Analyse environnementale

Sommaire 1 Analyse organique 1.1 Extraction dans les eaux et fluides corporels 1.2 Extraction dans les matrices solides 1.3 L'exemple des phtalates 2 Les éléments traces 2.1 Espèces chimiques 2.2 Groupement caractéristique 3 Voir aussi 3.1 Liens internes 3.2 Bibliographie

Analyse organique

Extraction dans les eaux et fluides corporels

Plusieurs techniques peuvent être utilisées :

• Extraction liquide-liquide (LLE), qui se fonde sur le partage de l'analyte entre l'échantillon aqueux et le solvant d'extraction.
• Extraction sur phase solide (SPE) : il implique une phase solide par laquelle on percole l'échantillon et qui retient les analytes. Une élution de cette phase permet de récupérer les analytes concentrés et purifiés.
• Microextraction sur phase solide (SPME) : une fibre est recouverte d'une couche de phase solide et est immergée dans l'échantillon pour extraction.
• Extraction sur phase solide de barreau d'agitation (SBSE) : variante de la précédente, avec un barreau aimantée au lieu d'une fibre.

Extraction dans les matrices solides

L'extraction dans les échantillons de sols et autres matières solides nécessite un solvant d'extraction, avec agitation et chauffage pour accélérer le passage des analytes vers le solvant.

• soxhlet, qui permet l'extraction de matières solides par des solvants à leur température d'ébullition. C'est encore la méthode de référence.
• extraction par agitation (shake-flask), où l'échantillon est mélangé à un solvant d'extraction avant agitation
• extraction par ultrasons, variante de la précédente mais avec agitation intime par ultrasons
• extraction assistée par micro-ondes, où l'échantillon mélangé à un solvant d'extraction est chauffé instantanément par micro-ondes.
• extraction par solvant pressurisée (PFE ou ASE) : mêlé à l'échantillon, le solvant d'extraction est maintenu à l'état liquide à des températures exceptionnellement élevées par application d'une pression, ce qui permet d'accélérer l'extraction.

L'exemple des phtalates

Les phtalates représentent actuellement un enjeu environnemental, il est donc important de posséder des techniques analytiques capables de les quantifier. Ces techniques doivent être aussi très sensibles étant donné les faibles concentrations en phtalates trouvées dans l’environnement.

Tout d’abord, voici les matrices les plus souvent analysées compte tenu des normes ou des risques encourus :

• L’eau (potable, de source, rivières)
• Les plastiques (jouets, emballages alimentaires)
• Les fluides corporels (sang, urine, plasma)
• Les cosmétiques
• Les aliments

L’étape clé dans l’analyse des phtalates va être leur extraction, de nombreuses méthodes sont utilisées dépendamment de la matrice. Par exemple, dans une matrice liquide, l’extraction peut être possible en utilisant simplement une extraction liquide-liquide. De même, le Soxhlet est parfois utilisé pour des matrices solides.

Des méthodes d’extraction plus récentes sont aussi utilisées comme la SPE (Solid Phase Extraction), la SPME (Solid Phase Micro Extraction) ou encore la SBSE (Stirring Bar Sorptive Extraction). Ces dernières semblent plus adaptées à ce type d’analyse car elles représentent un bon compromis entre temps d’extraction et rendement d’extraction. Il est en effet nécessaire d’avoir un bon rendement lorsqu’il s’agit d’analyse de traces.

L’analyse se fait ensuite généralement à l’aide d’un dispositif chromatographique (gazeux ou liquide) couplé à un spectromètre de masse même si la matrice n’est pas complexe car les performances sont bien meilleures. Citons par exemple la LC-MS (Liquid Chromatography-Mass Spectrometry) et la GC-MS (Gas Chromatography).

D’une manière générale, il est bon de limiter les manipulations et d’éviter les contaminations, un des problèmes dans l’analyse des phtalates réside dans la contamination inévitable de l’échantillon à cause des nombreux plastiques utilisés de l’extraction à l’analyse (gants, seringue, bouchons et même septum). De ce fait, il est essentiel de ne pas oublier de soustraire un blanc aux résultats obtenus pour l’échantillon.

