. La distribution granulométrique des masses moyennes normalisées, pour les

expériences de laboratoire, multipiiée par la transmission de l'ensemble tubeltrocart pour les

diamètres correspondants produit une distribution semblable à celle des expérimentations en salle

d'opération. Le caisson utilisé est efficace car les masses de particules recueillies in-vivo est du

même ordre de grandeur que celui des essais en laboratoire. Bien que la marge d'erreur est

importante (60% pour les masses supérieures à 25 pg) la corrélation permet d'envisager des

essais de transmission plus approfondis. Pour compléter l'analyse de la production et de

l'évacuation des particules, il faudrait déterminer le ou les endroits où les particules adhèrent et

déterminer la proportion qui reste piégée dans le trocart et la tubulure. La quantité initide de

particules produite, qui est inconnue jusqu'ici, n'est pas facile à mesurer, d'autant plus que,

durant les interventions, la cavité à l'intérieur de laquelle les scalpels sont utilisés est très

restreinte. Des expériences de simulation d'une telle cavité à paroi humide devraient être

effectuées en laboratoire afin d'évaluer la dynamique du système en entier.

Malgré les limitations inhérentes à la méthode de collecte et au faible nombri

d'échantillons, le fait demeure que des grosses particules (22 pm) sont récupérées à partir d(

toutes les procédures laparascopiques (figure 8.3)' et ceci contredit une étude largement utiIisét

comme référence qui conclut que "avec une certitude supérieure à 99.9999%' on peut affirmei

qu'il n'y a aucune particule de ta taille d'une ceIIde, incluant les cellules cancéreuses, présenti

dans la fumée produite" (Nezhat et al., 1987). Dans cette étude, le panache de fumée produit pa

un scapei laser était poussé, lui aussi, dans un impacteur à cascade. Toutefois, la fumée étai

d'abord collectée en évacuant les gaz dans un sac stérilisé et, plus tard, le contenu du sac étai

pompé à travers I'impacteur. Cette méthode néglige te fait que Ies particules de grands diamètre:

chutent rapidement et adhèrent aux surfaces. Dans cette étude, il est concevable selon les critère:

de transport d'échantillon dans des sacs (B rockmann, 1 993) que les grandes particules étaieni

présentes lors de l'évacuation et qu'elles sont restées collées sur Ies parois du sac

d'échantillonnage. Lorsque l'obstacle majeur à la coliecte de grosses particules est éliminé

nommément la distance séparant l'appareil de mesure et fe lieu de collecte, d'autres auteurs on1

identifié des cellules intactes et morphologiquement identifiables comme faisant partie du tissu

irradié par le scalpel laser (BelIina et ai., 1982, Hoye et al., 1967, Oosterhui et al., 1982).

Malgré des limitations évidentes, cette expérimentation a démontré que des particules de

Ia taille de celiuies humaines (7.5-25 pm) sont récupérées iors de la collecte de fumée produite

lors de t'utilisation d'un scaipel électrocautériseur durant des interventions Iaparascopiques. Les

plus grosses particules peuvent être composées de celluies complètes, qui peuvent contenir un

virus ou un cancer ce qui relance Ie débat sur la possibiIité de produire des effets nuisibles par

l'absorption de substances toxiques ou Ia dissémination de cellules cancéreuses. La capacité

d'absorption de la cavité péritonale est bien connue. Avec une surface de 2 m2, Ie revêtement

tissulaire péritonal peut absorber des fluides iso-osmotiques à un débit de 30 mYh (Runyon, 1993,

Shear et al., 1965) à travers les canaux transcapiI1aires comme les stomates diaphragmatiques

mesurant 4 à 12 Fm (Li11 et al., 1979, Tsilibary et Wissig, 1977). Des études sur des animaux on1

montré que des particules de latex, de diamètre alIant jusqu'à 15 prn, injectées dans la cavité

péritonale, peuvent être récupérées dans le système vasculaire pulmonaire, provoquant ainsi des

atelaectasis significatifs (Allen et Weatherford, 1959). Zink et Greenway (1977) ont auss

démontré qu'une augmentation de Ia pression intra-abdominale à 15 mmHg (la pression usuellr

du pneumopérotoneum laparascopique) peut causer une augmentation significative du tau]

d'absorption. Une augmentation de l'exposition du patient au produit de la fumée es

particulièrement évidente durant les longues procédures laparascopiques au cours desquelles i

est commun d'obsewer une perte de visibilité dans la cavité abdominale causée par Ia présencr

de fumée. Les fragments de cellules et les produits de tissus pyrolysés générés par I'utiIisatio~

de la cautérisation durant les interventions laparascopiques retenus à l'intérieur du corps peuven

causer des effets indésirables aux patients à différents degrés mais aucune hypothèse ne peut êtrr

avancée jusqu'ici avec Ia présente étude.

Il a été possible de démontrer la présence dans la fumée de scalpel électrocautériseui

d'aérosols respirables, définis par la conférence américaine des hygiénistes gouvernementaux

l'organisation internationale des standards (ISO) et le comité européen de normalisation (CEN)

comme étant des particules de 4.5 Fm de diamètre ou moins (Bartly et al., 1994). Ti est connu quc

l'exposition répétée aux fumées de scalpel Iaser ou électrocautériseur produit des changement!

pathologiques dans les poumons des rats (Wenig et al., 1993). De plus, une étude récente a fai,

une mise en garde à I'effet que les masques chirurgicaux n'offrent pas une protection adéquatr

vis-à-vis les particuies de diamètre inférieur au micromètre qui peuvent être potentiellemen,

dangereuses (HeinsoIm et Jewitt, 1993, Weber et al., 1993). La possibilité que l'exposition à long

terme aux fumées de cautériseur évacuées par les trocarts soit dommageable pour la santé d~

personnel occupant la salle d'opération ne peut être écartée à ce jour.

Les distributions granulom&riques bimodales des particules trouvées lors des essais i r

vitro ont déjà été observies et décrites (Spurny, 1986, Williamson, 1973). Les particules les plu!

grosses proviennent de l'explosion et de la fragmentation des tissus tandis que les petite:

particules sphériques résultent d'une vaporisation produisant de fines gouttelettes de fluide qu

sont asséchées durant leur déplacement jusqu'au moment de la collecte. Étant donné 1;

circulation importante de CO,, l'humidité demeure sufisamment basse pour que les gouttejette!

sèchent avant d'être capturées. Si le séchage était trop rapide, la forme des aérosols serait aitérée

(Vanderpool et Rubow, 1988). Aucune petite particule déformée n'a été observée au cours des

analyses.

