Cours de Chimie Analytique

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1 Cours de Chimie Analytique
Jean-Luc Vialle

2 Objectifs Maitriser les techniques utilisées dans les domaines: De l’agroalimentaire (lipides, glucides, protides) Connexes à la production (environnement, culture, élevage) Approfondir quelques techniques majeures et discriminatives

3 Sommaire Panorama des techniques
La Quantification et l’Echantillonnage La Chromatographie L’HPLC et La CPG L’ Absorption Atomique et L’ Absorption Moléculaire

4 Déroulement - Contrôle
5 Interventions: Cours 1,5 TD + 0,5 TD Projet 1 Projet (TP) 1 contrôle Claroline: Chimie Analytique Documents (cours + Power-Point) Forum (Questions)

5 Panorama des techniques analytiques
Chapitre N°1 Panorama des techniques analytiques

6 Sommaire Introduction Les environnements Recherche, R&D, Production
Contraintes des analyses Personnel, Matériel, Normatives, Economiques Classifications des techniques Propriétés, Etat, Seuil, Cibles

7 I°) Introduction Objectifs: Adéquation entre un‘produit’ et un cahier des charges et/ou une législation. Moyens: Quantifications +/- précises de différents paramètres Paramètres: Sensoriels, Physiques, Chimiques µ biologiques liés à la matrice, à la molécule

8 Représentativité: Analyse, Echantillonage, Extraction, Conservation.
Adaptation de la méthode au résultat attendu Ciblage des paramètres en fonction des objectifs et de l’environnement - Recherche Recherche et Développement - Production

9 11 L’environnement Recherche
Objectifs: Structurale / Evolution Mots Clefs: Liés au produit Nature, Origine, Matrice, Etat, Pureté Moyens: Techniques Lourdes disponibles en Centre de Recherche ou en externalisation Obligations de moyens: Pas / peu de contraintes économiques et temporelle

10 12 L’environnement R&D Objectifs: Quantification 2 phases:
Centrée sur le produit Niveau de détection Transposition en production : Contraintes normatives Moyens plus softs Techniques globales / discriminatives

11 13 L’environnement Production
3 mots clefs: Simplicité - Durée - Coût Nouvelles contraintes: Obligations - Références - Externalisation - Qualification Techniques mises en œuvre : Liées à la valeur ajoutée du produit: Faible  Globale Elevée  Discriminative

12 II°) Contraintes des analyses
Liées au personnel Liées au matériel Liées aux méthodes Liées à l’aspect économique et à l’aspect délai

13 21 Personnel compétent Production : Faibles compétences  Analyses simples (globales)  Automatisation Laboratoire d’analyse: Niveau de compétence + élevé  Analyses discriminatives  Automatisation Laboratoire de recherche: Niveau de compétence très élevé  Interprétation des analyses

14 22 Contraintes matérielles
Coût d’investissement: Routine (Production) : Euros - Analyse discriminative: Euros par ligne d’analyse Analyse structurale: Quelques centaines de milliers d’Euros par technique. Coût de fonctionnement et de maintenance

15 23 Contraintes Normatives et Légales
Normes ISO, Afnor, Din, Asae… font références et sont incontournables si obligations légales Méthodes officielles: AOAC pallient l’absence de normes Méthodes interprofessionnelles Ex: Test de sédimentation de Zélény, saccharimétrique dans l’industrie sucrière, MS chez la pomme de terre. Méthodes internes (propres à l’entreprise)

16 24 Contraintes économiques et temporelles
Liées à l’aspect légal ou marketting de l’analyse. Liées à l’impact sur la production (Immobilisation) Internalisation / Externalisation de l’analyse  Impact sur le délai et sur le coût Liées au volume d’activité de l’entreprise et à la valeur ajoutée de la production

17 C < 15 Euros , D < 3 jours
C < 15 Euros , D < 3 jours MS, pH, Gravimétrie, Brix, tests simples 15 < C < 50 Euros, D < 3 jours Titrimétrie, Complexiométrie, AA, Absorption moléculaire 100 > C > 50 Euros, D < 3 jours Techniques chromatographiques internalisées, simples C > 100 Euros, D > 1 semaine Analyse thermiques, structurales, analyses chromatographiques externalisées

18 III°) Classifications des techniques
Selon les propriétés du soluté (matrice). Selon le caractère ‘destructif’. Selon l”état de la matière. Selon le seuil de détection Selon le caractère discriminant de l’analyse Selon la ‘cible’ visée dans la molécule

