Fluorimètre submersible La présente invention concerne un fluorimètre submersible destiné à être monté sur un système sous-marin pour l'étude de composés aromatiques fluorescents de l'environnement aquatique, chaque composé aromatique possédant au moins un fluorophore, du type comprenant : - un module d'excitation adapté pour exciter le fluorophore ; et - un module de détection adapté pour détecter de la lumière émise par le fluorophore excité. La fluorescence est une méthode spectroscopique largement utilisée depuis une vingtaine d'années pour l'étude de la distribution, de la composition et de la dynamique de la matière organique dissoute (MOD) dans le milieu aquatique. A l'heure actuelle, les analyses spectrofluorométriques de laboratoire permettent d'obtenir une cartographie détaillée sur un large domaine spectral de la composition en MOD fluorescente (MOD-F) d'un échantillon discret d'eau naturelle. Ces analyses montrent que la MOD-F est constituée de divers fluorophores de type « polluant », avec les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) tels que le phénanthrène (Phe), de type « protéine », tels que le tryptophane (Try), mais également de type « substance humique », tels que les acides humiques terrestres (AHT) et les acides humiques marins (AHM).
Les analyses de laboratoire sur échantillons discrets sont nécessaires mais restent cependant insuffisantes pour apprécier la variabilité à haute fréquence spatiale et temporelle des paramètres biogéochimiques dans le milieu aquatique. Les fluorimètres de laboratoire utilisés, très encombrants, utilisent généralement des lampes xénon de haute énergie comme source de lumière UV.
C'est pourquoi, depuis une dizaine d'années, l'utilisation de capteurs optiques embarqués sur des plateformes ou engins sous-marins est en plein essor. Ce couplage plateforme/capteur permet d'augmenter de manière considérable la fréquence spatio-temporelle des mesures biogéochimiques. Les capteurs optiques submersibles sont essentiellement des fluorimètres, photomètres ou diffusiomètres qui, via les propriétés de fluorescence, absorbance ou diffusion de la matière, mesurent des variables biogéochimiques. Les plateformes ou engins sous-marins, autonomes ou câblés, incluent les planeurs ou « gliders », les flotteur-profileurs, les bouées fixes ou dérivantes, les véhicules à hélice (AUVs) et les robots télécommandés (ROVs), certains d'entre eux pouvant rester de quelques semaines ou mois (« gliders ») à quelques années (flotteur- profileurs) en mer.
Cependant, les capteurs optiques submersibles proposés aujourd'hui dans le commerce ne sont pas adaptés pour être montés sur tous les types d'engins sous-marins existants. L'invention a pour but de proposer un fluorimètre submersible qui permette d'étudier les principaux composés aromatiques fluorescents présents dans le milieu aquatique et qui puisse être monté sur tous les types d'engins sous-marins existants. A cet effet, l'invention a pour objet un fluorimètre du type précité, caractérisé en ce que le module d'excitation comprend une première source de lumière possédant une première LED UV et présentant une première longueur d'onde inférieure à 300 nm.
Le fluorimètre selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la première longueur d'onde peut être sensiblement égale à 250 nm, - le module de détection peut comporter une première photodiode, une première lentille de collimation et un premier filtre optique d'interférence, - le premier filtre optique d'interférence peut être centré sensiblement sur 360 nm ou sur 427 nm, - le fluorimètre peut comprendre une partie de fixation adaptée pour être fixée sur le système sous-marin et une partie de mesure adaptée pour être immergée, - la partie de mesure peut comporter un capot de protection contre la lumière ambiante, - le fluorimètre peut posséder une forme sensiblement cylindrique, - le module d'excitation peut comporter une deuxième source de lumière possédant une deuxième LED UV et présentant une deuxième longueur d'onde inférieure à 300 nm, les première et deuxième longueurs d'onde étant différentes l'une de l'autre, - la deuxième longueur d'onde peut être sensiblement égale à 280 nm, - le module de détection peut comporter une deuxième photodiode, une deuxième lentille de collimation et un deuxième filtre optique d'interférence, - le deuxième filtre optique d'interférence peut être centré sensiblement sur 340 nm ou sur 405 nm, - le fluorimètre peut être adapté pour l'étude d'hydrocarbures aromatiques polycycliques tels que le phénanthrène, d'acides aminés tels que le tryptophane, et de traceurs de sources de matière organique tels que les acides humiques terrestres et les acides humiques marins, - le fluorimètre peut être adapté pour descendre à des profondeurs allant jusqu'à 1000 m, - le fluorimètre peut être adapté pour être monté sur tout type de système sous-marin, autonome ou câblé, tels que les planeurs ou « gliders », les flotteur-profileurs, les bouées fixes ou dérivantes, les véhicules à hélice et les robots télécommandés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue de côté d'un fluorimètre selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue en perspective éclatée de dessus du fluorimètre de la Figure 1 ; - la Figure 3 est une vue en perspective éclatée de dessous du fluorimètre de la Figure 1 ; - la Figure 4 est une vue en coupe d'une partie du fluorimètre de la Figure 1 ; - la Figure 5 est une vue en perspective d'une partie du fluorimètre de la Figure 1 ; - la Figure 6 est une vue de dessus d'une partie du fluorimètre de la Figure 1 ; et - la Figure 7 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement du fluorimètre de la Figure 1. La Figure 1 illustre un fluorimètre 10 adapté pour être monté sur un système sous-marin (non représenté) pour l'étude simultanée de deux composés aromatiques fluorescents de l'environnement aquatique.