Bien que plusieurs essais furent effectués pour anaIyser la composition chimique et

particulaire des fumées de cautériseur, l'identification précise de tous les composés s'est avérée

infmctueuse (Gatti et al., 1986, Health Devices, 1990). On soupçonne que ta phase gazeuse

contient plusieurs composés organiques complexes dont quelques uns sont potentiellement

toxiques (Ott, 1993). Dans notre étude, le nombre limité de particuIes récoltées rend I'andyse

quantitative de tous les composés impossible . De plus, la méthode employée ne donne pas la

nature chimique mais seulement la composition élémentaire. Avec les quantités d'aérosols en

jeu, une analyse chimique quantitative est improbable avec les méthodes actue11es d'analyse. Les

98 analyses que nous avons effectuées suggèrent la présence de structures cellulaires riches en

carbone et en oxygène à l'intérieur des fragments les plus gros comparés avec une plus grande

proportion de sels (sodium, avec chlore, magnésium, cafcium et potassium) dans les petites

particules. Ceci appuie la théorie des deux mécanismes de formation de particules lors de

l'utilisation d'un cautériseur. Cependant, même si cette étude démontre la récupération de

grosses particules de formes irrégulières de dimensions cellulaires à partir des fumées de

cautérisation et même si leur composition élémentaire est compatible avec des origines

cellulaires, une vérification de la viabilité ou de l'histologie des échantillons est nécessaire avant

de prouver hors de tout doute qu'il s'agit bien de cellules ou de fragments de cellules.

Les cautériseurs électrochirurgicaux produisent des substances dans des états variés de

combustion et la matière effluente provenant de la cavité abdominale durant une procédure

laparascopique est une combinaison complexe de gaz d'insufflation, de fluides corporels, de

matière particulaire et de matière gazeuse qui peuvent représenter un intérêt spécial étant donné

que l'environnement est fermé (Ott, 1993). Des recherches sont nécessaires pour identifier

clairement la matière particulaire et gazeuse produite durant les interventions laparascopiques et

déterminer les effets nocifs possibles spécialement pour les interventions de longue durée.

CONCLUSION

La récupération des fumées de cautéciseur à l'aide de l'ensemble tube/trocart branché sur

le caisson contenant Ie collecteur SPAL a permis de déterminer qu'elles sont composées

principalement de deux populations de particules dont la nature chimique précise ne peut être

déterminée exhaustivement avec les technologies actuelles. La mesure de la transmission de Ia

tubulure d'évacuation et du trocart, déterminée en laboratoire, a démontré la difficulté de

récupération des particules de grande taille. L'analyse des rayons X par dispersion d'énergie et

l'observation des particules individuelles au ME%, exercice facilité grâce au dépôt étendu fourni

par le SPAL, a montré que les petites particules (0.1-0.5 pm) sont des sphères homogènes. Leur

forme et leur composition élémentaire de sodium, chlore, calcium, magnésium et potassium

suggèrent qu'elles sont composées de sels séchés. Les particules plus grosses (2-25 pm) sont

présentes sous des formes irrégulières, riches en carbone et en oxygène, suggérant une structure

cellulaire. La récupération de ces grosses particules est difficile durant les interventions

laparascopiques car les propriétés aérodynamiques de ces particules limitent ta distance qu'eiles

peuvent parcourir avant d'être échantilIonnées. L'identification chimique précise des particules

de fumée de cautériseur n'est pas disponible présentement. Des aérosols respinbles (54.5 pm)

et du matérie1 probablement cellulaire (27 pm) sont trouvés dans les fumées de cautériseurs. On

ne sait pas jusqu'à maintenant si la fumSe retenue dans l'abdomen d'un patient ou évacuée dans

la salle d'opération produit des effets nocifs sur la santé du patient ou du personnel travaillant

dans la saile. il s'agit là d'une avenue de recherche future qui serait fort intéressante d'un point

de vue toxicologique.

L'étude des aérosols représente un problème multidirnensionnel dont la solution passe pa

la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques: granulométrie, morphoiogie e

composition chimique entre autres. Une synthèse de ces paramètres doit en théorie permettr

d'évaluer de façon exhaustive l'impact lié à un aérosol dans une situation donnée. Par exemple

en milieu industriel, on sera intéressé à évaluer l'influence de la taille, de la forme, de 1,

réactivité chimique etc. de certaines poussières sur leur toxicité, ce qui détermine les risques réel

encourus par les travailleurs exposés.

L'étape première et cruciale, de l'étude des aérosols demeure l'échantillonnage qui es

déterminant pour toutes les étapes ultérieures des recherches en ce domaine. Notre groupe dc

recherche a mis l'accent au fil des années sur des techniques d'analyses dites "physique" à I'aidc

de sondes diverses (électrons, photons, ions...). De façon à maximiser Ie rendement der

techniques d'analyses appliquées aux aérosols, nous avons été amené à construire un collecteui

qui puisse fournir un dépôt dont la forme et la densité soient plus adaptées aux exigence:

analytiques: le collecteur SPAL. Le fonctionnement du collecteur inertiei a été décrit de façor

théorique et évalué à l'aide d'un programme de caIcui que nous avons écrit et qui est basé sur 1:

théorie de la dynamique des gaz des impacteurs à cascade. L'étalonnage de I'appareil, à l'aidc

d'un montage de production d'aérosols simple et efficace, a confirmé les résultats du calcu:

théorique. Le collecteur SPAL montre des coupures caractéristiques franches à chaque étage el

les valeurs expérimentales de D,, vont de 0.06 Fm jusqu'â 9.8 pm pour un débit de 10.3 Vrnin

De plus, l'appareil peut être opéré à des débits nominaux de 10 ou 20 ]/min ce qui permet une

plus grande flexibilité pour I'échantillonnage dans des endroits diversement contaminés. Le5

dépôts résultants de l'utilisation du collecteur sont de forme annuIaire et les particules soni

dispersées avec une légère variation de densité sucfacique dans la direction radiale lorsque les

substrats sont employés sans couche adhésive.

Un apport intéressant a été l'utilisation d'un système de saisie et de traitement d'image

pour l'étalonnage du collecteur. Le dénombrement des particules, facilité par la forme étalée du

dépôt fourni par le SPAL, a pu ètre utilisé pour calculer la quantité de matière déposée sur chaque

étage, et ce avec une sensibilité accrue pour les particules de diamètres supérieurs à 1 pm par

rapport à la simple pesée des substrats et même par rapport à une détermination par

spectrophotométrie.

Les caractéristiques du collecteur SPAL ont été conservées suite aux modifications

apportées afin de le rendre compatible avec l'échantillonnage de bio-aérosols. Les performances

du collecteur SPALBIO ont été comparées à celles du collecteur Andersen et, sur la base de

résultats relatifs, elles sont très analogues. Toutefois, une évaluation en profondeur des

performances de l'appareil avec des bio-aérosols produits dans un environnement contrôlé

apporterait des informations complémentaires sur les comportements du collecteur avec des

particules viables. Il y aurait également lieu de développer une méthode qui permette de

déterminer Ie taux de mortalité des micro-organismes échantillonnés. Les essais pratiques du

collecteur et de la méthode d'énumération automatisée des micro-colonies ont permis

d'augmenter la densité surfacique maximale admissible d'un facteur 5. Le développement d'une

méthodologie utilisant les micro-colonies pourrait rapprocher le nombre d'unités formant des

colonies par mètre cube d'air échantiiionné [U?;C/m3) du nombre réel de bio-aérosois viables par

mètre cube d'air. Ainsi, en comptant des micro-colonies plutôt que les macro-colonies usuelles,

les effets perturbateurs (recouvrement, manque de nutriment, etc.) seraient minimisés.