19 Global / Discriminant: Titrimétrie / Séparatives
Propriétés du soluté (matrice) Chimiques et µbiologiques - Physiques - Mécaniques - Thermiques - Optiques - Electriques - Magnétiques - Physico chimiques - Energétiques - Fragmentation Caractère destructif / non destructif MEB, RX, RMN du solide, Near FTIR Etat de la matière: S, L G Seuil de détection: 0,1% (1000 ppm) Titrimétrie - Thermiques - IR - RMN - Gravimétrie 1 ppm: AA, AM , Chromatographie… Global / Discriminant: Titrimétrie / Séparatives

20 Classification selon la ‘cible’
Molécule =  atomes et ou de groupes fonctionnels liés entres eux par des électrons. Atome =  noyau + électrons Propriétés physiques , chimiques +/- spécifiques et des Propriétés physico-chimiques spécifiques  Techniques Séparatives

21 Possibilité de la casser par apport d’énergie mécanique (chimique)  analyse élémentaire , Spectrométrie de masse. Possibilité de modification de la molécule par apport d’énergie sous forme thermique  ATD, ATG, DSC, Fusion… Possibilté d’action sur les molécules et ses atomes constitutifs par apport d’énergie sous forme lumineuse E = h = hc /  En fonction de l’énergie apportée, on agit sur des cibles différentes: SAA, IR, Absorption moléculaire

22 µ onde et ondes radio 3 106 nm Modification de la matrice
Infra-Rouge de 2500 à 1000 nm Vibration des atomes constitutifs des liaisons Visible de 800 à 400 nm Excitation des electrons constitutifs des liaisons (les plus mobiles). Excitation des electrons atomiques UV de 350 à 200 nm Excitation des électrons constitutifs des liaisons (les moins mobiles) RX et rayons  < 3 nm Arrachage des electrons constitutifs

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28 Chapitre N° 2 La quantification

29 Sommaire Introduction Les calculs d’incertitudes
Les méthodes ‘Absolues’ Methodes directes Dosages chimiques Les méthodes comparatives Etalonnage interne et externe Les ajouts dosés Conclusion

30 I°) Introduction Analyse = Quantification Structurale = Identification
Rappels sur les incertitudes Incertitudes absolues  n x Incertitudes relatives  x /x

31 II°) Les méthodes ‘absolues’
Mesure de paramètre physiques Exemple Taux de cendres NF V Méthodes basées sur l’application d’une loi simple Exemple ; L’amidon (3ème directive du JO du 23/ ) Méthodes basées sur des réactions chimiques

32 Acido-basique Rédox Complexiométrie - Précipitation Conservation du nombre d’équivalents échangés Méthodes à point final Méthode directe: (NF T ) Méthode en retour (NF V )

33 III°) Méthodes comparatives
Etalonnage externe Etalonnage interne Méthode des ajouts dosés

34 31 Etalonnage externe Pas de dépendance d’un facteur extérieur
Application au dosage du phosphore soluble dans les terres (NF X ) Etalonnage Exploitation des résultats Avantages et inconvénients

35 32 Méthode de l’étalonnage interne
Domaine d’utilisation Principes Application à l’analyse des FAME (NF T ) Avantages et inconvénients Choix de l’étalon interne

36 33 Méthode des ajouts dosés
Analyse de traces Application en absorption atomique Application en chromatographie Avantages et inconvénients

37 Introduction à la Chromatographie
Chapitre N° 3 Introduction à la Chromatographie

38 Sommaire Introduction Aspect thermodynamique Aspect cinétique
Facteurs liés à la chromatographie

39 I°) Introduction Technique séparative
Dualité Analytique / Préparative Lié à la valeur ajoutée Les différents états de la matière solide – liquide – gaz – critique Classification des techniques séparatives - Suivant les forces mises en jeu - Suivant l’état de la matière

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42 Un peu d’histoire… Khrômatos = Couleur Graphikos = Tracé
1903 Tswett: CaCO3 Colonne ouverte 1940 Martin et Synge : Théorie de la partition 1950 Snyder: Théorie de l’adsorption 1950 Martin et James CPG 1960 CCM 1970 HPLC et phase inverse 1975 CPG Capillaire 1985 HPLC en phase supercritique

