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Des analyses de laboratoire toujours plus automatisées
Isabelle bellin de TECHNOSCOPE 23 février 2017 Paru dans N°399 - à la page 53

La plupart des grands laboratoires agréés, publics ou privés, sont désormais équipés de robots capables de prendre en charge toute l’analyse d’échantillons d’eau. Cadence, sécurité et simplicité d’utilisation sont leurs principaux atouts. Ce sont également les voies d’amélioration sur lesquelles travaillent les fabricants : des analyses plus rapides, plus de sécurité pour le personnel, des robots plus faciles à utiliser pour analyser plus de paramètres… À côté de ces Rolls de l’analyse, l’automatisation progresse aussi sans cesse à tous les niveaux, que ce soit sur les passeurs d’échantillons, la préparation des analyses ou les appareils d’analyse eux-mêmes. Tour d’horizon.

Les analyses dans le domaine de l’eau et des milieux aquatiques sont menées, en France, par des laboratoires publics et privés. Environ 140 d’entre-eux sont accrédités par le Cofrac (Comité français d’accréditation) et agréés par le ministère chargé de la Santé.
Certains sont regroupés au sein de plateformes comme Eurofins, Carso, Labocea, Cereco, Labeo, Inovalys ou Terana. En dehors des prestations réglementaires obligatoires, des laboratoires d’industriels mènent aussi leurs propres analyses à titre d’autosurveillance. En fonction de leurs besoins et des exigences de leurs clients, ces laboratoires utilisent des techniques plus ou moins automatisées qui peuvent aller jusqu’au robot lorsque le volume d’analyses est conséquent, pour les plus gros. Des laboratoires de taille plus moyenne et des industriels, également quelques grosses stations d’épuration, ont aussi fait ce choix.

L’AP3900 de Hach est un automate de laboratoire permettant l’analyse en simultané des paramètres (DCO ISO, Phosphore total, Ortho phosphate, Azote total Nitrite, Nitrate et ammonium) en tubes fermés en regroupant tous les organes nécessaires à la préparation et la lecture des analyses (portoirs échantillons et tubes d’analyses, blocs chauffant, spectrophotomètre, accessoires de manipulation…) sur une plateforme unique.

Plusieurs fabricants proposent des solutions plus ou moins automatisées comme Hach, Macherey Nagel, Shimadzu, Mettler Toledo, Agilent Technologies, Horiba, Thermo Scientific, Metrohm, AMS Alliance, Analytik Jena, etc. Toutes font appel aux instruments et méthodes de mesure traditionnelles (spectrométrie moléculaire, de fluorescence, spectrométrie atomique….).
Un des domaines où l’analyse est de plus en plus automatisée est le contrôle des eaux usées avec la mesure de la DCO (demande chimique en oxygène) et du phosphore. En général, plusieurs paramètres peuvent être mesurés en parallèle sur un même échantillon et l’ajout d’échantillon en cours d’analyse est possible.

Le SP2000 de Macherey Nagel comporte une plateforme commune, avec un spectrophotomètre Nanocolor VIS II, adaptée ensuite aux besoins de chacun en termes de nombre d’analyses
(24 à 336 échantillons, analyses séquentielles ou en parallèle), d’étapes de préparation de l’échantillon, de manipulation.

Chaque solution est modulable à l’instar du Rohasys de Hach (ou AP3900 Multi Hach) qui comporte un spectrophotomètre (modèle DR3900) et un bras automatique capable de préfiltrer, diluer, chauffer et préparer les échantillons en y ajoutant les réactifs ad hoc. « La révolution remonte à fin 2007 en France, indique Frédéric Soumet chez Hach. Depuis, nous améliorons sans cesse nos robots, d’abord en termes de rapidité et de capacité d’analyses, car les laboratoires doivent faire face à des volumes de mesure accrus en raison de leur regroupement et de la réglementation. À l’heure actuelle, grâce aux nouvelles potentialités du Rohasys commercialisé depuis 4 ans (3e génération), nous renouvelons les robots en place. Rohasys contrôle simultanément 9 paramètres : DCO ISO, phosphore total, ortho phosphate, azote total, nitrite, nitrate et ammonium, chlorures et les phénols. Validé par l’Afnor pour la mesure de la DCO et du phosphore, il équipe bon nombre des laboratoires agréés. Dans sa configuration de base, il permet des analyses quotidiennes de 20 échantillons de DCO et phosphore total et 10 échantillons d’eaux propres pour l’analyse des nitrites, nitrates et de l’ammonium grâce à sa capacité de 24 échantillons, 2x24 positions de minéralisation et deux blocs chauffants. Ces capacités peuvent aller jusqu’à 100 échantillons et 2 x 48 positions de minéralisation ».


