Les fluorimètres océanographiques mesurent la fluorescence émise par des substances naturelles ou introduites dans l'eau de mer afin de faciliter la surveillance biologique, biogéochimique et environnementale. Ces systèmes peuvent être configurés pour détecter la chlorophylle a, le CDOM, les pigments algaux, les traceurs fluorescents ou les composés liés aux hydrocarbures, avec des options de fluorimétrie monocanal, multicanal, spectrale et active disponibles.
Cette page présente des fournisseurs de fluorimètres sous-marins proposant des instruments allant des appareils de terrain portables aux fluorimètres sous-marins résistants à la pression.
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Les fluoromètres océanographiques mesurent la fluorescence émise par des substances naturelles ou introduites dans l’eau de mer. Un fluoromètre éclaire un échantillon ou un volume d’eau à une longueur d’onde d’excitation sélectionnée, puis détecte la lumière émise à une longueur d’onde plus longue. En sélectionnant des filtres optiques, des sources lumineuses et des détecteurs, un capteur fluorimétrique peut être configuré pour détecter des cibles telles que la chlorophylle a, la matière organique dissoute colorée (CDOM), les pigments algaux, les colorants fluorescents et certains composés hydrocarbonés. La fluorimétrie in vivo permet d’effectuer des mesures rapides de la fluorescence relative et, moyennant un étalonnage et une validation appropriés, peut estimer la concentration. Les résultats peuvent également être influencés par la température, les particules, la lumière ambiante, la réponse du détecteur et les propriétés optiques de l’échantillon.
Les systèmes de fluorimétrie marine vont des fluorimètres portables destinés aux mesures sur le terrain aux fluorimètres submersibles résistants à la pression, conçus pour un déploiement continu. Un fluorimètre sous-marin peut fonctionner de manière autonome ou faire partie d’un profileur fluorimétrique océanographique, d’un ensemble de mesures de conductivité, de température et de profondeur (CTD), d’un mouillage, d’un planeur, d’un flotteur ou de toute autre plateforme d’observation autonome. Cette polyvalence est utile à l’océanographie biologique, à la surveillance de la qualité de l’eau, à la recherche biogéochimique et à l’observation océanographique distribuée.
Les fluorimètres à chlorophylle mesurent la fluorescence associée aux pigments photosynthétiques, en particulier la chlorophylle a. Un fluorimètre à chlorophylle a ou un capteur de fluorescence chlorophyllienne permet d’effectuer des observations fréquentes de la répartition du phytoplancton. Ces mesures sont généralement considérées comme des indicateurs indirects plutôt que comme des mesures fixes de la concentration en chlorophylle, car le rendement de fluorescence varie en fonction de la physiologie du phytoplancton, de la lumière ambiante, de la température, de l’état des nutriments et de la composition de la communauté. Les mesures de surface peuvent également être masquées par un effet d’extinction non photochimique en cas de fort ensoleillement ; c’est pourquoi un étalonnage local et des échantillons de référence améliorent l’interprétation.
Fluorimètre de chlorophylle a SWiFT SVPplus de Teledyne Valeport.
Un fluorimètre CDOM détecte la fluorescence associée à la matière organique dissoute dans les eaux naturelles. La matière organique dissoute fluorescente (FDOM) désigne spécifiquement la fraction fluorescente ou le signal associé à la matière organique dissoute. Un capteur CDOM permet de caractériser les masses d’eau, les apports terrestres, le transport de la matière organique et les processus côtiers. L’interprétation dépend des bandes d’excitation et d’émission, tandis que la température et les interférences optiques peuvent également influencer la réponse.
Les capteurs de phycocyanine et de phycoérythrine ciblent les pigments accessoires associés aux cyanobactéries et à d’autres organismes photosynthétiques. Un fluorimètre à cyanobactéries, à algues bleu-vert ou à algues peut compléter un capteur de chlorophylle classique lorsqu’il est nécessaire d’obtenir davantage d’informations sur les groupes de pigments. Aucune de ces mesures ne permet une identification définitive des espèces, car la concentration en pigments et le rendement de fluorescence varient selon les organismes et les conditions environnementales.
Les fluorimètres à colorants mesurent des traceurs fluorescents introduits délibérément afin d’étudier les mouvements de l’eau. Un fluorimètre à la rhodamine ou un capteur à la rhodamine permet de suivre la rhodamine WT, tandis qu’un fluorimètre à la fluorescéine ou une sonde à la fluorescéine peut être configuré pour des expériences basées sur la fluorescéine. Ces instruments permettent d’étudier la dispersion, la dilution, le temps de séjour, le mélange et le transport. Il est important de choisir les canaux optiques appropriés et de procéder à un étalonnage correct, car la réponse varie en fonction de la concentration, de la température, de la fluorescence de fond et, à des concentrations élevées, de l’auto-absorption optique.
Les capteurs «huile dans l’eau» utilisent la fluorescence pour détecter des composés associés aux hydrocarbures pétroliers, souvent par excitation ultraviolette de constituants aromatiques. Un capteur de pétrole brut peut indiquer une fluorescence liée aux hydrocarbures à proximité d’infrastructures offshore, de ports ou lors d’opérations de lutte contre les déversements. La réponse dépend fortement de la composition du pétrole et du contexte environnemental ; un étalonnage et une validation spécifiques à l’application sont donc nécessaires.