43 Glossaire Soluté: Espèce à séparer / à doser
Solvant: Solubilise le soluté Eluant: Phase mobile Eluat: Phase mobile (+ soluté) Phase stationnaire: Phase immobilisée dans le système chromatographique

44 Schéma d’un chromatographe
Réserve Eluant Système de Mobilité Injecteur Passeur Gradient Séparateur Micro Proesseur Détecteur Traitement du signal Collecteur

45 Classification des techniques chromatographiques
Suivant la technologie: Surface / Volume Suivant la nature des phases: Phase mobile: Liquide ou Gazeuse (Critique) Phase stationnaire: Solide ou Liquide immobilisé

46 Récapitulatif Phase Mobile Phase Stationnaire Technologie Application
Principe Gaz Liquide Volume CPG G/L Partage Solide G/S Adsorption Exclusion Surface CCM L/L HPLC CP L/S LC, HPLC

47 II°) Aspect Thermodynamique Théorie des plateaux
Un soluté P qui se distribue entre les deux phases stationnaire et mobile = Equilibre K = [P]stat / [P]mob K varie avec la force des interactions Objectif: Multiplication du nombre d’équilibre : n Ecoulement discontinu ; 1 plateau = 1 équilibre y = fraction de P (stat) et x = fraction de P (mob) k’ = y/x = cste x + y = qo = 1 1 2 3 ….. p … n-2 n-1 n

48 Evolution du soluté P Injection n 1 2 n - 1 Stat. Mob. Equilibre n -1
1 2 n - 1 Stat. Mob. Equilibre n -1 y x

49 Transfert n 1 2 n - 1 Mob x Stat y Equilibre n -1 xy x² stat y²

50 Transfert n 1 2 n - 1 Mob xy x² Stat y² Equilibre n -1 xy² 2x²y x3 y3 2xy² x²y

51 Généralisation Après n transferts: Le soluté se disperse suivant une loi du type (x + y)n Facteur de capacité: k’ = y / x Grandeur caractéristique d’un soluté dans un système chromatographique donné Qnp = f(n,p, q0) Equation d’une Gaussienne Courbe à maximum

52 Après n transferts, la phase mobile a parcourue une distance ln et l’extrémum se situe à une distance lp tel que lp / ln = 1 / (1+k’) Soit en terme de vitesse vp / vn = 1 / (1+k’) Soit t = Cste On mesure l Surface Soit l = Cste On mesure t Volume

53 Quelques grandeurs fondamentales
Temps de rétention: Apparition de l’extrémum Tr = T0 (1+k’) Temps de rétention nulle: Soluté non retenu T0 Rf Rf = lp / l0 Efficacité : N = Nb de plateaux théoriques HEPT: H = L / N

54 Séparation de plusieurs solutés
Sélectivité = k’2 / k’1 Traduit la différence d’affinité pour 1 et 2 Résolution Rs Traduit la séparation entre deux pics chromatogaphiques

55 III°) Aspect Cinétique
Ecoulement Continu : Déformation des pics: Transfert de système chromatographique et Transposition: Notion de grandeurs réduites (l, h et vitesse réduite) Si l, h et la vitesse réduite sont constant, N est constant

56 Mécanismes de Dispersion
Knox (HPLC) et Van Dempter (CPG) H = A + B / u + C u A = Anisotropie d’écoulement B = Diffusion longitudinale C = Résistance aux transferts de masse U = vitesse linéaire de la phase mobile Optimisation

57 IV°) Facteurs liés à la chromatographie
La température: Fondamental k’ est fonction de T Si T augmente k’ diminue La composition de la phase mobile (HPLC - CCM) Le débit de la phase mobile (u) Loi de Darcy: Perte de charge dans un écoulement à travers un tube rempli

58 Chap N°4 La CPG Sommaire Introduction
Les phases stationnaires en colonne remplie Transposition colonne remplie / colonne capillaire L’injection La détection La dérivatisation

59 I°) Introduction 1ère technique développée dès 1950
Simplicité de mise en œuvre Rapidité des analyses complexes Matériel disponible et peu onéreux Nombreuses applications : NF T FAME Carbowax 20 M DB 20 F.I.D NF T BHA et BHT DC 200 CP Sil 5 F.I.D

60 NF T90-120 PcB et Organo-chlorés OV17 DB5 ECD
NF T Atrazine et Simazine DB5 Thermo ionique NF T COV halogénés Carbowax 1500 CPSil 5 ECD Nombreuses autres applications - Gaz Permanents Porapak Catharomètre - Solvants résiduels – Composés volatils Résidus d’incendies – Arômes – Huiles essentielles….

