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SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA SPIR
Définition
La spectrométrie est une technique d’analyse permettant d’obtenir des informations sur la matière à partir de son interaction avec la lumière (Dalibart et Servant, 2010). La région du proche infrarouge est celle utilisée dans la spectrométrie proche infrarouge. Les informations obtenues se présentent sous forme de spectres d’absorption de la lumière, à partir desquels sera prédite la composition de la matière en utilisant des modèles de calibration. Un modèle de calibration est une équation spécifique à un produit et à un constituant, permettant de relier son spectre infrarouge à sa composition chimique.
Historique
L’utilisation de la région du proche infrarouge pour analyser les composés organiques a été initiée par Coblentz à partir de 1905. Ses études ont permis d’obtenir les spectres de nombreux produits. Il parvient à distinguer deux composés de structures différentes mais formés de même atome, et démontra alors que chaque composé possède un spectre unique assimilable à « l’empreinte digitale » ou à la « signature » de ce composé (Hindle, 2001) (Pasquini, 2003). L’application de la SPIR proprement dite s’est développée vers la deuxième moitié du XXème siècle avec les travaux du chercheur américain Karl Norris en 1962 pour l’analyse de la teneur en eau des céréales (Hindle, 2001 ; Bertrand, 2002 ; Prouteau, 2008). En 1968, Ben Gera et Norris ont l’idée d’utiliser pour la première fois la régression linéaire multiple pour établir les premiers modèles prédictives liant les valeurs spectrales aux analyses au laboratoire (Bertrand,2002; Pasquini, 2003 ). Ils ont mesuré la quantité de composants majeurs (protéines et eau) présents dans les grains tels que le blé. En 1976, Norris et al. sont parvenus à démontrer que la SPIR pouvait être appliquée à l’analyse des fourrages. Ils ont pu estimer la qualité des constituants des fourrages destinés à l’alimentation des ruminants, incluant la digestibilité et l’ingestion (Norris et al, 1976). Puis le développement de l’instrumentation, et l’arrivée d’appareils portables vers les années 1980, a permis une analyse des produits agricoles directement au champ (Hindle, 2001). Les essais d’application de la SPIR comme outil d’évaluation de la qualité et de la production des fourrages au champ se sont alors développés (Lecomte et al, 1996 ; Andueza et al, 2006 ; Alomar et al, 2009). Le développement de la chimiométrie a ensuite favorisé l’amélioration des modèles prédictifs et l’établissement de bases de données spectrales. La SPIR s’est alors étendue sur différents domaines tels que l’environnement et les sciences du sol (Ertlen, 2009). Elle est utilisée dans tous les secteurs industriels utilisant ou produisant de la matière organique : industries pharmaceutiques, pétroliers, textiles, etc. (Hindle, 2001). Plus récemment, la SPIR s’est intensément développée dans le domaine agroalimentaire comme outil de contrôle qualité (Ertlen, 2009). A Madagascar, l’utilisation de la SPIR est encore récente. La technique est surtout utilisée dans la recherche agronomique (Rabetokotany Rarivoson, 2013 ; Matysiak, 2014). Actuellement, le LRI à Antananarivo et le laboratoire de nutrition animale du centre FIFAMANOR Antsirabe, en partenariat avec le projet BIOVA, utilisent la SPIR dans le cadre de leurs recherches.
Principe
La SPIR est basée sur la mesure de l’absorption des rayonnements infrarouges par la matière organique. La technique repose sur les propriétés vibrationnelles des molécules et leurs interactions avec la lumière.
Le rayonnement électromagnétique
Le rayonnement électromagnétique correspond à la propagation de l’énergie grâce aux variations périodiques d’un champ magnétique en définissant une onde électromagnétique (Dalibart et Servant, 2000). Le spectre électromagnétique est divisé en diverses régions en fonction de la longueur d’onde des radiations, ainsi on trouve les rayons gamma, rayons X, l’ultraviolet, le visible, l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radiofréquences. Le domaine de l’infrarouge couvre la plage des longueurs d’onde de la lumière comprise entre 800 et 1000000 nanomètres. Cette région est arbitrairement divisée en trois catégories :
● Le proche infrarouge : 800 – 2500 nanomètres (Figure n°1), domaine d’application de la spectrométrie proche infrarouge, objet de cette étude ;
● Le moyen infrarouge : 2500 – 25000 nanomètres, objet de la spectrométrie dans le moyen infrarouge ;
● L’infrarouge lointain : 25000 – 1000000 nanomètres.
