Section 13 Chimie physique, théorique et analytique

II. Chimie analytique et pour l'environnement

A. Chimie analytique

La chimie analytique est le domaine de la chimie qui développe et applique des méthodes, des outils et des concepts pour caractériser la composition de la matière et son évolution dans le temps et dans l'espace. Elle permet également d'identifier et de quantifier éléments, molécules et macromolécules.. Elle trouve de nombreuses applications dans des domaines socio-économiques très divers tels que l'industrie agro-alimentaire, la gestion de l'environnement, la conservation et la restauration du patrimoine, le biomédical, les fraudes et le dopage, l'industrie pharmaceutique et cosmétique etc. Parmi ces différents secteurs d'activités, ceux de l'environnement et surtout de la biologie et du diagnostic médical sont à l'origine d'une demande en forte croissance.

Malgré les aspects extrêmement variés des demandes vis-à-vis de la chimie analytique, les verrous technologiques à surmonter ont de nombreux points communs. De plus de nouvelles réglementations européennes comme REACH (Registration, Evaluation, Authorization and restriction of CHemicals) les ont amplifiés ou en ont créé de nouveaux ; on soulignera plus particulièrement :

– la rapidité de la mesure pouvant aller jusqu'à une mesure en continu, permettant un gain en représentativité et/ou en coût,

– la quantité limitée de certains échantillons (goutte de sang, fragment d'œuvre d'art...) demandant des sensibilités importantes et la miniaturisation des outils,

– la nécessité pour certaines applications d'une analyse non destructive (échantillons uniques, rares, précieux, et/ou en quantités limitées...),

– l'analyse sur site pour le biomédical, l'environnement, les monuments historiques et l'industrie,

– l'abaissement des limites de détection pour l'analyse de traces et d'ultra-traces tant pour les éléments et les molécules isolées qu'en lien avec la spéciation,

– la nécessité de prendre en compte le concept de chimie analytique verte.

À côté de ces verrous technologiques on note également des besoins de rationalisation, de généralisation et d'intégration. Ainsi il est de plus en plus important d'appréhender l'analyse dans sa globalité, du prélèvement au résultat final.

Pour répondre à toutes ces exigences, la chimie analytique développe et utilise tous les outils susceptibles d'apporter des informations non-équivoques pouvant se traduire par une grandeur mesurable. Ainsi, elle s'appuie sur les concepts de la chimie, de la physico-chimie, de la physique et de plus en plus souvent sur ceux de la biologie et de la biochimie.

1. Amélioration de la sélectivité et de la sensibilité des méthodes séparatives et analytiques

Dans les années à venir, la chimie analytique devra faire face à une demande croissante en termes de besoin d'informations qualitatives et quantitatives. Pour y répondre, il faudra être capable de développer des systèmes analytiques permettant l'analyse simultanée d'un nombre croissant d'espèces, de multiplier les analyses mais aussi d'augmenter la résolution temporelle des analyses en réduisant leurs durées.. Dans la même logique la miniaturisation des outils apparaît prometteuse. Ces développements vont dans le sens d'une chimie plus respectueuse de l'environnement et permettant un abaissement des coûts analytiques.

L'analyse quantitative de composés présents à l'état d'ultra-traces dans des mélanges complexes reste un challenge d'actualité et ceci d'autant plus que l'identification des composés doit être sans équivoque et la quantification la plus juste et précise possible, ce qui sous-entend d'améliorer la sélectivité et la sensibilité des analyses.

2. Spécificité des procédures de prélèvement et de traitement des échantillons

L'analyse des échantillons peut être simplifiée en améliorant la spécificité des étapes de prélèvement et de traitement des échantillons. Ceci peut être obtenu par le développement de nouveaux matériaux mettant en œuvre des interactions très sélectives basées sur la complexation avec des ligands spécifiques, la reconnaissance moléculaire ou biomoléculaire. L'extraction des solutés très polaires et solubles en milieu aqueux reste un challenge scientifique.

3. Résolution des systèmes séparatifs

Les mélanges très complexes ne peuvent être résolus que par l'association de différents modes séparatifs. L'introduction de la chromatographie bidimensionnelle a permis des avancées spectaculaires dans le domaine de la chromatographie en phase gazeuse. L'effort doit être poursuivi dans le domaine des séparations par chromatographie en phase liquide et/ou électrophorèse capillaire avec en perspective les analyses protéomiques, et métabolomiques qui, à ce jour, ne donnent accès qu'aux espèces majoritaires. Dans ces domaines « omiques » en plein développement il devient nécessaire d'introduire la notion de traces et d'améliorer les sensibilités des analyses en jouant sur les séparations et sur les détecteurs.

4. Spécificité des détecteurs

Si d'importants progrès ont été réalisés ces dernières années sur la sélectivité des systèmes chromatographiques, les avancées technologiques notamment en spectrométrie de masse et sur les interfaces, permettent l'analyse qualitative et quantitative d'analytes insuffisamment résolus ce qui change le concept traditionnel de la mise en œuvre des séparations en se couplant à la résolution absolue des systèmes chromatographiques et l'amplifiant.

5. Bioanalyses

Des gains en spécificité de séparation, de prétraitement de l'échantillon ou de détection pourront être obtenus en faisant appel à des outils biologiques. On a assisté ces dernières années au développement de nouvelles méthodologies utilisant les réponses biologiques et/ou toxiques de tests cellulaires ou d'organismes pour mettre en évidence et quantifier les composés. On parle d'analyse dirigée par les effets (ou EDA pour « Effect Directed Analysis »). L'intérêt de ce genre d'approches est de conduire les caractérisations sans a priori en lien avec la réponse biologique mise en évidence. Ces approches permettront de faire le lien entre présence et effet biologique/toxique des composés identifiés et quantifiés.

