Suivi des particules polluantes dans la surveillance de l’environnement

Le suivi et la détermination des polluants environnementaux avec l’analyse des particules sont essentiels pour atténuer les menaces potentielles pour la santé humaine.

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De grandes quantités de poussière sont libérées par les émissions du trafic, les opérations industrielles et les activités d’élimination des déchets, polluent directement ou indirectement l’environnement, en particulier le sol et l’atmosphère. L’accumulation de métaux dans le sol urbain peut nuire à la santé humaine en raison de l’exposition par de nombreuses voies, y compris l’ingestion, l’inhalation et le contact avec la peau.

Étant donné que les métaux traces sont répartis de manière hétérogène dans les sols urbains, diverses méthodes de détermination des fractions granulométriques pourraient influencer les résultats des évaluations des risques. La poussière du sol à l’interface air-sol agit comme un lien entre le sol et l’atmosphère.

Les métaux traces se déposent initialement dans la poussière du sol avant d’être entièrement incorporés dans le sol. Par conséquent, la poussière du sol peut mieux révéler l’état de la contamination atmosphérique que les sols en vrac et peut être un moyen plus pratique pour déterminer les niveaux de pollution de l’environnement et les risques pour la santé.

De plus, la production de nanoparticules et de produits à base de nanoparticules augmente de façon exponentielle ; la présence éventuelle de nanoparticules dans les aliments, les tissus biologiques ou l’environnement devient une préoccupation majeure car elle affecte considérablement la santé écologique et humaine. Cependant, les méthodes appropriées qui peuvent analyser et caractériser les nanoparticules sont rares.

Qu’est-ce que l’analyse de particules ?

L’analyse des particules implique l’évaluation de la composition chimique et des propriétés physiques des particules, y compris la taille des particules, la forme, les propriétés de surface et mécaniques et la microstructure. Selon le matériau de l’échantillon, bon nombre de ces paramètres peuvent être importants et interdépendants, tels que la taille des particules et la surface.

Les particules d’un matériau donné doivent diffuser la lumière à une certaine intensité pour être détectées et suivies. La section efficace de diffusion et l’intensité lumineuse incidente d’une particule sont proportionnelles à la quantité de lumière diffusée par une particule. Ainsi, une capacité de diffusion de lumière accrue se traduit par un volume accru où la détection de particules est possible.

Techniques courantes d’analyse des particules

Les techniques d’analyse de particules telles que le suivi des particules par laser fluorescent (FLPT), la microscopie à fluorescence à champ large (WFFM), la vélocimétrie par image de particules (PIV) et l’anisotropie de polarisation de fluorescence résolue en temps (TRFPA) aident à explorer les modules mécaniques des fluides visqueux, les mécanismes de transport à niveau subcellulaire et profils de vitesse dans les fluides.

Spectroscopie Raman est une technique utilisée dans l’analyse des particules basée sur diffusion inélastique de lumière monochromatique, telle que la lumière laser. Dans la spectroscopie de masse par chromatographie en phase gazeuse pyrolyse (Py-GCMS), les échantillons sont d’abord décomposés thermiquement par pyrolyse, puis séparés par chromatographie en phase gazeuse et ionisés et fragmentés avant détection par spectrométrie de masse. Le Py-GCMS est largement utilisé pour détecter et quantifier les particules anthropiques, y compris les plastiques et les particules d’usure des pneus et des routes. Cette technique fournit également des informations sur la composition et la structure des particules de l’échantillon.

L’avancement des technologies numériques a conduit à une utilisation accrue des logiciels d’imagerie séquentielle pour suivre les particules qui peuvent diffuser la lumière lorsqu’elles sont éclairées par une source de lumière externe. Des techniques telles que l’analyse de suivi des nanoparticules (NTA), le suivi des particules par laser (LPT) et la microscopie à diffusion sur fond noir améliorée caractérisent les particules diffusées comme des points dans l’espace créés par la lumière diffusée ou comme la photoluminescence des particules éclairées par un laser ou un source de lumière régulière.

Certaines techniques courantes de suivi des particules utilisent un logiciel de suivi de particules uniques (SPT) ou de suivi de particules multiples (MPT) qui utilise différentes propriétés en fonction de leur domaine d’application. Les méthodes SPT utilisent une seule particule de sonde intégrée dans le fluide, tandis que les méthodes MPT utilisent un ensemble de particules suivies via plusieurs étapes.

Nanosight est un logiciel commercial qui a l’instrument NTA et aide à suivre les particules dans un fluide et à mesurer les concentrations en nombre de particules et la distribution granulométrique. Cette méthode a été utilisée pour le criblage de nanoparticules dans des échantillons environnementaux et également pour l’évaluation de l’agrégation de nanoparticules et de protéines.

Plusieurs techniques d’analyse de particules analysent le mouvement de translation des nanoparticules ou des particules dans les colloïdes pour déterminer divers paramètres liés à la micro-rhéologie, à la détermination du profil de vitesse, à la détermination de la taille des nanoparticules et à la concentration en nombre de particules.