Sécuriser les manipulations et fiabiliser les résultats

Le Gallery Plus de Thermo Scientific analyse simultanément plusieurs paramètres d’un même échantillon, surveille en temps réel les réactifs et la dilution, avec une cadence allant jusqu’à 350 tests par heure, une à trois heures d’autonomie et une capacité de chargement jusqu’à 54 échantillons et 42 réactifs.

Pourquoi investir dans un robot d’analyse ? Si la première raison reste la cadence, d’autres arguments deviennent de plus en plus importants. Au premier rang desquels, la sécurité. Les risques de manipulation de réactifs acides pour la minéralisation des échantillons et d’inhalation de réactifs CMR (cancérigènes, mutagènes, reprotoxiques) lors de l’analyse de la DCO doivent être autant que possible limités.

Présenté en avant-première sur Pollutec 2016, le Smartchem 450 est un analyseur séquentiel de milieu de gamme portant les cadences à 450 tests/heure dans un appareil entièrement automatisé, flexible, et doté d’un nouveau logiciel.

« Ce que permet le robot, explique Jérôme Porquez de Macherey Nagel : le technicien place les échantillons bruts, précise l’analyse à faire et le robot gère tout ensuite, de la dilution à la collecte du résultat. C’est le cas de la mesure DCO ISO en tube fermé que nous proposons avec le robot SP2000 développé par la société Skalar. Les tubes sont prêts à l’emploi, il suffit d’y mettre les échantillons sans manipuler de réactifs ». Il faut aussi remarquer que la méthode ISO est bien plus sensible que la méthode NFT : elle permet de mesurer des DCO jusque 5 mg/l au lieu de 30 mg/l. Seuls Macherey Nagel et Hach proposent à l’heure actuelle des robots capables d’effectuer cette mesure en tubes fermés.


Modulable lui aussi, le SP2000 de Skalar et Macherey Nagel comporte une plateforme commune, avec un spectrophotomètre Nanocolor VIS II de dernière génération, adaptée ensuite aux besoins de chacun en termes de nombre et types d’analyses (24 à 336 échantillons), d’étapes de préparation de l’échantillon, … Sa dernière version, mise sur le marché il y a moins d’un an, permet d’analyser plus vite davantage de paramètres.

Le nouvel Aqualog DataStream de Horiba permet l’automatisation du traitement des données pour l’analyse par fluorescence de l’eau.

« Nous avons gagné environ 35 % en rapidité grâce aux déplacements optimisés du bras manipulateur et au logiciel plus performant qui pilote l’ensemble, poursuit Jérôme Porquez : l’échantillon brut est directement déposé dans un flacon, le robot va gérer ensuite toutes les étapes (dilution, chauffage, ajout de réactifs, mélange, post-dilution…) Notre dernière innovation apporte encore plus d’autonomie au robot grâce à une sonde de conductivité, il est capable de déterminer le niveau de DCO pour ensuite choisir la bonne gamme de test ou la dilution appropriée. Le gain de temps est important ». Le SP2000 mesure désormais ortho-phosphore, phosphores totaux, nitrates, nitrites, ammonium, sulfure et même pH, redox et température. « Pour cela, depuis mi 2016, nous proposons la combinaison de 2 robots avec un bras qui manipule les réactifs, l’autre qui produit les mesures pH et redox », ajoute Jérôme Porquez.
Pour assurer la fiabilité des résultats, une mesure de turbidité (NTU) vérifie également l’absence de perturbations.