L'intérêt et la possibilité avec le SPAL de procéder à l'analyse de particules individuelles

nous ont amené à l'évaluation de la technique d'analyse des rayons X par dispersion d'énergie

(EDXA) pour la quantification de la composition chimique de particules discrètes. Le dépôt

étendu produit par le collecteur permet d'obtenir une densité surfacique telle que les spectres des

particuIes individueltes ne contiennent pas de signaux parasites. La méthode de correction

implantée et vérifiée a produit des résultats qui donnent la composition massique relative pour

les principaux composés d'un mélange de sulfates avec un écart type de 13% et, pour le MgSO,

seul, les proportions du magnésium et du soufre avec un écart type de 8.2% pour des particule!

de diamètre supérieur à 1 Pm. Bien que des travaux d'amélioration sont toujours en cours dan!

différents laboratoires pour parfaire la méthode de correction des intensités, les artéfacts et le:

contraintes géométriques imposent des variations qui ont pour effet de limiter la qualité de!

anaIyses des composés mineurs. L'utilisation de cette technique doit se faire dans I'optique que

les mesures donnent rapidement l'information sur les éléments majeurs et peuvent identifie]

qualitativement certains éléments mineurs.

Le collecteur SPAL procure des échmtillons qui peuvent également être analysés par 12

spectroscopie photo-acoustique m. En effet, le dépôt couvre le champ du faisceau infrarouge

produit par l'interféromètre. Les analyses sur substrats conventionnels (aluminium

polycarbonate et polyester) n'ont pas donné de résultats permettant de mettre en valeur le:

signaux des aérosols. Toutefois, I'utilisation d'une pastille de KBr comme substrat a permis

d'obtenir une sensibilité du même ordre de grandeur que pour la technique FïïR en transmission

La possibilité d'insérer des substrats de ce type dans le collecteur ouvre Ia voie à t'utilisation plus

étendue de cette technique. Les caractéristiques propres à ce type de spectroscopie (seule 1:

radiation absorbée produit un signai, peu sensible à la diffraction, à la morphologie des particules

etc.) laissent entrevoir un potentiel de recherche certain et on peut espérer des résultats valables

même pour l'analyse de particules individuelles en optimisant les conditions expirimentales.

L'analyse exploratoire de cultures de champignons microscopiques par FTIR-SPA 2

donné des résultats encourageants. Le potentiel de la technique a été confirmé et il es1

envisageable de poursuivre les recherches dans cette avenue. L'importance notoire de

l'identification formelle des micro-organismes augmente d'autant plus l'intérêt que l'on peul

porter à cette méthode étant donné que, bien que prometteuses, les autres techniques de mesure

physique appliquées à l'identification, n'ont pas encore permis de remplacer la méthode lente ei

incommode des cultures classiques.

L'étude des hmées produites par les scalpels électrocautériseurs lors d'interventions

chirurgicales laparascopiques constitue un bel exemple de l'intégration des ressources et

méthodes que peut nécessiter l'étude d'un aérosol particulier. Les recherches s'échelonnaient

de I'échantilionnage à l'interprétation en passant par l'analyse au microscope électronique à

balayage. Cette étude a permis de répondre à une problématique à l'effet que des particules de

grande taille demeurent à l'intérieur de la cavité abdominde des patients. Nous avons en effet

mis en évidence deux types de particules: des petites (1 pm et moins) composées de sels présents

dans l'organisme et de plus grosses (5 prn et plus ) qui étaient des fragments ceIlutaires. À partir

de ces résultats, d'autres démarchent peuvent être entreprises pour évaluer le potentiel toxique

de ces fumées que ce soit pour le personnel travaillant à proximité ou pour le patient lui-même.

Chacune des étapes de la recherche sur les aérosols doit être regardée avec soin car la

justesse de l'étude en dépend. Si l'échantillonnage, au départ, ne tient pas compte des besoins

des techniques d'analyses, les résultats en seront affectés et ne pourront prétendre représenter

correctement une situation donnée. il est impératif de maîtriser le maximum de paramètres dans

chacun des domaines touchés pour être en mesure d'obtenir des résultats représentatifs et

concluants. Le caractère multidisciplinaire du problème des aérosols entraîne la nécessité de

connaître et de conjuguer plusieurs domaines de compétence et ce, même s'ils peuvent sembler

à premisre vue bien distincts.

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ANNEXE A

Liste du Dromamrne Basic de calcul des diamètres de couDure D,,

looREM**********************************************************

1 10 REM Programme effectuant le calcul du diamètre aérodynamique 120 REM des particules collectées par une fente rectangulaire 1 3 0 ~ ~ ~ ********************************************************** 140 REM Définition des variables 1 5 0 ~ ~ ~ ************************** 160 REM UN, DEUX, TROIS, QUATRE, SIX: compteurs 170 REM Q: débit volumétrique à Pression et température ambiantes (Ilmin) 180 REM P: pression de départ (Pa) 190 REM T: température de départ (K) 200 REM DENS: densité des poussières (g/cma) 210 REM STK: nombre de Stoke 220 REM C: facteur de Cunningham 230 REM UO: viscosité de référence (Pas) 240 REM TO: température de référence (K) 250 REM ROO: densité de référence (kg/ma) 260 REM PO: pression de référence (Pa) 270 REM U: viscosité à la sortie du jet (Pas) 280 REM T: température à la sortie du jet (K) 290 REM RO: densité à la sortie du jet (kg/ma) 300 REM P: pression à la sortie du jet (Pa) 3 10 REM DM: débit massique (kg/s) 320 REM W: largeur de la fente (pm) 330 REM L: longueur de la fente (cm) 340 REM AC: surface critique pour la pression et la température d'arrêt (m2) 350 REM A: surface à la sortie du jet (m*) 360 REM M: nombre de Mach 370 REM MACH1: vitesse du son dans l'air à TO ( d s )

