Intérêt de la spectrométrie infrarouge Intérêt de la spectrométrie infrarouge quantitative pour lquantitative pour l’’étude de la biologie du solétude de la biologie du sol

Bernard Barthès & Didier Brunet

IRD, UMR Eco&Sols, Montpellier

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PrincipePrincipeUn rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition

Loi de Beer-Lambert : Absorbance = L C

où est le coefficient d’extinction molaire, L le trajet optique,

et C la concentrationC la concentration de l’espèce absorbante

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PrincipeUn rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition

Loi de Beer-Lambert : Absorbance = L C

où est le coefficient d’extinction molaire, L le trajet optique,

et C la concentration de l’espèce absorbante

Daniel (Labo de Météorologie Dynamique, ENS Paris)www.ens-lyon.fr

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PrincipeUn rayonnement IR réfléchi par un échantillon contient de l'information sur sa composition

Wikipedia

Exemple :Exemple :les six modesles six modes vibrationnels vibrationnels possibles de CHpossibles de CH22

Soumis à un rayonnement IR, chaque type de liaison vibre à des longueurs d'ondes spécifiqueslongueurs d'ondes spécifiques (selon la force de la liaison, la masse des atomes, l'environnement)

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Les différentes zones Les différentes zones du spectre électromagnétiquedu spectre électromagnétique

Bastianelli, site web CIRAD-EMVT

25000

IR lointainpuismicro-ondes

Longueur dLongueur d’’ondesondes Nombre dNombre d’’ondesondes

InfrarougeInfrarouge 800 nm - 1 mm 12500 - 10 cm-1

Proche infrarougeProche infrarouge 800 - 2500 nm 12500 - 4000 cm-1

Moyen infrarougeMoyen infrarouge 2500 - 25000 nm 4000 - 400 cm-1

Infrarouge lointainInfrarouge lointain 25 µm - 1 mm 400 - 10 cm-1

division assez arbitraire liée notamment aux propriétés des détecteurs 5

Spectrométrie dans le Spectrométrie dans le moyenmoyen infrarouge infrarouge

Reeves et al., Environmental Pollution, 2002

• Absorption intenseintense donc→ broyer l'échantillon (la lumière pénètre moins)→ (diluer l'éch. dans un substrat peu absorbant)→ capteurs sensibles

• Les bandes, nettes et individualisées,nettes et individualisées, sont celles des vibrations fondamentales → assignables à des groupes chimiques (en l’absence de chevauchement)→ adapté à l'identification de constituants

• Concentration parfois proportionnelle à la hauteur du pic correspondant

• L'absorption de l'eau dans cette région a longtemps posé problème

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Spectrométrie dans le Spectrométrie dans le procheproche infrarouge infrarouge

Reeves et al., Environmental Pollution, 2002

• Absorption modéréemodérée→ nini capteurs sensibles ni ni dilution nini broyage fin ne sont nécessaires.

• Les bandes sont celles d'harmoniques et de combinaisons, peu nettespeu nettes en général, avec des chevauchements→ plus difficile de lier pics et constituants→ moins d'information directement utile

• L'absorption d'eau pose moins problème dans cette région que dans le moyen IR.

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Proche vs. moyen infrarougeProche vs. moyen infrarouge

Viscarra Rossel et al., Geoderma, 2006

visible mid IR = moyen IRnear IR = proche IR

moyen IRproche IR

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Spectrométrie moyen IR "classique"Spectrométrie moyen IR "classique"

• Dès les années 40, moyen IR en transmission pour interpréterinterpréter des spectres de minéraux ou d'extraits organiques, séparémentséparément le plus souvent ; en réflexion à partir des années 80.

• Les éch. solidessolides sont broyés finement, dilués dans KBr (non absorbant) puis compactés en pastilles.Les éch. liquidesliquides sont dilués dans des solvants transparents aux IR.

• Interprétation des pics sur la base de librairies spectraleslibrairies spectrales, par exemple pour les substances humiques (Schnitzer, 1971) :

• 1450 et 2900 cm-1 liaisons C-H aliphatiques• 1630 cm-1 liaisons C=C aromatiques • 1725 cm-1 liaison C=O de COOH

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Moyen IR qualitatif sur sol totalMoyen IR qualitatif sur sol total

Exemple : Gerzabek et al., Soil Use Manage., 2006

Spectre transmis de sol total sous pâturage ou jachère, dilué dans KBr

Le sol sous pâturage est plus riche en MO (26 vs. 10 g C kg-1) notamment - polysaccharides

(1050 cm-1)

- groupes carboxyles et

aromatiques (1630 cm-1)

- CH aliphatiques (2920 cm-1)

On ne regarde plus les spectres,

on fait des statistiques multivariées

Principe de la spectrométrie Principe de la spectrométrie quantitativequantitative(chimiométrie)(chimiométrie)

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Principe de la spectrométrie Principe de la spectrométrie quantitativequantitative(chimiométrie)(chimiométrie)

Etalonnage (calibration)

sur une population d'échantillons caractérisés spectralement et conventionnellement