61 II°) Les phases stationnaires en colonne remplie
Colonne remplie = Tube + Support + Phase Liquide Imprégnée (Solide) Tube: 2 m 1/8ème ‘’ Inox Support: Diatomées P, W, G Granulométrie mesh ( µm) Pertes de charge faibles (1-2 bars) Taux d’imprégnation % Traitements: Tamisage, AW, TMCS

62 21 Les phases stationnaires
Les hydrocarbures ramifiés référence : Polarité nulle Les Polysiloxanes et polysiloxanes substitués: R = CH3, Phényl, Cyanopropyl… Polarité très faible (DB1, 100% de CH3) à très forte (CP Sil 88, 100% de cyanoéthyl) Référence en capillaire

63 Les polyéthylènes glycols (carbowax 20M, FFAP
Les polyéthylènes glycols (carbowax 20M, FFAP..) équivalence CP Wax, DB 20 Les Polyesters: Polarités intermédiaires et fortes (DEGS, EGA….) Les Adsorbants Tenax, Carbopack, Tamis moléculaires Classification selon la polarité Equivalence entre remplie et capillaire

64 22 Les indices de Kovat’s Série homologue: log10 Tr’ = an + b
Notion de droite de similitude: - Prédiction de la rétention - Approche d’identification Application à la série des n alcanes - Notion d’indice de rétention

65 23 Classification suivant la polarité
Constantes de Mac Reynolds – Rohrschneider 1 phase de référence : Squalane P = 0 5 solutés de référence: Benzène X’ n Butanol Y’ MeCOPr Z’ Nitropropane U’ Pyridine S’ Cste de Mac Reynods = Différence d’indice de rétention du soluté entre la phase et la référence Polarité = Somme des cstes de Mac Reynolds des cinq solutés (Existence de 3+2 autres solutés références)

66 Exemples Phase X’ Y’ Z’ U’ V’ 15 53 44 54 41 217 119 158 162 243 202
Somme Squalane SE 30 15 53 44 54 41 217 OV 17 119 158 162 243 202 884 FFAP 340 590 397 602 627 2546 OV 275 666 1001 895 1177 1099 4838

67 24 Choix raisonné des phases stationnaires
Classification des solutés en 5 catégories Liées à la polarité Classification des phases en 4 catégories Liées à la polarité Associations par catégories: - Apolaire – Apolaire Polaire – Polaire Moyennement polaire – Moyennement polaire

68 III°) Transposition Colonne Remplie / Colonne Capillaire
Phases Variées (mais + restreint) Longueur Perte de charge 2 m 1 bar / m m 1 bar / 50 m Diamètre 1/8 ‘’ 1/4 ‘’ 0.32 et 0.25 mm 0.53 et 0.1 mm

69 Classification Colonnes de Golay: COT et WCOT : Wall Coated Open Tubular - SCOT : Support Coated Open Tubular - PLOT : Porous Layer Open Tubular - Micropacked Columns Perméabilité k importante : Efficacité importante et vitesses linéaires importantes soit tr faibles B = VG/VL 2 à 10 x supérieur / remplie B= dc / 4ef et tr = t0 (1 + K / B)

70 Si B augmente : tr diminue ; possibilité de diminuer la température
Si B augmente : tr diminue ; possibilité de diminuer la température B élevé: Analyses rapides : substances lourdes B faible: Substances volatiles Epaisseur du film: De l’ordre du micron Tr augmente en f(Log e) e x 2 = Tr (-15°) Films minces et films épais

71 Films Minces:. 0,15 < e < 0,5 µm. Avantages:
Films Minces: 0,15 < e < 0,5 µm Avantages: Meilleures performances Réduction du temps d’analyse Possibilité d’analyse de composés ‘lourds’ Inconvénients: Charges + faibles : restreint la possibilité d’analyse de traces - Interactions avec la surface Films Epais: e > 1 µm Avantages: Analyses de traces Analyses de volatils Inconvénients Pb de Bleeding (e > 5µm) Diamètre: Wide Bore = Remplie Narrow bore: Analyses courtes : Couplage GC / MS