380 REM LPM: libre parcours moyen dans l'air (pm) 390 REM RE: nombre de Reynold 400 REM CD: coefficient de décharge; débit réddébit isentropique 410 CLS 420 REM ---- variables d'entrées 42 t D M D M ( IO), REYNOLD(1 O), W S S E ( 1 0 ) 422 D M TEMPERATURE( 1 O), PRESSION( 1 0) 424 Q = 12 440 RESTORE 450 LOCATE 20, 1 : PRINT "Catculs en cours" 480 DENS = 1 490 STK = -59 500 C = 1 505 CD = L 590 REM -------- mise à jour des variabies 600 ROO= RO: TO=T: PO= P: UO=U 610 DM = Q * ROO / 60000! 670 REM ------- ---------- C a k d de D50 pour 7 étages en cascade. 680 FOR TROIS = 1 TO 7 690 READ W 700 READ L 705 L = l * L 7 10 AC = (DM * SQR(T0)) / (.O404 * PO) 720 A=W*.000001*L*.01 725 IF (AC / (CD * A)) > 1 THEN 1260 'condition du débit maximum 730 REM --------------- Relations isentropiques 740 FORUN=lTO 10 750 M = (AC / A) * (333333 * ( 1 + .2 * M A 2)) A 3'caicul du nombre de Mac 760 NEXT UN 770 T=TO/(L + . 2 * M A 2 ) 780 P=PO/ ( I + .2*MA2)"3 .5 790 MACH1 = 20.04 * SQR(T) 800 V=M*MACHl 810 U=UO*(T/TO)".77 820 R 0 = R 0 0 / ( 1 + . 2 * M A 2 ) " 2 . 5 830 R E = 2 * R O * V * W / ( U * 1000000!) 840 REM ------- ---- Correction de la non-isentropie avec CD 850 FOR SIX = 1 TO 10 860 IF RE c 1000 THEN 870 ELSE 880 870 CD = .3 1 *( RE*W/T) A .159: GOTO 885 880 CD = .93 885 IF (AC / (CD * A)) > 1 THEN 1260 'condition du débit maximum 890 FORUN= 1 TO 10

900 M = (AC 1 (CD * A)) * (.833333 * (1 + -2 * M A 2)) A 3'nombre de Mach 910 NEXT UN 920 T = T O / ( l + . 2 * M A 2 ) 930 P=POl ( l + .2*MA2)"3 .5 940 MACH 1 = 20.04 * SQR(T) 950 V = M * MACH1 960 U=UO * (TITO)" .7 970 RO=ROOl(1+.2 * M A 2 ) "2.5 980 R E = 2 * RO*V* W l ( U * 1000000!) 990 NEXT SIX 1 O 1 O REM ------- Calcul de D50 1013 REM if (TROIS = 5) THEN P = 95302! 1014 REM IF (TROIS =6) THEN P = 86638! 1015 IF(TROIS=7)THENP=41139! 1020 LPM = 4.132 * T A 1.3 1 P 'libre parcours moyen 1030 FORDEUX= 1TO 10 1040 D50=(1000*(STK*W*U*9)/(2*V*C*DENS))".5 1050 C = 1 + (1.257 * 2 * LPM 1 D50) + (-8 * LPM / D50) * EXP(--55 * DSO / LPM) 1060 LOCATE 12, 1 : PRINT USING "##.##"; D50 1070 NEXT DEUX 1080 REM -------- mémorisation des caractéristiques 1090 VITESSE(TRO1S) = V 1 100 REYNOLD(TRO1S) = RE 1 1 1 O TEMPERATURE(TRO1S) = T 1 120 PRESSION(TR0IS) = P 1 130 DIAM(TRO1S) = D50 12 10 UO = U: TO = T: ROO = RO: PO = P'échange des paramètres de départ 1220 NEXT TROIS 1230 GOSUB 5000 1235 NEXT QUATFE 1240 END 1260REM**Y**********************************************

1270 REM écoulement limité par Ie débit massique maximum 128OmM************************************************* 1290 Q = Q - .OS 1295 CLS : PRlNT USING "Débit diminué à (Ilmin): ##.##"; Q 1300 GOTO 440 1320~~~****************************

1330 REM Data des fentes: W, L 1340REM**************************** 1350 DATA 1850,2.84,l320,2,1320, 1,763.5,0.82,305.4,1.4,254.5,0.7,180,0.6 2000 REM ------------- écriture à l'écran 2005 CLS

2010 PEüNT "Débit (I/min):"; : PRINT USING "##.##; Q; : PRINT " "; "Température d'entrée (K):"; 2020 PRTNT USING "###.#Y; TO 2040 PRINT " D50 Re P T V" 2 150 REM --- écriture du tableau 2lSSFORUN= 1 T 0 7 2 160 PRINT USING "##.###"; DIAM(UN); : PRINT SPACE$(S); 2170 PRINT USING "####.#; REYNOLD(UN); : PRINT SPACE$(S); 2 1 80 PRINT USING "######.#; PRESSION(UN); : PRINT SPACE$(S); 2 190 PRINT USING "###.#"; TEMPERATURE(UN); : PRINT SPACE$@); 2200 PRNI' USING "###.#; WTESSECCTN) 2210 NEXT UN 2240 P m : P m : P m : P m 2250 V$ = N E Y $ : IF V$ = "" THEN 2250 2260 RETWRN 5000 REM impression de l'entête 50 10 LPRINTT "Débit (Ilmin): "; : LPRINT USING "##.##"; Q; : LPRINT " "; "Température d'entrée (K):"; 5020 LPRINT USING "###.#"; T 5030 LPRINT 5040 LPRINT " D50 Re P T V" 5 150 REM --------- écriture du tableau sur imprimante 51% FOR UN=l TO 7 5 160 LPRINT USING "##.###"; DIAM(UN); : LPRINT SPACE$(S); 5 1 70 LPiUNT USING "####.#" ; REYNOLD(UN); : LPRINT SPACE$(5); 5 180 LPRINT USING "######.#; PRESSION(UN); : LPRINT SPACE$(S); 5 190 LPRINT USING "###.#"; TEMPERATURE(UN); : LPRINT SPACE$(S); 3200 LPMNT USITU'G "###.#"; VITESSE~N) 5210 NEXT UN 5240 LPRINT : LPRINT : LPRINT : LPRINT 5250 RETURN

ANNEXE B

Fonctionnement du svstème de contrôle des moteurs Das à Das.

Le contrôle des moteurs unipolaires s'effectue à l'aide d'un circuit électronique simple.

Le principe de fonctionnement général de ce type de moteur peut être expliqué de Ia façon

suivante: imaginons que le rotor soit un aimant permanent de forme circulaire enchâssé entre

deux bobines électromagnétiques séparées, D et G, appelées stators. Cette configuration

simplifiée permet au rotor d'occuper quatre positions différentes, distantes de 90". Dans la

première position, les bobines D et G sont alimentées avec la même polarité, le rotor s'oriente

dans le champ ainsi produit jusqu'à ce qu'il occupe une position stable. La seconde position est

obtenue en inversant la polarité de G, ensuite la polarité de D et ainsi de suite. Il suffit d'inverser

la chronologie de ce processus pour obtenir une rotation en sens inverse. Pour les moteurs réels,

le nombre de pas est augmenté en associant plusieurs rotors et plusieurs stators décalés Ies uns

par rapport aux autres. On obtient ainsi facilement des moteurs à 200 pas ou plus.

La commande d'un moteur unipolaire doit se faire avec une chronoIogie très particulière.

Le chronogramme de la figure B. 1 montre les états nécessaires au fonctionnement d'un moteur

de ce type. Le tableau B. 1 présente les polarités appliquées sur les bobines doubles à point

milieu, L1 et L2 formant la bobine #1 et L3 et L4 formant la bobine #2. Les séquences montrées

au tableau B. 1 sont inversées chronologiquement selon le sens de rotation . Pour obtenir des

signaux qui respectent cette chronologie, il suffit d'associer deux bascules D interconnectée

(figure B.2) de façon à ce que la sortie complémentée de l'une commande l'entrée de l'autre, e

vice versa, en utilisant la sortie non complémentée de la seconde. À chaque flanc montant di

l'entrée de l'horloge, le contenu de l'entrée DATA est transféré sur les sorties de la bascule. Le,

deux sorties changent de polarité après deux coups d'horloge et elles sont décalées d'un

Figure B.1. Chronogramme d'état des sorties des bascules D.