Abs1100nm Abs1102nm … Abs2500nm %C

éch 1 x1-1 x2-1 … x700-1 éch 1 C1

éch 2 x1-2 x2-2 … x700-2 éch 2 C2

… … … … … … …éch 100 x1-100 x2-100 … x700-100 éch 100 C100

par régression multivariée, on construit sur cette population le modèle

C = a0 + a1 Abs1100 + a2 Abs1102 + … + a700 Abs2500

ce qui revient à déterminer les coefficients a0, a1, a2, …, a700

Prédiction

on utilise ensuite ce modèle pour prédire C sur de nouveaux échantillons d'après leur spectre

Abs1100nm Abs1102nm … Abs2500nm %C

éch 101 x1-101 x2-101 … x700-101 éch 101

éch 102 x1-102 x2-102 … x700-102 éch 102

… … … … … …éch 300 x1-300 x2-300 … x700-300 éch 300 12

Principe de la spectrométrie Principe de la spectrométrie quantitativequantitative(chimiométrie)(chimiométrie)

Etalonnage (calibration)

sur une population d'échantillons caractérisés spectralement et conventionnellement

Abs1100nm Abs1102nm … Abs2500nm %C

éch 1 x1-1 x2-1 … x700-1 éch 1 C1

éch 2 x1-2 x2-2 … x700-2 éch 2 C2

… … … … … … …éch 100 x1-100 x2-100 … x700-100 éch 100 C100

par régression multivariée, on construit sur cette population le modèle

C = a0 + a1 Abs1100 + a2 Abs1102 + … + a700 Abs2500

ce qui revient à déterminer les coefficients a0, a1, a2, …, a700

Prédiction

on utilise ensuite ce modèle pour prédire C sur de nouveaux échantillons d'après leur spectre

Abs1100nm Abs1102nm … Abs2500nm %C

éch 101 x1-101 x2-101 … x700-101 éch 101

éch 102 x1-102 x2-102 … x700-102 éch 102

… … … … … …éch 300 x1-300 x2-300 … x700-300 éch 300

C101

C102

…C300

…13

• Intérêts / inconvénientsIntérêts / inconvénients• rapidité (< 1 min/spectre) et faible coût (pas de consommables)

• pré-requis en statistiques

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• Les premiers en NIRS : Al-Abbas et al., 1972, Soil Sci.en MIRS : Janik et al., 1995, Austr. J. Soil Res.

• Exemples présentés :

Caractérisation de Ct (ou CCaractérisation de Ct (ou Corgorg) et Nt du sol ) et Nt du sol

Moyen IR

Proche IR Proche IR

Madari et al. , 2006, Geoderma (Brésil, 2 sites)

Moyen IR

Reeves et al. , 2002, Environ. Pollut. (USA, 18 ha)

RMSD = root mean square dev.= SEP = std error of prediction

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Total setNIRS

Total setMIRS

Clayey soilsNIRS

Clayey soilsMIRS

Sandy soilsMIRS

Sandy soilsNIRS

Respiration du solRespiration du sol

• Les premiers : Palmborg & Nordgren, 1993, Soil Biol. Biochem. (NIRS)

• Exemple présenté :Rabenarivo et al., soumis à Geoderma,sols de 8 sites représentatifs de 95% des sols agricoles de Madagascar

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• Les premiers : pour NIRS, Reeves et al., 1999, JNIRSpour MIRS, Janik et al., 1998, Austr. J. Exp. Agric.

• Exemples présentés :

NIRS : Freschet et al.,soumis à Com. Soil Sci. Plant Anal. terroir villageois, Burkina Faso(population homogène)

MIRS : Ludwig et al., 2008, J. Plant Nutr. Soil Sci.surtout forêts de résineux du nord-est européen (population hétérogène)

Biomasse microbienne Biomasse microbienne

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250Biomasse microbienne mesurée

(µg C g-1)

Bio

mas

se m

icro

bie

nn

e

pré

dit

e p

ar N

IRS

(µ

g C

g-1

) R² = 0,87erreur std = 21% de la moyenne

1:1

calibration

Prédit par MIRS

Mes

uré

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LL’’imagerie hyperspectraleimagerie hyperspectrale

• Jusqu’ici, un spectre par échantillon (objet = échantillon)

• Image spectrale : chaque pixel est un spectrechaque pixel est un spectre (objet = pixel)

=> plusieurs milliers de spectres par échantillon

L’étalonnage des spectres (C = a0 + a1 Abs1100 + a2 Abs1102 + … + a700 Abs2500) permet de spatialiserspatialiser la propriété étalonnée

• En plein développement en télédétection et proxidétection

• Test avec Cemagref :- spatialiser la respiration du sol en conditions contrôlées- après éventuel stress thermique (hot spots de résilience ?)

- avec éventuel apport de paille (hot spots de respiration ?)

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ConclusionConclusion

• Méthodes rapides et peu coûteuses permettant de caractériser de nombreuses propriétés organiques et biologiques du sol

• Particulièrement adaptées aux populations d'échantillons nombreuses relativement homogènes (par ex. pour agriculture de précision)

• Dépendantes des méthodes conventionnelles d'analyse chimique pour les étalonnages (pour l’instant…)

• Moyen IR plus informatif a priori (pics) mais proche IR plus mature (spectromètres plus petits, logiciels plus opérationnels, etc.)

• Technologies en évolution • réduction de taille des appareils (portabilité)• développement d'outils statistiques et de logiciels adaptés• imagerie hyperspectrale => spatialisation

• NB : forte appropriation par l'industrie (agro-alimentaire, pharmaceutique)

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MerciMerciMerciMerciMerciMerci

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