Le fluorimètre 10 comprend une partie de fixation 12 adaptée pour être fixée sur le système sous-marin et une partie de mesure 14 adaptée pour être immergée dans l'eau de manière à être en contact avec le milieu de mesure, tel que de l'eau douce ou marine. La partie de fixation 12 comprend un boîtier 16 comportant un corps 18 de forme sensiblement cylindrique d'axe A-A prolongé à une extrémité par une collerette 20 sensiblement annulaire. La collerette 20 présente un diamètre extérieur supérieur à celui du corps 18. En référence aux Figures 2 et 3, le corps 18 et la collerette 20 délimitent des chambres intérieures respectives séparées l'une de l'autre par une paroi de séparation 21.
La paroi de séparation 21 comporte quatre ouvertures traversantes 21A, 21 B, 21C et 21D destinées au passage de la lumière entre l'intérieur et l'extérieur du fluorimètre 10 comme cela sera expliqué plus en détail par la suite. Le boîtier 16 est fabriqué à partir d'aluminium, la collerette 20 étant venue de matière avec le corps 18. La paroi de séparation 21 est constituée d'un pièce rapportée, fixée, par exemple par collage, à la collerette 20.
La partie de fixation 12 comprend une plaque 22 d'obturation de l'extrémité du corps 18 opposée à la collerette 20. La plaque d'obturation 22 possède une forme de disque de diamètre sensiblement égal au diamètre du corps 18.
La plaque d'obturation 22 est fabriquée à partir d'aluminium et fixée au corps 18 par exemple par collage. La partie de mesure 14 comprend un capot 24 sensiblement en forme de dôme. Le capot 24 comporte une portion centrale destinée à recevoir des composants optiques et délimite deux voies optiques de mesure V1 et V2 dans chacune desquelles de l'eau peut s'écouler comme cela sera vu ultérieurement. Le capot 24 est fabriqué à partir de résine polyuréthane de manière à protéger la partie de mesure 14 de la lumière naturelle ambiante. Le capot 24 est fixé au boîtier 16 par deux vis d'assemblage 26 traversant deux orifices d'assemblage 28A diamétralement opposés, ménagés sur la circonférence du capot 24 et deux orifices d'assemblage 28B diamétralement opposés ménagés sur la circonférence de la collerette 20, les orifices d'assemblage 28A, 28B étant disposés en correspondance deux à deux. Le fluorimètre 10 est fixé dans le compartiment sec du système sous-marin par deux vis de fixation 30 traversant deux orifices de fixation 32A diamétralement opposés ménagés sur la circonférence du capot 24 et deux orifices de fixation 32B diamétralement opposés ménagés sur la circonférence de la collerette 20, les orifices de fixation 32A, 32B étant disposés en correspondance deux à deux. Les orifices de fixation 32A, 32B sont décalés angulairement par rapport aux orifices d'assemblage 28A, 28B respectifs d'un angle sensiblement égal à 90°.