Les performances analytiques de diverses méthodes qui sont données ici sont issues de revues scientifiques dont les références sont notées après :

1. On Line SPE-HPLC/MS/MS, matrice : urine, LD (limite de détection) 0,11 → 0,9 µg/L, recouvrement : environ 100% (2005)
2. SPME-GC/MS/MS, matrice : sérum, LD : 15 µg/L, RSD (Relative standard deviation) = 4%, 2004
3. Extraction liquide/liquide+SPE-LC/MS/MS, matrice : lait (toutes sortes), LD 0,01 → 0,5 µg/L, RSD : 5 à 15%, 2005
4. Capillary LC/MS (Nébulisation électrostatique (ESI), trappe ionique (QIT)), urine, LD : 1,6 → 3,5 µg/L, RSD : 4 à 18%, 2004
5. On Line SPE-LC/APCI-MS (Atmospheric Pressure Chemical Ionisation), méthode permettant l’analyse simultanée de phtalates, pesticides et phénols dans l’eau, LD<0,1 µg/L, RSD<25%, recouvrement>75%, 2004.
6. SBSE-LD/LVI-GC/MS (LVI :Large Volume Injection, LD :Liquid desorption), eau potable, LD : 3 → 40 µg/L, RSD<15%, 2006
7. Immuno-essais suivis par fluorescence, sensible et spécifique, eaux environnementales, LD=0,02 µg/L, 2006
8. PANI-SPME/GC (PANI : polyaniline), eaux environnementales (rivières, lacs..), LD=0,003 → 10 µg/L, 2006

Les éléments traces

Les éléments traces peuvent être séparés selon leur espèces chimiques (spéciation chimiques des métaux) ou selon certains groupements fonctionnels spécifiques. Il est préférable d'utiliser le terme éléments traces plutôt que métaux traces pour englober certains éléments chimiques qui ne sont pas des métaux (notamment l'arsenic, le sélénium ou autres). L'utilisation du terme métaux lourd est à bannir (son usage devrait être réservé à la musique - , il ne réflète pas les propriétés des métaux et n'est d'aucune utilité. Il existe un grand nombre de techniques analytiques ; les plus fréquentes seront brièvement présentées à titre indicatif seulement.

Espèces chimiques

Les éléments traces peuvent existent sous différentes formes chimiques et différentes techniques sont disponibles pour déterminer la distribution des espèces chimiques (la spéciation chimique):

• Isotopes métalliques : digestion couplée avec spectrométrie de masse (TIMS Thermal Ionization Mass Spectrometry, ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) ;
• Métaux à l'état oxydé ou réduit : chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC), Spectrométrie d'adsorption (AAS Atomic Absorption Spectrometry, ICP-AES Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry, ICP-MS) ;
• Composés ou complexes métalliques inorganiques : déduction du pH et de la stœchiométrie de la réaction par potentiométrie (voltammétrie), méthodes extractives, ultracentrifugation ;
• Complexes métalliques organiques : voltammétrie lorsque la concentration des métaux traces est faible (ASV Anodic Stripping Voltametry, ACSV Adsorptive Cathodic Strpping Voltametry) ;
• Composés organométalliques : chromatographie couplée avec un système de détection par élément sélectif (GC Gas chromatography et photométrie) ;
• Complexes ou composés macromoléculaires métalliques : la détermination des macromolécules métalliques nécessite le jumelage de plusieurs techniques : chromatographie, spectrométrie, électrophorèse (SDS-PAGE Sodium Dodecyl Sulfate-PolyacrylAmide Gel Electrophoresis)

Les matrices utilisées comportent souvent une dynamique interne résultant d'une spéciation chimique instable. Par conséquent, les analyses des espèces chimiques dans les échantillons peuvent varier dans le temps et les techniques de spéciation chimique sont donc innefficaces. Dans cette situation, il peut être préférable de recourir à des techniques de fractionnement pour établir les groupements caractéristiques des échantillons.