72 IV°) L’injection Colonne remplie: Injecteur à Septum Volume injecté: 0,5 à 1 µl Gaz : 100 µl à 500 µl Head-Space (Statique et dynamique) Colonne capillaires: Charges + faibles Utilisation de diviseurs Split / Splitless On column Injecteur de verre

73 V°) La détection 2 classes de détecteurs: I : Réponse proportionnelle à la concentration Catharomètre, E.C.D II : Réponse proportionnelle au débit massique: F.I.D , N.P.D Sélectivité : Universels / Spécifiques Quantité minimale détectable : variable de (1-10 ng) TCD à 0,1 pg ECD ( pg) FID

74 Catharomètre: Pont de Wheastone (I) Universel Gaz permanents
F.I.D: Combustion (II) Universel (sauf incombustibles) Notion de Make-up E.C.D Capture d’électrons (I) Spécifique: Dérivés Halogénés N.P.D Thermoionique (II) Spécifique: Dérivés N et P

75 VI°) La dérivatisation
Objectifs: Volatilisation des espèces Amélioration des analyses (trainées de pic) Amélioraion des résolutions Méthodes: Estérification : Diazométhane, BF3/CH3OH Silylation : TMCS / HMDS obtention d’éthers, d’esters silylés volatils: Pb H2O

76 Chapitre N°5 La chromatographie Liquide
L’adsorption Le Partage

77 Sommaire La chromatographie d’adsorption Théorie de Snyder Facteurs liés à la phase stationnaire, la phase mobile et le soluté Le Greffage La chromatographie en phase inverse La chaîne chromatographique

78 I°) Introduction Le dosage de l’aflatoxine B1 dans les aliments pour animaux (NF V ) Extraction Liquide / solide au CHCl3 Purification Colonne ouverte de gel de silice ( µm) conditionnée dans CHCl3 – Lavage à l’éther Désorption avec CHCl3 / CH3OH (97/ 3) Chromatographie Monodimensionnelle sur silice: Phase mobile: CHCl3 / Acétone (90/10) Ether / méthanol/ eau (96/3/1) Lecture visuelle / Fluorodensitométrique

79 II°) La chromatographie d’Adsorption
Supports solides polaires: Silice Caractère acide Alumine Caractère basique Utilisables en CCM, HPLC, colonne ouverte Principe: Formation de liaisons H entre le support et le soluté. (interactions)

80 Phases mobiles : peu polaires Applications analytiques:
Fonctionnalités Différentes Isomères Solutés peu et moyennement polaire Applications en extraction (purification) Fixation des espèces plus polaires Ordre d’élution: suivant l’ordre de polarité Faible coût – Pb de la phase mobile

81 21 Mécanismes d’adsorption
Adsorption / désorption en surface Equation de Snyder log k’ = log Va + B*(E° - As °) + log (Wa/Vm) k’ = facteur de capacité Phase stationnaire: Va, Wa et Vm , B* Phase mobile: B* , ° Soluté: As et E°

82 Facteurs liés à la phase stationnaire
Va, Wa et Vm Liés à la taille des particules et au remplissage Peu d’actions Influence la transposition Surface / volume B* Etat d’activité de l’adsorbant (0<B*<1) Séchage des plaques et conservation au dessicateur

83 Facteurs liés à la phase mobile
° et B* B* liée à la teneur en eau de la phase mobile Solvant isohydrique utilisation d’acide et de base pour réduire l’activité °: Force éluante Série éluotropique si ° Augmente, alors Rf augmente  (k’ diminue) Développement isocratique et en gradient de concentration. Utilisation de mélanges binaires et ternaires

84 Facteurs liés au soluté
As et E° As: surface spécifique : Pas d’action si ce n’est une dérivatisation Changement de la nature du soluté et des interactions E°: même remarque

85 III°) Le greffage Adsorption Contraintes Activité du support Isohydrie de la phase mobile Limites types de phase : Silice (alumine) échelle de polarité limitée problèmes de traînées de pics 1970 Le greffage

86 II°) Le Greffage Modification du support siliceux par greffage chimique d’espèces liquides: Si-OH Si-O-Si-R R = Alkyl (C18, C8, C3, C2) Phényl Amino alkyl Nitro alkyl Diols , Cyano…. Notion de chromatographie de partage Echelle de polarité inversée / Adsorption End-Capping