Figure B.2. Schéma du circuit de contrôle d'un moteur pas à pas unipolaire.

changement de polarité. Le sens de rotation est appliqué au circuit à I'aide de la propriété

inverseuse d'une porte " O U exclusif. À I'aide de deux portes de ce type, et suivant le niveau

appliqué à la borne droite-gauche DIG, on obtient l'inversion ou non des données présentées sur

les broches DATA.

Tableau B.1 Cycle des polarités à appliquer sur les bobines

Sens de rotation Bobine #1

L1 et L2

Bobine #2

L3 et LA

droite

droite

droite

droite

gauche

gauche

gauche

gauche

Ii est évident que les enroulements d'un tel moteur, même de faible puissance, ne peuvent

se contenter du courant fourni par les deux bascules. On utilise pour l'amplification huit

transistors Darlington couplés deux à deux et contenus dans un circuit intégré de type ULN 2803.

Chaque transistor de ce circuit peut supporter un courant maximal de 500 mA. Le doublement des

transistors permet d'obtenir un courant maximum de 1 A pour chaque enroulement, ce qui est

suffisant pour la mzjorité des moteurs de puissance moyenne. Les résistances R, à R, permettent

d'équilibrer les courants circulant à travers les deux transistors de chaque enroulement et servent

aussi de protection dans le cas d'un court-circuit à la sortie. Des diodes déjà incorporées dans le

circuit intégré et dont le commun est relié à la borne V' permettent d'éviter les pics de tensions

inductives créés par les bobines, lesquels ne manqueraient pas de détruire les transistors de

puissance. Les moteurs demeurent sous tension même lorsquiil n'y a pas de déplacement pour

assurer le maintien de la position. Ceci augmente la consommation d'énergie et la dissipation de

chaleur à l'intérieur du boitîer. Le choix des valeurs des résistances optimise la puissance du

moteur en fonction des besoins de la platine tout en réduisant la dissipation pour minimiser

1 'échauffement du semiconducteur.

ANNEXE C

Liste du woaramme C++ de dénombrement des ~articules.

extern unsigned s tk len = 30000U; typedef int huge *IHu'GE;

/* Fonction qui évalue le nombre de particules ainsi que leurs superficies */

void denombre-particules(1ong reponse[2], int *niveau-limite) { MUGE x; MUGE y; MUGE direc; int i, j, k, 1; int x-scan, y-scan; int xmax, yrnax; unsigned long dimen-posi, dimen-mem; int compteur-pixel; long dimension-mem; int invalid, grl;

long npart = 01, part_suppl= 01; int slut[256]; long pixel-ma, npix-part[2000];

/* Formation d'une image binaire */

for(i=û; ic*niveau-limite; i++) ( slut[i] = 0; 1

for(i=*niveau-limite; iR56 ; it+) { slut[i] = 230; 1

iw-lutop( stdiw, slut); iw-disp( stdiw);

/* Allocation dynamique de la mémoire nécessaire au dénombrement */

dimen-posi = 25000; dimen-mem = dimen-posi * sizeof(IHUGE);

if ((x = ((IHUGE) farmalloc(dimen-mem))) == NULL) ( printf("II n'y a pas assez de memoire disponible"); exit(1); 1;

if ((y = ((IHUGE) farmalloc(dimen-mem))) == NLJLL) { printf("I1 n'y a pas assez de memoire disponible"); exit(1); 1;

if ((direc = ((IHUGE) farmalloc(dimen-mem))) = NULL)

printf("Il n'y a pas assez de memoire disponible"); exit(1); 1;

rgopen( stdiw, 1, 1, RG-SCANX); /* Ouverture de l'image */

whiIe (!rg_eoiw( s tdiw)) /* Boucle pour toutes les pixels */ { gr1 = r ~ r d ( stdiw);

if (gr1 > *niveau-limite) I* Évaluation des particules */ [ /* de luminosité supérieure à niveau-limite */ x-scan = rg_x( stdiw); y-scan = r u ( stdiw); compteur-pixel = 0; compteur-pixel] = x-scan; y[cornpteur-pixei] = y-scan; direc[compteur-pixel] = 0; gr1 = 0; r&wt( stdiw, 0); while(cornpteur-pixel > -1)

I x-scan = compteur-pixel]; y-scm = compteur-pixel]; switch(direc[compteur~pixel]) /* Recherche récursive dans toutes */ { /* les directions */ case O: x-scan = x-scan + 1 ;

break;

case 1 : x-scan = x-scan - 1 ; break;

case 2: y-scan = y-scan - 1 ; break;

case 3: y s a n = y-scan + 1 ; break;

case 4: x-scan = x-scan + 1 ; y-scan = y-scan + 1 ; break;

case 5: x-scan = x-scan - 1 ; y-scan = y-scan +l; break;

case 6: x-scan = xscan + 1 ; y-scan = y-scan - 1 ; break;

case 7: x-scan = xscan -1; y-scan = y-scan - 1 ; break;

case 8: compteur-pixeI = compteur-pixel - 1 ; x-scan = compteur-pixel] ; y-scan = y[compteur-pixel]; break;

default: printf("\nIl y a debordement dans la direction ERREUR FATALE D'ALGOFUTHME");

printf("\n%d %d %d %dm, x-scan, y-scan, direc[compteur-pixel], compteur-pixel);

exit(1); break;

} /* fin du SWITCH */

invalid = 0; if((x-scan < 0) I I (x-scan >= 5 12)) ( invalid = 1 ; 1;

if ((y-scan < 0) il (y-scan >= 480)) ( invalid = 1 ;

1; if (invalid = 1) { direc[compteur-pixel] = direc[compteur-pixel] + 1 ; } ;

if (invalid = 0) { gr1 = rg_rpix( stdiw, x-scan, y-scan); if (gr1 > *niveauJimite) I rg_wt( stdiw, 0); pixel-max += 1 ; compteur-pixel = compteur-pixel + 1 ;

x[cornpteur-pixel] = xscan; y[cornpteur-pixel] = y-scan; direc[compteur-pixel] = 0;

) ; /* fin de vatide = O */

} ; /* fin de l'enumeration des pixels */ npix-part[npart] = pixel-max + 11; if (npix-part[npart] >= 5) npart = npart + i; if ((pixel-max + 1) > 10) part_suppl= part-suppl + pixet-rnax/5; pixel-max = 01;

} ; /* fin du if de l'evaluation d'une particule */

part-suppl = 01; rgnext( stdiw); if( (rgy(stdiw)) > 484) break; if(npart = 2000) break; /* limite de 2000 particules */ 1

rgclose( stdiw); farfree( x); farfree( y); f&ree( direc);

reponse[O] = npart + part-suppl;