Des joints toriques 34, par exemple au nombre de deux, sont prévus sur le corps 18 du boîtier 16 pour garantir l'étanchéité du fluorimètre 10 avec le système sous-marin. Comme mentionné précédemment, le fluorimètre 10 est adapté pour détecter/quantifier simultanément deux composés aromatiques fluorescents d'intérêt, un composé aromatique étant associé à une voie optique de mesure et chaque composé aromatique possédant son propre fluorophore. Ainsi et comme représenté sur les Figures 4 à 6, le fluorimètre 10 comprend un module d'excitation 40 adapté pour exciter les fluorophores et un module de détection 42 adapté pour détecter de la lumière émise par les fluorophores excités. En effet, quand un photon est absorbé par un fluorophore, c'est-à-dire un composé fluorescent, celui-ci passe de son état électronique fondamental à un état électronique excité. Le retour à l'état fondamental se fait par émission très rapide d'un photon d'énergie plus faible, donc de longueur d'onde plus élevée, que celle du photon d'excitation car il y a une perte d'énergie par relaxation vibrationnelle. La lumière émise par le fluorophore est la lumière de fluorescence (ou lumière d'émission). Par conséquent, un fluorophore est caractérisé par un couple spécifique de longueurs d'onde : une longueur d'onde d'excitation ÀEx et une longueur d'onde d'émission ÀEm, ÀEm étant toujours supérieur à ÀEx. Par ailleurs, l'intensité de la lumière de fluorescence du fluorophore est proportionnelle à sa concentration dans le milieu considéré. La plupart des fluorophores sont des composés aromatiques qui présentent une structure moléculaire cyclique.
De cette façon, le module d'excitation 40 comprend une première source de lumière 44 pour la voie optique de mesure V1 et une deuxième source de lumière 46 pour la voie optique de mesure V2. Les première et deuxième sources de lumière 44, 46 sont des sources de lumière sélectives de type LEDs UV, qui permettent d'exciter à une longueur d'onde spécifique les fluorophores d'intérêt présents dans le milieu étudié. Le module de détection 42 comprend, pour chaque voie de mesure V1 et V2, un détecteur de photons 48, 50, un filtre optique interférentiel, seul le filtre 54 de la voie de mesure V2 est visible à la Figure 7, et un système optique 56, 58. Les détecteurs de photons 48, 50 sont des détecteurs de photons non sélectifs en longueur d'onde qui permettent de mesurer en retour l'intensité de la lumière de fluorescence des fluorophores. Dans l'exemple représenté ici, les détecteurs de photons 48, 50 sont des photodiodes en silicium. Les filtres optiques 54 permettent de sélectionner les longueurs d'onde d'émission ÀEm qui sont détectées par les photodiodes 48, 50. Les systèmes optiques 56, 58 permettent de rediriger les flux de lumière d'excitation et de fluorescence dans les directions souhaitées. Pour cela, chaque système optique 56, 58 comprend une lentille biconvexe en quartz, seule la lentille 62 de la voie de mesure V2 est visible à la Figure 7, et un prisme 64, 66 en quartz incliné à 45°. Les systèmes optiques 56, 58 comprennent un hublot en quartz commun 68. Les composants optiques qui sont propres au fluorophore ciblé sont la LED et le filtre interférentiel. La voie optique de mesure V1 du fluorimètre 10 est dédiée à la détection/quantification du phénanthrène (Phe), qui est un hydrocarbure polyaromatique (HAP) à trois cycles fusionnés de benzène (C14H10). Le Phe est l'un des HAPs les plus abondants dans l'environnement aquatique et il est de surcroît l'un des HAPs les plus fluorescents avec un maximum de fluorescence à ÀEx/ÀEm : 235-255/345-370 nm. Le Phe est un bon indicateur de contaminations pétrolières en milieu aquatique. Sa détection est donc effectuée par l'utilisation d'une LED UV 44 émettant à 250 nm et d'un filtre interférentiel centré à 360 nm (ÀEx1/ÀEm1 : 250/360 nm). Les largeurs de bande (FWHM pour Full Width Half Maximum) de la LED 44 et du filtre sont de 12 nm. En variante, en remplaçant le filtre interférentiel centré à 360 nm par un filtre interférentiel centré à 427 nm, la voie de mesure V1 (ÀEx1/ÀEm3 : 250/427 nm) devient opérante pour la détection/quantification des acides humiques terrestres (AHT).