87 Soluté Polaire Eluant Non Exemples CH2Cl2 / Hexane 80/20 5/95
Moyennement Non Eluant Très Faiblement Fortement Exemples CH2Cl2 / Hexane 80/20 5/95 CH30H / H20 40 / 60 90 / 10 HPLC Partage Phase Normale NH2, CN, Partage Phase Inverse C18, Phényl

88 IV°) La Phase Inverse Application : Dosage de 6 PAH (µ polluants) en phase aqueuse NFT : Fluoranthène, Benzofluoranthène b et k; Benzopyrène a; (10 ppb) Benzopérylène, Indénopyrène (50 ppb) Extraction au cyclohexane - Concentration à 1ml sous vide Purification sur colonne d’alumine Concentration à sec et reprise dans 1ml de solvant: Phase stationnaire: RP 18, Lichrosorb C18 L = 250 mm Diam: ¼ ‘’ Phase mobile: CH3-CN / H2O (85/15 ; 90/10) Débit: 1ml mn-1 Injection 20 µl Fluorimétrie: Excitation 360 nm Emission > 420 nm

89 La phase stationnaire Apolaire Lipophile = Hydrophobe
Nature du greffon: CH3-(CH2)n-CH2- si n augmente: La rétention augmente Nombre de greffon: Plus le taux de greffage est élevé, plus la rétention est importante Généralisation à la surface hydrocarbonée Pratique: Entre 8 et 15 % de Carbone

90 La phase mobile Base: H20 + CH3OH ou H20 + CH3CN
Attention à la perte de charge (Darcy) Utilisation éventuelle de modificateurs: THF, Acétone, CHCl3… Attention à la détection Influence de la teneur en eau : La rétention augmente avec la teneur en eau Elution en mode isocratique : Composition de la phase mobile constante Elution en mode gradient de concentration

91 Le soluté Rétention Inverse à la polarité Plus le soluté est polaire, plus la rétention est faible. Liée à l’hydrophobie: Cste de partage dans le système octanol / eau P Rekker: log P = Somme fi + CM (somme kj) fi = Incréments CM = Cste = 0,268 kj = effets de proximité log k’ = a log P + b

92 IV°) La chaîne chromatographique
L’Injection Couramment : 20 µl (1 à 50 µl) Injection en boucle Etalonnage externe Vanne d’injection Six Voies Automatisation Passeurs automatiques

93 La détection - Généralités
Notion de dérive (1 heure) bruit à long terme (10 mn) bruit à court terme (1 mn) Sensibilité: Pente de la courbe: Réponse = f (Concentration initiale) Concentration minimale détectable: n fois le bruit à court terme Détection directe et différentielle

94 Les différents Détecteurs
Détecteurs Simples Ultra violet Fluorimétrie Réfractométrie Diffusion de lumière Electrochimique Conductimétrique Détecteurs semi Informatifs UV multi lambda Fluorimètre programmable Multi électrodes Détecteurs intelligents Spectométrie de Masse FT IR Barrette de diodes RMN

95 Dérivatisation pré et post colonne
Dérivatisation Pré Colonne Simplicité Modification des conditions chromatographiques Ex: Acides aminés (OPA) Réactions reproductibles Possibilité de réactions secondaires Dérivatisation Post Colonne Sélectif Multi détection Exemple:Vitamine C Matériel plus sophistiqué Modification du pic chromatographique

96 VI°) Les autres techniques HPLC
Phase stationnaire Phase mobile Solutés Paire d’ions C8, C18 CH3CN, CH3OH, H2O Espèces ionisables Echange d’ions Résines échangeuses Tampons aqueux Ions minéraux cations et anions Exclusion Polymères poreux THF, Tampons aqueux Polymères hydrophiles et organiques Chirale Chirale cyclodextrines, Pirkle Aqueuses et organiques Enantiomères

97 L’absorption Moléculaire UV-Visible Et L’absorption atomique
Chapitre N°6 L’absorption Moléculaire UV-Visible Et L’absorption atomique

98 L’absorption moléculaire
Sommaire Introduction Détermination de l’indice Phénol NF T Détermination de As NF T Détermination du Fer total et du Fe2+ NF T Détermination du Phosphore soluble NF X Le spectrophotomètre d’absorption moléculaire

99 Introduction Absorption Atomique: Concerne les électrons atomiques (absorption et émission) Absorption et Émission Moléculaire: Concerne les électrons des liaisons moléculaires, les électrons délocalisables (). Mêmes concepts: Dualité Onde / Énergie E = h  = h c /  Spectre de la lumière Domaine UV: nm Domaine Visible: 350 – 800 nm