/* Contrôle du déplacement de la platine du microscope par */ /* l'écriture d'un octet sur le port parallèle d'une imprimante */ /* Le chiffre est encodé sur les bits 2 à 9 inclusivement */

void deplacement(int direction 1, int direction2, int pas) (

int numero-port = 888; int i, j;

outportb(numero-port, direction2); for (i=O; icpas; i++) [ outportb(numero-port, direction 1); for Q=0; jc500; j++) /* vitesse des moteurs */ outportb(numero-port, directionl); 1

outportb(numero-port, 0); 1

void mouvement-platine() ( int direction 1, direction2, pas=200; char caract; int deplace = 0; int posix=O,posiy=O; int increment=l ;

clrscr(); gotoxy( 1 23); printf("I3ougez la platine jusqu'au secteur désiré puis, appuyez sur Esc"); gotoxy( l,24); printf("x = %3d , y = %3d , pas = %3d , incrément = %3dV, posix, posiy, pas, increment); while ((caract = getch()) != 27)

( switch (caract)

I case 49:direction 1 = ! 1; direction2 = 8;break; case 50:direction 1 = 1 ; direction2 = 0;break; case 5 1:direction 1 = 3; direction2 = 0;break; case 52:direction 1 = 10; direction2 = 8;break; case 54:direction 1 = 2; direction2 = 0;break; case 55:direction 1 = 15; direction2 = 12;brea.k; case 56:directionI = 5; direction2 = 4;break; case 57:direction 1 = 7; direction2 = $;break; case 47:if (pas>2450) {deplace= 1 ;break; } else pas+=increment; deplace =

1 ;break; case 42:if ((pas-increment)c=O) {deplace= 1 ;break; } else pas-=increment; deplacc

= 1 ;break;

case 45:if (increment ==5) { increment = 1 ;deplace = i ;break; ) else { if (incrementd) ( deplace= 1 ;break; } else

increment-=5;deplace= 1 ;break; } case 6 1 :if (incrementA5) {deplace= 1 ;break; ) eIse (if (incrernent=l:

{ increment=5;deplace= 1 ;break; } else increment+=5;deplace= 1 ;break;)

default: deplace = 1 ;break; 1

if (deplace = 0) deplacement(direction 1 ,direction2,pas); eIse deplace = 0; clrscr(); gotoxy( l,8); printf("Bougez la platine jusqu'au secteur désiré puis, appuyez sur Esc"); gotoxy( l,24); printf("x = %3d, y = %3d, pas = %3d, incrément = %3dH, posix, posiy, pas, incrernent);

void moyenneadjacent3(long histo[256]) { long histo2[256]; int i;

histo2[0] = histo[O]; histo2[1] = histo[l]; histo2[254] = histo[254]; histo2[255] = histo[255]; for (i=2; k254; i++)

{ histo2[i] = (histo[i-1] + histo[i] + histo[i+l])/3; 1

for (i=2; ic256; ii+) { histolil = histo2[i]; 1

1

void intensite-limite(1ong histo_ref[256], int *niveauJimite) I FILE *sortie; Iong int i; double somme-pixel = 0.0; doubIe moyenne2 = 0.0; double carre, diff; double variance;

for(i=Q; iQ56; i u ) { somme-pixel = somme-pixel + histo-ref[iJ; 1

for(i=O; id56; i-ti) moyenne2 = moyenne2 +((i+l) * (histo-ref[i] / somme-pixel)); for(i=O; id56; i++)

I variance = variance + (pow(((i+ 1)-moyenneS),S)*histo-rem]/ somme-pixel); 1

variance = sqrt(variance); *niveau-iimi te = (int) (moyenne2 + (3*variance));

void reference-xy() I int mode = O-RDIO-WT; int orig = ORG-TOP; char caract; int gmode;

while(caract != ' 1 ') I stdiw = iw-open( mode, orig); iw-disp( stdiw); grnode = -1; iw-grab( stdiw, gmode); mouvementplatine(); ,mode = 0; iw_grab( stdiw, gmode); clrscr();

gotoxy(l,l2); printf("Si la position est bonne tapez 1, sinon une autre touche"); caract = getch(); iw-free(stdiw); 1

void imprime-ecran(f1oat resul t [ 1001 [2], int compteur) ( int compteur2 = 0; int compteur3 = 0;

clrscr(); while (compteud != compteur) ( while (compteur3 != 4) ( printf("%âf ", resuIt[compteur2][0]); comp teud*; cornpteur3u; if (compteud = compteur) break; 1 compteur3 = 0; printf("\nW); 1 printf("\n\n Appuyez sur une touche pour continuer");

void fichier-resuIt(fi oat resuIt[100][2], int compteur) ( char carak[20], carak2[8], str 11251; int i j ; FlLE *sortie;

clrscr(); gotoxy( 172); printf("----- NOTE ----- la variable résultat est remise à zéro"); gotoxy(l,l2); strcpy(carak, "a: "); printf("Entrez le nom du Fichier: "); gets(carak2);

strcat(carak, carak2); strcat(carak, " .datW); sortie = fopen( car& "w+bW);

{ gcvt(result[i][O], 7,&strl [O]); for 6=0; jQ5; j*)

{ if (str 1 Li] = NULL) { break; } ; putc(str i [j], sortie); 1

putt(',', sortie); gcvt(result[i][l], 7,&strl [O]); for (&O; $25; jtt)

{ if(strlUJ == NULL) ( break;); putc(str 1 u], sortie); 1

putc(V, sortie);putc('hl, sortie); 1

/* Initidisation de la sphere aux valeurs de départ */

void init-sphere( int b[8][8], int sphere[8][8]) { int i, j;

for (i=O; ic8; i u ) for Q=0; jc8; ji-i-)

( b[i]u] = sphere[i][j];); 1

/* Détection du passage de la sphère près des bordures de l'image */

void verifle-posi-spliere(int x-sphere, int y-sphere, int depfin[4]) (

int verifi;

/* Venfication du côté gauche de l'image */ verifi = x-sphere -4; if(verifi < 0)

switch(verifi) I

case -4: depfin[O] = 0; break;

case -3: depfin[O] = - 1; break;

case -2: depfin[O] = -2; break;

case -1: depfin[O] = -3; break;

default: printF("Erreur dans les limites de la sphereùi"); exit( 1 ) ; break;

1 else depfin[O] = -4;

/* Vérification de la limite supérieure */

verifi = y-sphere -4; if(verifi < 0)

switch(verifi) (

case -4: depfin[ ! ] = 0; break;

case -3: depfin[ 13 = - 1 ;

case -2: depfin[ 11 = -2; break;

case -1: depfin[l] =-3; break;

default: printf("Erreur dans les limites de la sphereh"); exit(1); break;

1 else depfin[l] = -4;

/* Vérification de la droite */

verifi = xsphere +4; if(verifi > 64)

switch(verifi)

case 65: depfin[2] = 3; break;

case 66: depfin[2] = 2; break;

case 67: depfin[2]= 1 ; break;

case 68: depfin[2] = 0; break;

defauIt: printf("Erreur dans les limites de la sphereh "); exit(1); break;