Les AHT, qui ont un maximum de fluorescence à ÀEx/ÀEm : 230-260/400-440 nm, constituent de bons traceurs de source de matière organique. La voie optique de mesure V2 du fluorimètre 10 est dédiée à la détection/quantification du tryptophane (Try), qui est un acide aminé aromatique (C11H12N2O2). Le Try, qui a l'un de ces maxima de fluorescence à ÀEx/ÀEm : 265-285/335- 360 nm, est un bon indicateur de la présence de bactéries fécales et de contaminations par les eaux usées. Sa détection est donc effectuée par l'utilisation d'une LED UV 46 émettant à 280 nm et d'un filtre interférentiel 54 centré à 340 nm (ÀEx2/ÀEm2 : 280/340 nm). Les FWHMs de la LED 46 et du filtre 54 sont de 12 nm.
En variante, en remplaçant le filtre interférentiel 54 centré à 340 nm par un filtre interférentiel centré à 405 nm, la voie de mesure V2 (ÀEx2/ÀEm4 : 280/405 nm) devient opérante pour la détection/quantification des acides humiques marins (AHM). Les AHM, qui ont un maximum de fluorescence à ÀEx/ÀEm : 280-310/380-420 nm, constituent de bons traceurs de source de matière organique.
Le fluorimètre 10 permet donc la détection/quantification simultanée de deux composés aromatiques d'intérêt dans le milieu aquatique, un seul composé étant détecté par voie optique, et pour chaque voie, le choix pouvant être fait entre deux composés en fonction du filtre interférentiel utilisé. La voie optique V1 (LED 250 nm, filtre 360 ou 427 nm) est dédié à la mesure du Phe ou des AHT, tandis que la voie optique V2 (LED 280 nm, filtre 340 ou 405 nm) est dédié à la mesure du Try ou des AHM. Il existe donc quatre combinaisons possibles en V1/V2: Phe/Try, AHT/Try, Phe/AHM et AHT/AHM. Le choix d'une configuration est fait par l'utilisateur au moment de commander le fluorimètre. La configuration peut-être changée à tout moment par le fabricant sur demande de l'utilisateur, par exemple en fonction du type de mission océanographique à effectuer. Les LEDs UV 44, 46 sont chacune disposée dans une douille d'excitation 70, 72 et associée à une lentille biconvexe en quartz, seule la lentille 76 de la voie de mesure V2 est visible à la Figure 7. Les douilles d'excitation 70, 72 sont positionnées verticalement vers le haut, diamétralement opposées, de façon adjacente à l'axe A-A et en regard des ouvertures traversantes 21 A, 21 B de la paroi de séparation 21. Les photodiodes 48, 50 sont chacune disposée dans une douille de détection 78, 80 et associée au filtre interférentiel et à la lentille, respectivement 54 et 62 en ce qui concerne la voie de mesure V2. Les douilles de détection 78, 80 sont positionnées verticalement vers le haut, diamétralement opposées, de façon adjacente aux douilles d'excitation 70, 72 correspondantes et en regard des ouvertures traversantes 21C, 21D de la paroi de séparation 21. Les prismes 64, 66 sont encastrés dans la portion centrale du capot 24 de façon à être symétriques par rapport à l'axe A-A. Le hublot en quartz 68 est reçu dans la chambre intérieure formée par la collerette 20 du boîtier 16 et fixé par exemple par collage.
Le fluorimètre 10 comprend en outre un module de contrôle 82 comportant, pour chaque voie de mesure V1, V2, un détecteur de référence 84, 86 qui mesure l'intensité du rayonnement émis par la LED 44, 46 respective de manière à corriger le signal de fluorescence d'éventuelles fluctuations de la LED 44, 46. Dans l'exemple représenté ici, les détecteurs de référence 84, 86 sont des photodiodes en silicium qui sont chacune disposée dans une douille de contrôle 88, 90. Les douilles de contrôle 88, 90 sont positionnées verticalement vers le haut, diamétralement opposées et de façon adjacente aux douilles d'excitation 70, 72 correspondantes et aux douilles de détection 78, 80 correspondantes. Le fluorimètre 10 comprend un système électronique 92 d'alimentation des deux voies de mesure V1 et V2. Le système électronique 92 comporte trois circuits imprimés quatre couches : un circuit d'excitation 94 dédié au pilotage des LEDs 44, 46, un circuit de détection 96 utilisé pour le pilotage des photodiodes en silicium 48, 50, 84, 86 et un circuit de contrôle 98. Les trois circuits 94, 96, 98 sont positionnés à la verticale l'un en dessous de l'autre de manière à être sensiblement parallèles entre eux et concentriques d'axe A-A.