Analyse de particules dans la surveillance environnementale

Une étude de Gallego-Urrea et al. ont comparé de nombreuses méthodes différentes de suivi des particules à l’aide de la microscopie vidéo et du NTA.

La microscopie vidéo a été largement utilisée pour étudier le mouvement des particules dans les échantillons biologiques, les profils de vitesse dans les fluides et la micro-rhéologie. En même temps, le NTA aide à déterminer les distributions de taille et les concentrations dans les échantillons liquides. Ce travail a discuté des avantages et des inconvénients de l’utilisation de NTA pour ces applications. Les auteurs ont mentionné que les applications de ces techniques comprennent l’analyse sous-cellulaire des trajectoires des particules et des propriétés des fluides, des distributions granulométriques et des concentrations de particules environnementales.

Selon l’étude, les avantages de l’utilisation du NTA pour évaluer les distributions de taille et la concentration de nanoparticules dans les échantillons biologiques, environnementaux et alimentaires comprennent une sensibilité élevée, une perturbation minimale de l’échantillon, une résolution élevée et une intensité de diffusion élevée. En revanche, les limites du NTA incluent une faible sensibilité pour les petites particules, une mesure de concentration dépendante du matériau et des mesures dépendantes de l’opérateur.

Une autre étude de Xiangyang et al. utilisé un sur site méthode d’échantillonnage pour analyser les concentrations de métaux traces et les compositions isotopiques de Pb dans différentes fractions granulométriques dans le sol en vrac, la poussière du sol et les échantillons de poussière de route correspondants prélevés dans un environnement urbain. L’objectif de ce travail était de déterminer la faisabilité d’utiliser des échantillons de poussière de sol pour mesurer la contamination par les métaux traces et les risques possibles en milieu urbain par rapport à la poussière de route et au sol en vrac.

Les rapports isotopiques du Pb et les résultats des concentrations de métaux totaux ont montré que la poussière du sol est plus sensible à la contamination anthropique dans les zones urbaines que le sol en vrac. Selon les auteurs, le roman sur site La méthode utilisée dans ce travail est efficace pour recueillir différentes fractions de taille de particules de poussière du sol à la surface du sol, et la poussière du sol est un indicateur clé de la contamination de l’environnement et de l’exposition possible des humains dans les zones urbaines.

Une étude récente de Wolff et al. a utilisé la microscopie Raman pour détecter les particules microplastiques dans des échantillons environnementaux tels que l’eau de mer et les eaux usées. L’étude a porté sur les émissions de microplastiques provenant des effluents de la station d’épuration des eaux usées municipales. Les résultats de l’étude ont indiqué une émission plus élevée de microplastiques par temps de pluie et ont montré que 95 % de toutes les particules de microplastiques avaient une taille comprise entre 10 et 100 μm.

Une autre revue récente de Mattsson et al. ont discuté d’un groupe restreint de techniques analytiques pour isoler, caractériser et quantifier les contaminants micro- et nanoparticulaires anthropiques dans l’environnement. Le travail a également exploré les développements récents de ces techniques et leurs lacunes.

Cet examen a mis en évidence les défis de l’analyse des particules liés à l’identification analytique, à l’harmonisation de l’échantillonnage et au traitement des données ; les auteurs pensent que la résolution de ces limites peut considérablement améliorer la résolution, la qualité des données et la reproductibilité. En fait, même pour certaines des techniques les plus avancées, telles que la spectroscopie vibrationnelle pour l’identification des microplastiques, des améliorations sont nécessaires dans les domaines de l’analyse, du traitement et de la validation des données pour obtenir des résultats fiables.

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Références et lectures complémentaires

Gallego-Urrea, JA, Tuoriniemi, J., Hassellöv, M. (2011). Applications de l’analyse par suivi de particules à la détermination des distributions granulométriques et des concentrations de nanoparticules dans des échantillons environnementaux, biologiques et alimentaires. Tendances TrAC en chimie analytique, 30(3), p. 473-483. ISSN 0165-9936. https://doi.org/10.1016/j.trac.2011.01.005.

Bi, X., Liang, S., Li, X. (2013). Une nouvelle méthode in situ pour l’échantillonnage de la poussière du sol urbain : distribution granulométrique, concentrations de métaux traces et isotopes stables du plomb. Pollution environnementale. 177, p. 48-57. ISSN 0269-7491. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.01.045.

Mattsson, K., da Silva, VH, Deonarine, A., Louie, SM, Gondikas, A. (2021). Surveillance des particules anthropiques dans l’environnement : développements récents et défis restants à la pointe des méthodes analytiques. Opinion actuelle sur la science des colloïdes et des interfaces., 56. p. 101513. ISSN 1359-0294. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101513.

Wolff, S., Kerpen, J., Prediger, J., Barkmann, L., Müller, L. (2019). Détermination de l’émission de microplastiques dans les effluents d’une station d’épuration municipale par microspectroscopie Raman. Résistance à l’eau X., 2, p. 100014. .

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