Une équipe de chercheurs chinois a mis au point une technologie de terrain portable qui utilise la caméra d’un smartphone pour détecter la contamination de l’eau par des ions uranyle, en analysant la variation entre deux signaux lumineux, vert et rouge, puis en la convertissant en quelques instants en une mesure de la concentration d’uranium.
La sensibilité du dispositif dépasse les exigences applicables à l’eau potable
Une étude récente publiée dans la revue « Sustainable Carbon Materials » a montré que la sensibilité du dispositif atteint un niveau inférieur à la moitié de la limite maximale autorisée dans le monde pour l’eau potable, ce qui permet de l’utiliser comme outil d’alerte précoce. Cette technologie vise à faciliter la surveillance environnementale des activités liées au cycle du combustible nucléaire, notamment l’extraction minière, le transport de matières radioactives et le traitement des déchets dans les centrales.
Des accidents ou des facteurs environnementaux imprévus peuvent entraîner le transfert de fuites accidentelles vers des sources d’eau douce ou les littoraux marins, ce qui renforce le besoin d’analyses rapides réalisables sur place, alors que l’énergie nucléaire se développe dans le monde pour produire de l’électricité et réduire les émissions de carbone.
La surveillance de ce type de contamination repose généralement sur des équipements de laboratoire avancés, notamment la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif. Ces appareils offrent une grande précision, mais ils sont volumineux et coûteux, et nécessitent une préparation complexe et préalable des échantillons. Les analyses immédiates sur le terrain sont ainsi difficiles à réaliser, et une grande partie des opérations est réservée à des laboratoires centraux équipés.
Ahmed Qassem, chercheur au département de chimie de la Virginia Commonwealth University, aux États-Unis, qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que l’uranium se trouve généralement dans l’eau sous la forme d’un ion uranyle, caractérisé par une forte solubilité et une grande mobilité.
Une petite mallette mesure l’uranyle avec la caméra d’un téléphone
Selon les résultats de l’étude, le nouveau dispositif peut détecter les ions uranyle à un niveau inférieur à la moitié de cette limite, offrant une marge qui permet de repérer la contamination avant qu’elle n’atteigne le seuil fixé. L’outil d’analyse se compose de plusieurs équipements pouvant être transportés dans une petite mallette.
Le technicien ajoute quelques gouttes de l’échantillon d’eau suspecté d’être contaminé à un tube à essai contenant une suspension liquide du matériau réactif, puis expose le tube à la lumière d’une lampe torche portative à ultraviolets. La caméra du téléphone prend ensuite une image du tube sous l’éclairage défini. Une application numérique analyse le système des couleurs primaires dans l’image, en se concentrant sur le rapport mathématique entre le vert et le rouge.
L’application convertit la variation de ce rapport en une valeur précise de la concentration d’uranium, qui s’affiche rapidement sur l’écran du téléphone. La mesure ne repose donc pas sur l’intensité d’une seule couleur, mais sur la relation entre la diminution de la lumière rouge et l’augmentation de la lumière verte en présence d’uranyle.
Le matériau réactif transforme la réaction en deux signaux lumineux
Qassem a expliqué que la molécule organique utilisée dans le matériau, l’acide pyromellitique, agit comme un capteur qui absorbe les ultraviolets et transfère leur énergie aux ions d’europium, produisant une lumière rouge à une longueur d’onde de 616 nanomètres. Lorsque l’uranyle se lie aux groupes carboxyle présents dans la molécule, le transfert d’énergie est interrompu et le signal rouge s’atténue.
Dans le même temps, une lumière verte apparaît à une longueur d’onde de 513 nanomètres, ce que les chercheurs attribuent à un transfert de charge de la molécule organique vers l’uranium. L’apparition des deux signaux dans des directions opposées permet d’établir une mesure relative: plus la concentration d’uranyle augmente, plus l’intensité du rouge diminue et celle du vert augmente, puis l’application calcule le quotient du signal vert par le signal rouge.