Tous les composants optiques, exceptés les prismes 64, 66, ainsi que les circuits électroniques sont disposés à l'intérieur du boîtier 16. En outre, tous les composants optiques du fluorimètre 10 sont de qualité UV grade pour être complètement transparents aux rayonnements UV de courtes longueurs d'onde émis par les LEDs. Le fluorimètre 10 est un capteur autonome se comportant électriquement comme un module 12C « esclave » par rapport à un contrôleur 12C « maître », en l'occurrence le calculateur central du système sous marin. Au point de vue communication, dans le cas d'un fluorimètre adapté à la détection des Phe/Try, le fluorimètre 10 comprend quatre voies de mesure qui fonctionnent simultanément : une voie pour le dosage du Phe, une voie pour le dosage du Try, une voie pour le contrôle de la LED 44 (associée au Phe) et une voie pour le contrôle de la LED 46 (associée au Try). Ainsi constitué, le fluorimètre 10 présente des dimensions réduites, de l'ordre de 75,6 mm de diamètre et 75 mm de longueur. De plus, le poids du fluorimètre 10 est également réduit, de l'ordre de 300 g. Les matériaux (aluminium, polyuréthane) et l'architecture mécanique utilisés garantissent au fluorimètre 10 une résistance à la pression jusqu'à 100 bars, soit 1000 m de profondeur.
Le fluorimètre 10 est alimenté en 10-12 V par les piles ou les batteries du système sous marin et consomme environ 50 mA à 12 V, soit environ 0,6 W. Le fonctionnement du fluorimètre 10 est expliqué ci-dessous en référence à la Figure 7 et pour la voie de mesure V2 du Try. Le flux de photons émis par la LED UV 46 est collimaté/focalisé par la lentille 76, traverse le hublot en quartz 68 et arrive finalement sur le prisme en quartz 66 qui est positionné dans le prolongement de la douille d'excitation 72. Le prisme 66 dirige le flux de photons vers l'extérieur du fluorimètre 10, c'est-à-dire dans le milieu environnant (eau douce ou marine), pour exciter les molécules cibles présentes.
Les deux prismes 64, 66 étant disposés de façon symétrique par rapport à l'axe A-A, les rayonnements issus des deux LEDs 44, 46 sont renvoyés dans des sens opposés et il n'y a donc aucun risque de perturbation d'une voie optique par l'autre. Les molécules excitées émettent en retour une lumière de fluorescence dont une fraction traverse le hublot 68 et pénètre dans la douille de détection 80.
Le filtre interférentiel 54 laisse passer la longueur d'onde ÀEm d'intérêt en absorbant toutes les autres longueurs d'onde.
Le flux de photons d'intérêt qui traverse le filtre 54 est ensuite collimaté/focalisé par la lentille 62 pour être collecté de manière optimale par la photodiode 50 qui transforme le signal lumineux reçu en signal électrique. La douille de contrôle 90 est utilisée pour contrôler le flux de photons émis par la LED 46. Un morceau de fibre optique 100 permet de transférer une certaine quantité de photons émis par la LED 46 vers la photodiode de référence 86. Ainsi, si le flux de photons émis par la LED 46 varie au cours du temps, la mesure de fluorescence pourra être corrigée grâce à la mesure de contrôle, l'intensité de fluorescence étant directement proportionnelle à l'intensité de la lumière d'excitation.
L'invention propose donc un fluorimètre submersible bi voies de mesure à sources de lumière UV de courtes longueurs d'onde (inférieures à 300 nm) pour la détection/quantification de composés aromatiques ciblés dans l'environnement aquatique. Le fluorimètre selon l'invention est conçu, aux points de vue mécanique (taille et poids très réduits) et électrique (très faible consommation), pour être intégré très facilement sur tout type de plateformes/engins sous marins autonomes ou câblés : planeurs ou « gliders », flotteur-profileurs, véhicules à hélice (AUVs), bouées, robots télécommandés (ROVs), etc. Bien évidemment, le fluorimètre selon l'invention peut être adapté pour l'analyse d'un seul composé aromatique ou de plusieurs composés aromatiques, selon la place disponible pour accueillir le fluorimètre sur le système sous-marin.