1 etse depfin[2] = 4;

/* Vérification de la Limite inférieure */ verifi = y-sphere +4; if(verifi > 64)

switch[verifi) {

case 65: depfin[3] = 3; break;

case 66: depfin[3] = 2; break;

case 67: depfin[3] = 1 ; break;

case 68: depfin[3] = 0; break;

default: printf("Erreur dans les limites de la sphereh"); exit(1); break;

1 else depfÏn[3] = 4;

} /* fin de la fonction verifje-posi-sphere */

/* FONCTION de I'elimination du fond continu */

void elimine-fond() ( int i, j, k, 1, z, zz, x-sphere, y-sphere; int sphere[8] [8] = (43,43,45,45,45,45,43,43,

43,45,46,47,47,46,45,43, 45,46,46,47,47,46,46,45, 45,47,47,48,48,47,47,45, 45,47,47,48,48,47,47,45, 45,46,46,47,47,46,46,45, 43,45,46,47,47,46,45,43, 43,43,45,45,45,45,43,43 } ;

int offsetx, offsety, b[8][8]; int depfin[4]; /* limite des rebords */ int minimum, difference; int x-scan, y-scan, grl, limb, lima; IW *iwb; int mode = O-RDIO-WT; /* variable de la carte */ int orig = ORG-TOP; /* d'acquisition */

clrscr(); gotoxy( l,12); printf("Nous procédons a la soustraction du fond continu.\nW); printf(" veuillez patienter quelques instants");

/* ouverture de l'image du fond continu et initialisation */

iwb = iwopen( mode, orig); gr1 = 0; iw-set( iwb, grl); iw-disp( iwb);

/* debut de la procedure */

for( y-sphere=O; y-spherec64; y_spherec=4 ) /* boucles de deplacement */ ( /* de la sphere */ for( x-sphere=O; x-spherec64; x_sphere+=4 ) I rg_open( stdiw, 1, 1, RG-RDIRG-SCANX); minimum = 255; verifie-posi-sphere( x-sphere, y-sphere, depfin); init-sphere(b, sphere);

for (I=depfin[l]; Icdepfin[3]; l t t - ) /* boucles couvrant toutes */ { /* les parties de la sphere*/ for (k=depfin[O] ; k<depfin[2]; k t t ) { if ((y-sphere + I)> 63) limb = 4; /* limite du rebord de */ else limb = 8; /* l'image */ if ((xsphere + k)> 63) lima = 4; else lima = 8; for ( zz=l; zzcIimb; zz+=4) /* boucles pour evaluer la diff. */ { /* entre la sphere e t l'image à */ for ( z=l; zclima; z+=4) /* chacun des pixels */ ( xscan = z + (k*8) + (x-sphere * 8); y-scan = zz+ (I*8) + (y-sphere * 8); if (y-scan > 484) break; gr1 = rg_rpix( stdiw, x-scan, y-scan); difference = gr1 - b [k+4] [1+4]; if(difference < minimum) minimum = difference;

} /* fin de ta boucle zz */ } /* f indez* /

} /* fin de la boucle 1 */ }; / * f indek* /

rg_close( stdiw);

/* Ajustement de la hauteur de la sphere */

for(k=O; kc8; k u ) I

for(l=O; Ic8; l u ) b[k][I] = b[k][l] + minimum; if (b[k][l] <O) b[kJ[l] = 0;

1;

rgopen( iwb, 1, 1, RG-RDWTIRG-SCANX); /* Ouverture d'une seconde */ rg_home( iw b); /* image */

/* Choix de la valeur maximale entre la sphère ajustée et l'image */

for (j=depfin[ 11; j<depfin[3]; j-t-+) {

for (i=depfin[O]; i<depfin[2]; i u ) f if ((y-sphere + j)> 63) iimb = 4; else Iirnb = 8; for (1=0; I<lirnb; 1++) { for (k=O; kclirnb; k u )

I x-scan = k + (i*8) + (x-sphere * 8); y-scan = 1 + (j*8) + (y-sphere * 8); if (y-scan > 484) break; gr1 = rg_rpix( iwb, x-scan, y-scan); if (gr1 c (b[i+4]lj-t4])) rg_wpix( iwb, x-scan, y-scan, b[i+4]1j-t4]); };

1 ; 1;

1; rg_cIose( iwb);

}; /* x-sphere */ } ; /* y-sphere */

iw-disp( stdiw); iw-asub( stdiw, iwb); iw-free( iwb); /* Iibere la fenetre du fond continu */ rg_open( stdi w, 1, 1, RG-RDWTIRG-SCAVX); for(i478; i d 12; i*)

I for(j=O; jd 12; j u )

I rg_wpix( stdiw, j, i, O); 1;

1; rg_close( stdiw);

void main(int argc, char *argv[]) {

int mode = 0-RDIO-WT; int orig = ORG-TOP; int i,j,k,l,m; int slut[256]; /* initialisation pour les look-up tables */ GRLVL mu1 t; int ii,jj, valide; long valeur 1 [Y] [SI; long valeur2[7] [SI; long moyenne[7][2]; char caract[5]; Iong histo[256]; int n, niveau-timite; FiLE *sortie; Iong histo_ref[256] ; float intensite-totak; float result[ 1001 [2]; int choix=O; int compteurd; FILE *entree; long reponsef21;

clrscr(); sii-init( argc, argv); /* Initializes SI1 and binds to driver(s) */ iw-free( s tdiw j; stdiw = iw-open( mode, orig);

while (choix != 5) { clrscr(); /******* Affichage du menu principal ********/ gotoxy(30,5); printf("MENU PRINCIPAL"); gotoxy(30,6); printF("-- ------ "1; gotoxy(2 1,8); printf(" 1) Ajustement des coordonnés de références"); gotoxy(24, IO); printf("2) Traitement d'une image. "); gotoxy(l8,12);

printf("3) Impression des résultats à l'écran."); gotoxy(l5,14); printf("4) Création d'un fichier résultat sur disque."); gotoxy(26,16); pnntf("5) Quitter le programme."); gotoxy( l,20); printf("Entrez votre choix: "); gets(caract); sscanf(caract, "%d", &choix);

if !choix=2) { iw-disp( stdiw);

iw_grab( stdiw, -1); clrscr(); gotoxy( l,12); printf("Ajustez l'image puis appuyez sur une toucheùi"); sound(787); delay(500); nosound(); getch0;

/* Mise en route de l'acquisition de */ /* iw-wave( stdiw,8,16);*/ /* prise d'une image moyenne */ /* iw-wave( stdiw, 8,O); */

iwsrab( stdiw, 0);

/* Remplir le bas de l'image (484 à 512) avec des pixels noir */ rLopen( stdiw, 1, 1, RG-RDWTIRG-SCANX); for(i=484; ic5 12; i u )

{ for(j=O; j d 12; jçt)

{ rgwpix( stdiw, j, i, O);

1; 1;

rg_close( stdiw);

/* Soustraction du fond continu */ elimine-fond(); iw-histo( stdiw, histo, 256); histo[O]=O; moyenne-adjacent3(histo); intensite-limite( histo,niveau-limite); denombre~particuIes(reponse,niveau_lirnite);

/*** Appel de la fonction correspondant au choix de l'usager ***/ switch(choix)

( case 1 : referencexyo; break; case 3: imprime-ecran(result, compteur);break; case 4: fichier-result(result, compteur);compteur = 0;break; case 5: break; defauit: break; 1 1

if (choix = 2) ( result[cornpteurJ[O] = reponse(01; result[cornpteur][~] = reponset 11; compteur*; 1

1 /* fin du while(choix) */

sii-end(); /* Ends SII */ 1

Méthode de tirériaration des milieux de culture micro-biolopiques. -

Nous présentons ici les étapes principales de la préparation des milieux de culture. Elle

sont décrites en détail dans le guide de préparation de la compagnie BDH/Merck version de avri

1992.