Le matériau réactif repose sur un réseau hybride comprenant le zinc, un métal, et l’europium, un élément des terres rares connu pour ses émissions lumineuses, ainsi que des molécules organiques de liaison. Qassem a indiqué que le zinc n’émet pas de lumière et ne se lie pas directement à l’uranium, mais qu’il joue un rôle structurel dans la formation et l’organisation du matériau, tandis que l’europium fournit le signal lumineux nécessaire à la mesure.
Il a expliqué que le matériau composé uniquement de zinc prend la forme de feuillets empilés, tandis que l’europium seul forme des agrégats irréguliers. Le mélange des deux éléments produit en revanche des sphères homogènes d’environ 0,5 micromètre de diamètre, dotées de pores réguliers et d’une surface spécifique de 69 mètres carrés par gramme.
Cette organisation aide le matériau à se disperser dans l’eau de manière reproductible et fiable, une condition essentielle aux mesures quantitatives. Le matériau binaire a également montré une luminescence rouge nettement plus forte, avec une durée de vie lumineuse de 278 microsecondes, supérieure à celle enregistrée pour l’europium seul, ce qui indique une moindre perte d’énergie.
Ce mécanisme diffère de celui des capteurs classiques qui mesurent l’intensité d’une seule couleur, car cette intensité peut être influencée par la quantité de matériau ajoutée, la turbidité de l’eau et les variations de la lampe, même lorsque la concentration d’uranium ne change pas. Dans le nouveau dispositif, les deux signaux sont mesurés à partir de la même particule. Si la lumière de la lampe faiblit, par exemple, l’intensité des deux couleurs diminue simultanément, tandis que leur rapport reste presque stable.
La comparaison relative réduit également l’effet des variations de l’angle de prise de vue ou de l’éclairage ambiant, fournissant une forme d’auto-étalonnage et améliorant la stabilité des résultats par rapport à la mesure d’une seule émission colorée. Les chercheurs ont testé la capacité du capteur à fonctionner en présence d’ions courants dans les eaux naturelles et industrielles.
Les sels et les carbonates révèlent les limites de la mesure sur le terrain
Qassem a déclaré que le signal n’était pas fortement affecté par le sodium, le calcium et le magnésium, ni même par le thorium. Les résultats ont toutefois révélé des interactions importantes lorsque l’uranyle était mélangé à d’autres ions à une concentration trois fois supérieure à la sienne. Les carbonates, les bicarbonates, les sulfures et les iodures ont réduit le signal de 30 à 50 %.
Qassem a considéré cet effet comme un point essentiel, car les carbonates sont abondants dans les eaux naturelles et l’eau de mer et se lient fortement à l’ion uranyle, ce qui peut affecter la réponse du réactif et impose de tenir compte de la composition de l’échantillon lors de l’interprétation des mesures sur le terrain. Les essais ont porté sur des échantillons réels prélevés dans des lacs naturels et dans l’eau de mer, auxquels des concentrations contrôlées d’uranium ont ensuite été ajoutées.
Le dispositif a déterminé les quantités de contaminant avec une précision supérieure à 95 %, les marges d’erreur statistique étant décrites comme très faibles. Cela indique que le principe pourrait être utilisé au-delà de solutions de laboratoire simplifiées après l’achèvement des étapes de développement et de validation. La technologie reste toutefois un prototype qui nécessite encore des améliorations avant sa commercialisation ou son adoption à grande échelle sur le terrain.
Le dispositif atteint sa meilleure précision dans un milieu neutre dont le pH est d’environ 7. L’analyse d’eaux usées très acides ou très alcalines pourrait donc nécessiter un ajustement préalable rapide du pH de l’échantillon avant son mélange avec le matériau réactif. L’utilisation de l’europium constitue un autre défi en raison du coût de fabrication, ce qui impose de rechercher des solutions plus économiques.
Le dispositif doit également faire l’objet d’essais supplémentaires afin d’évaluer la stabilité de la mesure sous les rayons directs du soleil et dans des environnements contenant un mélange complexe de contaminants chimiques.
Si ces limites sont surmontées, cette technologie pourrait fournir aux équipes de sécurité environnementale et aux populations vivant à proximité d’installations industrielles un moyen portable de surveiller immédiatement la qualité de l’eau.