Capteur d’excitation bleue pour la chlorophylle A et B d’AML Oceanographic
Les fluorimètres multicanaux combinent plusieurs mesures optiques au sein d’un même instrument. Les canaux peuvent cibler la chlorophylle, le CDOM, la phycocyanine, la phycoérythrine, les hydrocarbures ou d’autres fluorophores, et certains instruments combinent la fluorescence avec la turbidité ou la rétrodiffusion optique. Cela offre davantage de contexte lorsque plusieurs processus varient, bien qu’il faille tenir compte du chevauchement spectral et de la sensibilité croisée entre les canaux.
Les fluorimètres spectraux recueillent des informations de fluorescence sur une gamme de longueurs d’onde plus large que celle d’un fluorimètre à filtres classique doté de bandes optiques fixes. Ces informations supplémentaires permettent de distinguer les signatures qui se chevauchent et de caractériser des mélanges complexes de substances fluorescentes, mais elles imposent également des exigences accrues en matière d’étalonnage, de correction spectrale, de traitement des données et de validation.
Les systèmes de fluorométrie active utilisent des séquences d’excitation contrôlées pour étudier la fonction photosynthétique plutôt que de se limiter à l’intensité de fluorescence en régime permanent. Selon la technique utilisée, les mesures de fluorescence variable peuvent fournir des informations relatives à l’efficacité photochimique et à l’état physiologique du phytoplancton. Ces systèmes permettent de distinguer les variations d’abondance des algues des variations causées par l’historique d’exposition à la lumière ou l’état physiologique.
Les capteurs de chlorophylle permettent d’observer rapidement la variabilité du phytoplancton, tandis que les mesures de phycocyanine et de phycoérythrine apportent des informations supplémentaires sur les groupes contenant des pigments. Un fluorimètre dédié aux proliférations d’algues nuisibles (HAB) ou un capteur de cyanobactéries peut faciliter la détection précoce de l’évolution des conditions de prolifération, mais la fluorescence à elle seule ne permet pas d’identifier une espèce nuisible ni de déterminer sa toxicité. La surveillance opérationnelle est plus efficace lorsque les mesures optiques sont associées à des observations environnementales et à une vérification biologique.
Les eaux côtières et estuariennes présentent de forts gradients de salinité, de particules, de phytoplancton et de matière organique dissoute. Les sondes CDOM, les fluorimètres à chlorophylle et les mesures de turbidité peuvent aider à définir les limites des panaches et à suivre les processus de mélange. La combinaison de la fluorescence avec la conductivité, la température, la profondeur et la rétrodiffusion optique permet de distinguer les processus qui, sans cela, pourraient produire des variations similaires sur un même canal de capteur.
Les fluorimètres facilitent les mesures biologiques et biogéochimiques, qu’il s’agisse de campagnes à bord de navires ou de missions autonomes. Un profileur à fluorimètre permet de mettre en évidence les structures verticales de chlorophylle que l’échantillonnage en surface pourrait ne pas détecter, tandis que les flotteurs de profilage et autres plateformes peuvent associer la fluorescence de la chlorophylle à des capteurs physiques et biogéochimiques. Les observations multiparamétriques permettent d’établir un lien entre les réponses biologiques et la structure de la colonne d’eau, ainsi que les champs d’oxygène, de nutriments et de particules.
Les traceurs fluorescents constituent un moyen pratique de suivre des parcelles d’eau marquées lors d’expériences de mélange et de circulation. La fluorescence naturelle issue de la CDOM peut également indiquer l’évolution des masses d’eau lorsqu’elle est interprétée conjointement avec des mesures hydrographiques. Les données de fluorescence peuvent être combinées avec des observations d’absorption, d’atténuation, de rétrodiffusion et radiométriques afin d’étudier les propriétés optiques de l’eau de mer.
La surveillance par fluorimètre océanographique peut s’étendre au-delà des pigments pour inclure la fluorescence liée aux hydrocarbures et de type protéique. Les instruments de détection de l’huile dans l’eau peuvent signaler des variations des signaux liés au pétrole, tandis qu’un capteur de tryptophane ou un fluorimètre à tryptophane permet de mesurer la fluorescence de type protéique associée à la matière organique dissoute. Ces signaux n’étant pas spécifiques à une source de pollution particulière, il est essentiel de disposer de références locales, de mesures complémentaires et d’un étalonnage pour garantir une interprétation fiable.
Les déploiements de fluorimètres marins de longue durée nécessitent des mesures visant à maintenir la propreté des surfaces optiques et à distinguer les changements environnementaux de la dégradation des capteurs.
L’assurance qualité doit également inclure, le cas échéant, des contrôles à l’obscurité ou à blanc, une vérification par rapport aux étalons d’étalonnage, une inspection visant à détecter la saturation du détecteur et un examen visant à repérer les pics causés par des bulles ou des particules.
La fluorométrie océanographique continue d’évoluer vers des mesures optiques plus riches et une interprétation plus intégrée.
Ces avancées renforcent l’intérêt des capteurs fluorimétriques océanographiques en tant que composants de systèmes de profilage, d’observatoires fixes et de réseaux autonomes de surveillance marine.
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