Limiter le volume des réactifs

L’Octopus de Shimadzu peut enchaîner 8 échantillons sans flaconnage particulier avec les mêmes performances que le passeur de grande capacité pour un prix 5 fois moindre.

Pour les méthodes colorimétriques, le Gallery Plus de Thermo Scientific analyse simultanément plusieurs paramètres d’un même échantillon, surveille en temps réel les réactifs et la dilution, avec une cadence allant jusqu’à 350 tests par heure, une à trois heures d’autonomie et une capacité de chargement jusqu’à 54 échantillons et 42 réactifs. Il utilise aussi des réactions turbidimétriques et bichromatiques ainsi qu’en option, un module électrochimique pour la mesure du pH et de la conductivité.


AMS Alliance offre également une gamme d’analyseurs permettant d’automatiser les analyses les plus fréquentes : ammonium, nitrate, nitrite, phosphate, alcalinité, chlorure, sulfate, silicate à partir de 10 à 15 échantillons par jour. C’est le cas de la gamme Smartchem qui comprend désormais 5 modèles, du 140 au 600 tests/heure et dont les derniers développements, Smartchem 450 et Smartchem 600, permettent aux utilisateurs d’optimiser leurs analyses tant au niveau de la performance analytique qu’au niveau des coûts. « En effet, nous n’utilisons que quelques microlitres de réactifs pour un coût par test de quelques centimes d’euros au maximum, indique Laurent Clousier, Managing director. Nos automates vont également permettre aux utilisateurs de lancer des séries d’analyses complètes et ne plus avoir à intervenir sur l’appareil, il terminera sa série et se mettra automatiquement en veille ». Pour certains paramètres comme l’ammonium, ou l’analyse doit être réalisée dans le délai le plus court possible, cela permet aux laboratoires d’optimiser leur fonctionnement en démarrant dès la fin de journée les analyses des échantillons reçus dans la journée sans avoir à mobiliser du personnel pour des heures de nuit. « Nos analyseurs peuvent travailler en complète autonomie la nuit, et bien sûr la journée, permettant ainsi aux techniciens de se concentrer sur d’autres tâches, confirme Laurent Clousier. Nos solutions en flux continu permettent également d’automatiser les analyses les plus complexes comme les cyanures, phénols, détergents, azote total et phosphore total en permettant d’automatiser toutes les étapes de l’analyse (distillation, digestion UV, dialyse et bien sûr la mesure) dans le respect des normes ».

Gerhardt propose une nouvelle génération de minéralisateurs NTK norme ISO 5663 et DCO
norme ISO 6060 pour un pilotage autonome de
toutes les fonctions. C’est un système propre,
sûr et qui garantit un traitement homogène et reproductible des échantillons.

Le Robotic Titrosampler 855 de Metrohm permet, quant à lui, de mesurer pH, chlorures, fluorure, conductivité, turbidité avec une préparation automatique des échantillons, un nettoyage et un conditionnement automatique du capteur et un fonctionnement autonome grâce au logiciel de titrage tiamo.

Metrohm va d’ailleurs plus loin en termes de cadence analytique avec la toute nouvelle gamme OMNIS et son Sample Robot qui permet d’effectuer 4 analyses en parallèle et laisse la possibilité à l’opérateur de changer les portoirs échantillons sans arrêt du robot.

« Outre le gain de temps d’analyse, un robot permet de limiter le volume de réactifs grâce aux microméthodes », complète Frédéric Soumet chez Hach qui propose également désormais la gestion des réactifs usés, de leur récupération auprès des laboratoires jusqu’à leur recyclage complet dans un de ses centres, agréé, à Düsseldorf. Autre point fort des robots, leur simplicité d’utilisation, la qualité du suivi et de la gestion des données : « Le Rohasys est fourni avec un ordinateur raccordé. L’état de l’analyse peut être suivi en temps réel sur écran, un suivi facilité avec des codes couleur. La traçabilité des résultats et des étalonnages est bien sûr garantie et les données peuvent être gérées automatiquement avec une interface LIS ». L’interface informatique du SP2000 de Macherey Nagel a aussi été améliorée, avec notamment une version française. Idem chez Horiba où le logiciel de pilotage de l’Aqualog confinait jusque-là le robot aux laboratoires de recherche : désormais, une version logicielle simplifiée et dédiée rend ses analyses accessibles à l’industrie de l’eau.