Interaction entre le rayonnement et la matière
La radiation infrarouge est absorbée puis convertie par la matière organique en énergie de rotation moléculaire (Barton, 2002 ; Dalibart et Servant, 2010). Selon la composition de la matière organique, les liaisons moléculaires vont vibrer à différentes longueurs d’onde, en d’autres termes, à chaque longueur d’onde correspond une liaison donnée. Il faut souligner que l’absorption d’énergie lumineuse se produit lorsque la fréquence de la radiation incidente est égale à la fréquence de vibration propre de la liaison (Shenk et al, 2001 ; Bertrand, 2002). Le spectre est donc obtenu en enregistrant l’intensité de la lumière absorbée en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente (Bertrand, 2002). Ce spectre est caractéristique d’un échantillon car il regroupe les informations sur chacun de ses constituants organiques (protéines, fibres, matières grasses, etc.). La spectrométrie proche infrarouge ne permet pas de quantifier un constituant de la matière organique (eau, protéine, etc.) mais quantifie le nombre de liaison chimique spécifique du constituant (liaisons O-H pour l’eau, N-H pour les protéines). Etant donné que l’absorption dépend de la nature et de la concentration du constituant, la SPIR est une technique à la fois qualitative et quantitative.
Instrumentation
L’appareil utilisé est appelé spectromètre . En général, un spectromètre comporte quatre parties essentielles (Dalibart et Servant, 2000 ; Bertrand, 2002 ; Pasquini, 2003 ; Prouteau, 2008) :
☛ Une ou plusieurs source(s) lumineuse(s) qui irradient l’échantillon à analyser avec des radiations ayant toutes les longueurs d’onde du domaine infrarouge. Les sources usuelles sont constituées de corps incandescents. Dans cette étude, l’appareil utilise une lampe de quartz iode.
☛ Un dispositif de séparation des longueurs d’ondes. En effet, l’enregistrement des spectres peut se faire en détectant les longueurs d’onde de manière séquentielle ou simultanée.
☛ Un système permettant de présenter l’échantillon à analyser à l’appareil, surtout pour les échantillons sous forme liquide ou de gaz.
☛ Un détecteur ou capteur qui convertit l’énergie lumineuse en signal électrique qui sera traité par un système informatique et qui affichera ensuite les résultats sous forme d’un spectre.
En général, trois grands types de spectromètre peuvent être distingués (Bertrand, 2002 ; Prouteau, 2008) :
● Les appareils séquentiels : la mesure des absorbances se fait une à une ;
● Les appareils multiplexés : les absorptions lumineuses sont mesurées simultanément par un unique capteur ;
● Les appareils multicanaux : la mesure des absorbances se fait également en simultanée mais par plusieurs capteurs.
Par ailleurs, le spectromètre utilisé dans cette étude est équipé d’une sonde permettant d’envoyer les rayonnements sur les échantillons , et d’un ordinateur portable permettant l’enregistrement des spectres.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA SPIR
1. Définition
2. Historique
3. Principe
3.1. Le rayonnement électromagnétique
3.2. Interaction entre le rayonnement et la matière
4. Instrumentation
5. Traitement des données spectrales
5.1. Chimiométrie
5.2. Calibration et validation
5.3. Prédiction
6. Avantages et inconvénients de la SPIR
PARTIE II : MATERIELS ET METHODES
1. Matériels
1.1. Zone d’étude
1.2. Dispositif expérimental
1.3. Matériel végétal
1.4. Mesures spectrales
1.5. Traitement des données
1.6. Développement des modèles de calibration
2. Méthodes
2.1. Collecte des échantillons
2.2. Préparation des échantillons
2.3. Prises des spectres
2.4. Traitement des spectres
2.5. Développement de modèle de calibration
2.6. Analyse des données
PARTIE III : RESULTATS
1. Modèles de calibration
1.1. Echantillons de référence
1.2. Données spectrales des échantillons de référence
1.3. Teneur en MSa, CT, CB et MAT des échantillons de référence
1.4. Modèles de calibration de la MSa, CT, CB et MAT
2. Caractéristiques de la biomasse produite par les cultures vivrières et fourragères
2.1. Quantité de biomasses produites
2.2. Qualité de la biomasse produite
2.3. Entrées et sorties d’azote par la biomasse végétale et la fertilisation
PARTIE IV : DISCUSSIONS
1. Modèles de calibration
1.1. Donnée spectrales des échantillons de paille de riz
1.2. Teneur en MSa, CT, CB et MAT des échantillons de référence
1.3. Performance du modèle de calibration
1.4. Limites de la calibration
2. Caractéristiques de la biomasse produite par les cultures vivrières et fourragères
2.1. Effets du type de système sur la qualité et la quantité de biomasse produite
2.2. Effets de la fertilisation sur la qualité et la quantité de biomasse produite
2.3. Entrées et sorties d’azote par la biomasse végétale et la fertilisation
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