Groupement caractéristique

Les groupements caractéristiques ne sont pas des espèces chimiques mais plutôt des catégories d'espèces ayant une caractéristique commune. Pour les techniques analytiques des métaux, cette classification est liée au concept de fractionnement ou de partition (voir métal pour précision). Par exemple, on peut classer les métaux selon leur fraction extractible dans les différentes phases d'un sol :

• Liée à la matière organique : métaux adsorbés ou complexés aux acides organiques, aux colloïdes < 0.2 micron (extraction au pyrophosphate de potassium)
• Ions libres : métaux solubles et facilement échangeables (extraction à l'acétate d'ammonium)
• Échangeable : métaux labiles et mobilisables (extraction par la méthode Mehlich-3)
• Résiduelle : fraction non extraite par les autres méthodes de fractionnement, très stable et immobile
• Totale : tout le métaux contenu dans le réseau cristallographique des minéraux primaires et secondaires, obtenu par digestion avec acide (HF, HCl, HNO₃, etc.)

Il existe plusieurs autres fractions qui pourraient être analysées (oxyde, carbonate, sulfate, etc.) selon le type d'information recherché. D'autres techniques comme les membranes filtrantes (CCF Cross-Flow Filtration, dialyse de Donnan) et techniques d'échange (IRE Ion Exchange Resins, CE Capillery Electrophoresis) peuvent être utilisées pour classer les métaux selon différentes caractéristiques. Le principal défi consiste à opter pour la technique la plus représentative de l'espèce ou du groupement recherché ; un effort devra être fait pour normaliser les techniques analytiques des métaux afin de pouvoir comparer les résultats obtenus dans les études scientifiques.

Voir aussi

Liens internes

• Spectrométrie de masse
• Chromatographie
• Chimie analytique

Bibliographie

1. Kayoko Kato, Manori J. Silva, Larry L. Needham, and Antonia M. Calafat, Anal. Chem. 2005, 77, 2985-2991
2. Ivelisse Colo´n, Jean-Marie D. Dimandja, Anal Bioanal Chem (2004) 380: 275–283
3. Gerda K. Mortensen, Katharina M. Main Anna-Maria Andersson, Henrik Leffers, Niels E. Skakkebæk, Anal Bioanal Chem (2005) 382: 1084–1092
4. Anders Holm, Kasper Solbu, Paal Molander, Elsa Lundanes, Tyge Greibrokk, Anal Bioanal Chem (2004) 378 : 1762–1768
5. P. Lopez-Roldan, M. J. Lopez de Alda, D. Barcelo, Anal Bioanal Chem (2004) 378 : 599–609
6. P. Serôdioa, J.M.F. Nogueira, Considerations on ultra-trace analysis of phthalates in drinking water, Water research 40 (2006 ) 2572 – 2582
7. Ming-Cui Zhang, Qiong-E Wang, Hui-Sheng Zhuang, Anal Bioanal Chem (2006) 386: 1401–1406
8. Xiang Li, Ming Zhong, Shifen Xu, Cheng Sun, Journal of Chromatography A, 1135 (2006) 101–108
9. Sauvé S. & Parker D.R. 2005. Chapter 14: Chemical Speciation of Trace Elements in Soil Solution. Dans Chemical Process in Soils, vol.8. Madison, Soil Science Society of America, p. 655-688
10. Templeton D.M., Ariese F. et al. 2000. Guidelines for Terms related to Chemical Speciation and Fractionation of Elements. Definitions, Structural Aspects, and Methodological Approaches. Pure Applied Chemistry, Vol.72, No.8, p. 1453-1470
11. Deschênes L., Chassé R. et al. 2006. Développement d'une méthode d'évaluation de la mobilité des éléments traces métalliques d'un sol, Chaire Industrielle en assainissement et gestion des sites, IRDA, CEAEQ, 147p.
12. Naidu R., Gupta V.V.S.R., et al. 2003. Bioavailability and risk Relationships in Ecosystems. Enfield: Science Publishers, Inc. p. 58-82.

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