Gagner en rapidité et en capacité

Mais le robot va-t-il vraiment plus vite que l’opérateur ? « En fait, son temps d’analyse par échantillon est légèrement plus long qu’une analyse manuelle, reconnaît Jérôme Porquez chez Macherey Nagel. C’est sur 24h qu’il est plus performant. Une analyse comporte des temps incompressibles comme le chauffage pour la DCO (2h) ou la stabilisation de la couleur. Ensuite, le robot effectue la mesure de DCO en moins de 2 mn quand une analyse manuelle prend une minute. Nous poursuivons les développements avec Skalar pour accélérer la cadence d’analyse en accélérant les mouvements du bras manipulateur et en multipliant le nombre de tâches simultanées. Nous estimons pouvoir encore gagner jusqu’à 40?% de temps de manipulation selon les analyses ».
Même message chez Hach qui affirme que ses robots sont les plus rapides : « Le logiciel pilote l’analyse et garantit la séquence optimale mais c’est le bras qui fait tout. Nous continuons à optimiser nos robots en travaillant sur leur rapidité et leur capacité ». Dans tous les cas, la présence du technicien reste indispensable mais il dispose de plus de temps à consacrer à autre chose.


Une des étapes la plus longue et la plus génératrice d’erreurs de manipulation, contamination, interprétation, est la préparation des échantillons, un domaine dans lequel Horiba a lancé une solution remarquée en 2015 avec le Vulcan, lauréat du prix Forum Labo. Cette station fermée automatise toutes les étapes de préparation d’un échantillon (distribution d’acides, chauffage, agitation, mise à volume, dilution, transfert). Elle peut être mise en amont de tout type d’appareil de mesure : spectromètre optique, de masse et d’absorption atomique, fluorescence… Côté appareil d’analyse cette fois, Agilent Technologies développe sa gamme d’ICP-MS pour doser tout type d’éléments chimiques par spectrométrie atomique, à partir d’un passeur automatique de plusieurs centaines d’échantillons. La préparation (en général un ajout d’acide pour stabiliser les échantillons) doit être assurée par un opérateur. Il suffit ensuite de choisir la méthode validée pour la matrice concernée. Hach propose de son côté, de longue date, le Ganimede P pour mesurer en 3x8 seulement le phosphore total et les orthophosphates (méthode photométrique). Devenu une référence pour les laboratoires agréés, cet appareil intègre un passeur et assure une mesure en 4 mn au lieu d’une heure grâce à une méthode de chauffe très accélérée.

Le Sample Robot Metrohm OMNIS peut effectuer jusqu’à 4 analyses en parallèle avec une capacité maximale de 175 échantillons.

Certaines analyses comme la mesure du carbone organique total (COT) nécessitent peu de préparation mais sont de plus en plus automatisées grâce à un passeur d’échantillons. « Nous ne vendons plus d’instrument sans passeur, reconnaît Christian Consolino en évoquant les COTmètres de laboratoire de Shimadzu. Nous proposons deux solutions adaptées aux deux besoins des laboratoires : l’Octopus, un passeur de 8 échantillons (avec les flacons de prélèvement sans flaconnage spécifique) qui intéresse les laboratoires de contrôle d’industriels et un grand carrousel de 68 ou 93 positions avec système d’agitation magnétique (flacons de 9, 24 ou 40 ml) adapté aux besoins des laboratoires de prestation. Les performances sont les mêmes mais le coût du passeur de petite capacité est 5 fois moindre ». Dans l’automatisation, comme ailleurs, la solution doit être adaptée au besoin.