6. Miniaturisation et microsystèmes intégrés

La miniaturisation est une étape obligée pour répondre aux exigences économiques et environnementales de réduction de l'usage des solvants organique et aux besoins d'analyses rapides, fiables et sensibles sur des volumes d'échantillon parfois infimes. Les principales demandes dans ce domaine émanent des milieux médicaux et environnementaux par exemple pour des analyses in vivo. Les microsystèmes font appel à des technologies telles que les microcanaux et la microfluidique qui demandent des développements particuliers. De même, des développements spécifiques doivent être conduits pour la détection en optimisant les couplages avec la spectrométrie de masse mais aussi en développant de nouveaux détecteurs ou capteurs. Dans l'optique d'élargir le spectre des molécules analysables le développement de microélectrodes faisant appel à l'électrochimie et/ou la biologie sont des voix prometteuses.

7. Mesure in situ et in vivo

La sécurité alimentaire, la surveillance de la qualité de l'environnement (air, eau, sol), le contrôle des effluents gazeux et liquides, etc., requièrent un nombre sans cesse croissant d'analyses avec des temps de réponse de plus en plus courts qui ne sont compatibles qu'avec des analyses sur site. Les travaux actuels concernent essentiellement l'immobilisation des éléments biologiques et la miniaturisation des dispositifs. Les bénéfices apportés par ces travaux sont spectaculaires puisque la réduction des distances à parcourir par les molécules dans les microsystèmes a permis une forte réduction des temps d'analyse qui sont passés de quelques heures pour des analyses sur microplaques en quelques minutes. Une autre piste de concept analogue est prise actuellement avec des matériaux à empreinte moléculaire capables de mimer des anticorps ou des récepteurs.

8. Amélioration des limites de détection/quantification et recherche des inconnues

Il existe un besoin général quel que soit le domaine d'application d'abaisser les limites de détection/quantification. En effet cela permet de baisser les prises d'essai, de travailler donc sur des échantillons de plus petite taille et donc de multiplier les possibilités de caractérisation à taille initiale équivalente. De plus si l'analyse ciblée reste complexe et difficile l'analyse non ciblée de composés inconnus est un réel challenge mais s'avère incontournable pour le futur.

9. Enseignement

En chimie analytique, de nombreux MASTERS professionnels et écoles d'ingénieurs existent avec une distribution homogène sur le territoire. Toutefois, ces formations se limitent trop souvent à décrire et à appliquer les méthodes existantes. Elles incluent rarement la compréhension des processus qui constituent souvent l'étape initiale indispensable aux développements de nouveaux concepts. Les MASTERS dédiés à la recherche en chimie analytique sont beaucoup moins nombreux d'autant que certains d'entre eux, centrés sur les développements instrumentaux, relèvent de la physique en abordant des thèmes tels que la microfluidique et le traitement du signal.

B. Chimie pour l'environnement

L'activité humaine conduit à une contamination croissante de l'environnement. La chimie doit prendre en compte l'attente citoyenne en matière de protection et de réhabilitation des milieux naturels et des aliments. La présence des contaminants dans l'environnement à l'état de traces et d'ultra-traces est des premiers défis rencontrés. Un autre verrou dans le domaine de la surveillance de la qualité de l'environnement est lié au fait que les analyses chimiques nécessitent des choix faits a priori des molécules à doser. Comme il est impossible d'être exhaustif, il est donc possible d'ignorer un danger. Il faut donc progresser dans l'analyse des inconnus et également dans la caractérisation des mélanges complexes.

Associée à d'autres champs disciplinaires (sciences de la Terre, sciences de la vie, sciences pour l'ingénieur, météorologie), la recherche en chimie doit devenir une des disciplines leaders pour la protection de l'environnement et de l'homme. Ceci est envisageable, non seulement, au niveau du concept de chimie verte, de chimie de l'environnement mais aussi au niveau de sa participation aux technologies plus performantes de traitement et d'épuration des effluents liquides et gazeux et des résidus solides (comme par exemple les boues de station d'épuration). Il est également important d'améliorer les connaissances sur la chimie des différents écosystèmes terrestres et aquatiques, en termes de suivi et de compréhension des processus (et ce dans les différents compartiments aquatiques, atmosphériques, biologiques, sols).

1. Traitement et dépollution

La gestion de la qualité de l'environnement passe inévitablement par la maîtrise des procédés de traitement des effluents gazeux et liquide et des résidus solides. Ces traitements peuvent être physiques, biologiques ou chimiques et doivent s'accompagner d'études mécanistiques permettant la caractérisation de la nature, de la stabilité et de la toxicité de traceurs de processus ou des produits de dégradation, certains d'entre eux pouvant parfois être plus toxiques que les produits parents.

2. Connaissance du milieu et compréhension des phénomènes

Une gestion adaptée de l'environnement requiert une connaissance approfondie de ce dernier et des phénomènes qui le régissent. Il est notamment nécessaire de connaître les constantes de vitesse de dégradation ou de formation des contaminants et les temps de vie qui en résultent. Des méthodologies d'identification quantitative de l'influence des différentes sources et processus doivent donc être développées et validées pour chaque grande famille de composés.

3. Enseignement

Les formations dédiées à l'environnement sont nombreuses tant en École d'ingénieur qu'en MASTER professionnels et recherche. La majorité d'entre elles est consacrée à l'eau. L'étude de l'environnement relevant de diverses disciplines (chimie, biologie, géologie...), ces formations sont pluridisciplinaires et la chimie, sans être marginale, est une discipline parmi d'autres. Le nombre des formations de chimie dédiées à l'environnement est actuellement limité et l'élargissement de telles filières serait pourtant un moyen efficace d'améliorer la position de la chimie dans les études environnementales.