100 : Coefficient d’extinction molaire
Complémentarité Absorption / Couleur Triangle des couleurs Utilisation des propriétés d’absorptions pour une quantification Nombreuses applications : Cations , Anions, Molécules Organiques Sélectivité plus ou moins importante Loi de Beer-Lambert: log10 I0/It = .l.C : Coefficient d’extinction molaire . Quantification par étalonnage externe

101 Détermination de l’indice phénol Eaux NF T 90-109
Principe Distillation des phénols en milieu acide (H3PO4) en présence de CuSO4(action bactérienne) (Entraînement à la vapeur) Enregistrement du spectre UV à et 270 nm ( # 6000 et 1500) cuve quartz 1cm Comparaison à un étalonnage externe Applications: 0,025 – 0,5 mg/l

102 Dosage de l’arsenic Corps gras NF T 20-054
Principe Réduction de l’arsenic sous forme d’arsine AsH3 par Zn en milieu HCl Absorption de l’arsine par le diéthyldithiocarbamate d’argent: Ag(DDTC) AsH3 + 6 Ag(DDTC)…. 6 Ag + 3H(DDTC) + As(DDTC)3 Formation d’Argent colloïdal dispersé: Rouge – Violet Mesure de la DO à 540 nm cuve 1cm Comparaison à un étalonnage externe Application: masses de 1 à 20 µg d’Arsenic

103 Dosage du fer Eaux NF T 90-017 Fet = Fe dissous + Fe suspension
Formation d’un complexe coloré entre Fe2+ et l’ortho phénanthroline (1-10) Rouge –Orangé (510nm) Fer total: Oxydation par le peroxodisulfate Fe3+ Réduction par le chlorydrate d’hydroxylamine pH # 4,5 Fe2+ Complexation (15mn à l’obscurité) Fer dissous: Réduction du Fe3+ dissous Complexation Fe2+ dissous Complexation directe Applications 10 µg/l – 10mg/l

104 Le phosphore soluble Sols NF X 31-161
Principe: Méthode de Joret-Hébert Extraction du phosphore soluble (sous toutes ses formes) par l’oxalate d’ammonium (pH = 7) Complexation du phosphore sous forme de complexe phosphomolybdique réduit avec le réactif sulfomolybdique (heptamolybdate d’ammonium, Acide ascorbique, thiosulfate de sodium, formol) Développement chaud (100°C, 5mn) d’une coloration violette Mesure de la DO à 825 nm Domaine d’application: 1 – 10 mg/l de P sols: Expression du résultat en P2O5

105 Le spectrophotomètre Source Monochromateur Fentes (Slit) Cuve
Photomultiplicateur Amplificateur Calculateur

106 Sources et rayonnement incident
Lampes à décharge (lumière blanche) Multi longueurs d’onde Deutérium (Domaine UV) - Vapeur de mercure (Domaine visible) Simple et double faisceaux Sélecteur: Monochromateur Fente (Slit): Permet de réguler l’énergie du rayon incident

107 Cuves Cuves: Plastique (jetables)Attention aux solvants organiques - Verre (domaine du visible) - Quartz (domaine UV) A remplissage et à circulation (Cinétique – Passeurs automatiques) Trajets optiques: 0,1 à 5 cm fonction de la concentration et du coefficient d’extinction molaire  Zéro optique: Sur Blanc (0 d’absorbance)

108 Rayonnement transmis Photomultiplicateur : Comptage des photons transmis: Travail en Absorbance (A) ou en Transmitance (T) Amplificateur Calculateur: Io, It, A (T), log10(A), C Restitution du spectre, des concentrations… Gamme de linéarité de Beer-Lambert (Étalonnage externe)

109 L’absorption atomique
Sommaire Introduction Principe de l’absorption et de l’émission Schéma général d’un spectromètre d’AA Les différentes parties du spectromètre La quantification Applications Analyse de traces

110 Introduction Analyse de cations minéraux
Actuellement: Environ 60 éléments du tableau de Mendeleiev Nombreuses applications: Métallurgie, Géologie, Environnement, Agriculture, Agro alimentaire… Impératif: Mise en solution de l’échantillon Eaux NF T Flamme Eaux NF T Four Eaux NF T Flamme Froide Sols NF X Flamme