Méthode:

1- Utiliser de la vaisselle propre et libre de tout contaminant chimique.

2- Le volume du contenant doit être d'au moins deux fois le volume final de la

solution.

3- Peser les quantités requises selon la recette spécifique au milieu de culture utilisé.

4- Mélanger le composé avec 50% du volume requis d'eau froide déminéralisée.

5- Après suspension complète, ajouter le reste de l'eau et mélanger à nouveau.

6- Dissoudre dans un bain-marie pendant environ LO à 15 minutes jusqu'à ce que 1;

solution soit parfaitement translucide.

7- Stériliser en chauffant avec soin dans l'eau bouillante pendant 20 à 30 minutes 01

autoclaver pour Ies composés qui résistent à ce traitement.

8- Le milieu peut être conservé dans un endroit frais (12-15°C) à l'abri de la lumière.

9- Pour couler le milieu, le placer dans un bain-marie à 50°C puis le verser dans le.

moules en prenant soin de respecter les mesures d'aseptisation.

ANNEXE E

Équations utilisées et liste du riromamme C-H de correction des intensitk EDXA.

On se référera au paragraphe "Méthode utilisée" du chapitre 5 pour les références des équations.

Équation donnant l'intensité du bremsstrahlung comme une fonction du numéro atomique moyen

2 de l'énergie incidente E,, et de l'énergie Ei de la raie i:

Équation donnant la correction de numéro atomique Z:

les ternes utilisés sont définis comme suit:

E = intensité incidente

ri = énergie de la raie i

Ai = la masse atomique de I'éiément i

zi = le numéro atomique de l'élément i

ci = la concentration de l'élément i

LISTE DU PROGRAMME DE CORRECTION EDXA

void main() { double c[10], p[iO], bC101, E, PB[IO], A[10], somme-cZA, somme; double a, petit-b, z-barre, f, PBS; double somme-concent, tempo; double raie[lO], U, m, B; double Ji, J, UO, unS, tempo2; double R, eta, iuO, guO, Z-con; int z[10]; int i, j, choix, valide=O; char carac t[20] ;

clrscr(); gotoxy( 1,lZ); printf("Entre2 l'intensité du faisceau incident en keV: "); gets(caract); sscanf(caract, "% IE", &E);

clrscr(); gotoxy( l,l2); printf("Entre2 le nombre de composés: ");

for(i=O; icchoix; i+t)

{ clrscr(); gotoxy(l,l2); printf("Entrez le numéro atomique de l'élément # %d:", i+I); gets(caract); sscanf(caract, "%dn, &z[i]); printf; printf("Entrez la masse atomique de l'élément # %d:", i+l); ge ts(carac t);

sscanf(caract, "%lEn, &A[i]); printf; printf("Que1 est l'intensité de la raie étudiée en keV?: "); gets(caract); sscan f(caract, "%1EU, &raieCi]); printf;

while (vaiide = 0) (

for(i=O; icchoix; ii+) { clrscr(); gotoxy(I, 12); printf("Entrez l'intensité totale lue pour l'élément %d:", z[i]); gets(caract); sscanf(caract, "%]Eu, &p[i]); ptintf; printf("Entrez l'intensité nette correspondante: "); gets(caract); sscanf(caract, "%lEM, &b[i]); b[i] = piil-b[i]; 1

/* calcul des concentrations de départ */ sornrne=O; for(i=O; icchoix; i u ) { PB[i]=p[i] / b[i]; 1 for(i=O; icchoix; i++) I U = E/raie[i]; B = -0.0322*E+5.8; m = 1.05 + (0.00599*E); PBS=IOO*pow(2.7 1828,B)*(U*log(U)-Ut l)/pow((raie[i]*W- l)),rn); c[i]=PB[i] / PBS; 1

/* calcul des concentrations massique */ for(j=O; j<I00; j++)

( zbarre*; somme-cZA=û; for(i=0; icchoix; iu) { z-barre=z [il *c [il +z-barre; somme-cZA = somme-cZA + (c[i]*z[i]/A[i]); 1 tempo=O; for(i=O; icchoix; iu) { Ji=O.O l35*z[i]; tempo=somme-cZA * Iog(Ji)+tempo; 1

somme = 0; for(i=O; icchoix; iu) {

/* calcul de 11s */ tempo=tempo 1 sommecZA; J=exp(tempo); UO=E/raie [il; tempo=J/raie[i]; tempo2=(pow(U0,0.5)- l)/(UO- 1); un~S=(1+(16.05*pow(tempo,0.5)*pow(tempo2,1.07)))/somme~cZA;

/* calcul de R */ tempo=pow(zbarre, 1.3); eta= 1.75E-3*z-bme+(0.37*(1 -exp(-0.0 15*tempo))); tempo= 1 -(2.3*pow(üO,-4)); guO=(O.368-(O.O75*iog(U0)))*exp(tempo); tempo= 1.5-( 1 .S*pow(UO,-0.25)); iu0=0.3*((- I/UO)+exp(ternpo)); R= 1 -(eta*pow((iuO+(eta*guO)), 1.667));

/* correction Z */ Z-con=R*un-S;

/* calcul des concentration massique*/ a=-log((-5.086E- I4 * z-barre) + 2.O264E- 1 1); petit-b= 1-((0.002 * zbarre) - 0.27 19); f= a * z-barre * (E - raie[i]) 1 (pow(raie[i],petit-b));

PB [i]=p[i] * f 1 (b[i] * Z-corr); somme= PB[i] + somme; 1

for(i=O; icchoix; i t t ) t c [il= PB [il/ somme; 1

for(i=O; i<choix; i++)

printf("La concentration massique de l'élément %d est %IE\nV, z[i], c[i]); 1 getch0; cirscr() ; gotoxy( l, 12); printf("Vou1ez-vous analyser une particule de même composition (oui=O):"); gets(caract); sscanf[caract, "%du, &valide);

l MAGE EVALUATION TEST TARGET (QA-3)

APPLIED 2 IMAGE . lnc

O 1993. Wied Image. inc.. Ail Righrs Reserwed