111 Principe Atome = Noyau + électrons
Électrons: Gravitent autour du noyau (Champs électrostatique): Notion d’orbitales: Niveaux d’énergie quantifiés État fondamental + Énergie électromagnétique: État excité (Passage de l’e- d’un niveau fondamental à un niveau supérieur) : Instable : Retour à l’état fondamental Restitution calorifique: Absorption atomique Restitution lumineuse: Émission atomique

112 E = f (h, c et longueur d’onde)
Notion de transitions spectrales Spectres de raies spécifiques à chaque élément Possibilité de dosage spécifique par éléments (Interférences) Équation de Boltzman: Ne = Cste x N0e-(E/kT) Emission: Ne élevé Absorption: N0 élevé Loi # Beer-Lambert A = I0/It Log10 A = K.l.C K = Coef. d’absorption monochromatique

113 Schéma général d’un spectromètre d’Absorption Atomique (Emission)
Une source de photons: Source d’émission Une source d’atomes: Source d’atomisation Un monochromateur: Sélecteur de radiations Un détecteur: Photomultiplicateur amplificateur

114 Source de photons Tube à décharge à cathode creuse
Cathode : Élément à doser (sel) Anode: Lame de Zirconium Tube ‘rempli’ de gaz inerte (Ne, Ar) Décharge : Tension volts Intensité = qqes mA (suivant élément) Obtention du spectre d’émission de l’élément à doser Lampes mono élément et multi éléments

115 Générateurs d’atomes Fonction de la nature des éléments à doser
Flamme: Cas général Atomisation thermique: Détection plus basse Flamme froide et générateurs d’hydrures: spécifique à certains éléments (Hg,As..) Torche à plasma

116 Atomisation en flamme Objectif: Transformer des espèces de la forme ionique à la forme atomique Analyse d’échantillons liquides exempts de particules solides. Capillaire: Transfert de l’échantillon vers la chambre de nébulisation Nébuliseur: Formation d’un brouillard dans le comburant: Fines gouttelettes Brûleur: Transformation des espèces à l’état atomique

117 Principales Flammes Combustible Hydrogène Comburant Argon Température
1000 K Propane Butane Air Oxygène 2200 K 3200 K Acétylène Protoxyde d’azote 2500 K 3400 K

118 Autres Générateurs d’atomes
Atomisation électrothermique: Four - Séchage (# 100°C) - Décomposition thermique (100 à1800°C) - Atomisation ( °C) - Nettoyage Four (2800°C) Générateur de mercure HgCl2 + SnCl2….Hg° + SnCl4 Générateurs d’hydrures As, Sb… Formations d’hydrures (AsH3) + Flamme froide (1000°C)

119 Sélecteur de radiations et PM
Monochromateur: Sélection d’une longueur d’onde Bande passante: 0,05 à 0,1 nm si spectre complexe sinon 0,5 à 2 nm Photomultiplicateur: Permet de compter les photons transmis Amplificateur + calculateur

120 La quantification Étalonnage externe (ajouts dosés)
Flamme: Mesure en continu à flux constant…..Permet de minimiser les fluctuations de la flamme Pb des interférences (chimiques, spectrales…) Utilisation de modificateurs LaCl3, HNO3.. Réalisation de dilutions Sensibilités: Flamme # ppm Four # ppb

121 Exemples d’Applications
Sols, Sédiments NF X - Calcination à 450°C - Solubilisation (HF,HCLO4) - Evaporation et mise à sec - Reprise eau régal(HCl/HNO3) Dosage par absorption atomique (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn)

122 Eaux : Dosage du Hg par SAA sans flamme NF T 90-113
Minéralisation de l’échantillon par KMnO4 et K2S2O8 à 95°C Réduction par SnCl2 Obtention de Hg° Entraînement sous argon Mesure à 253,7 nm Cuve à fenêtre Limite de dosage 0,5 µg/l

123 Eaux: Dosage de dix éléments métalliques (directe et indirecte)
NF T (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Cd et Pb) Flammes air / acétylène Oxydantes Fe, Ni, Cu, Mn - Réductrices Cr Normales Co, Zn, Ar, Cd et Pb Ex du plomb: 283,3 nm et/ou 217 nm Dosage direct

124 Elément Longueur d’onde Détection (ppm) Cr 357,9 0,1-10 Mn 279,5 0,05 - 4 Fe 248,3 0,1 - 10 Co 240,7 Ni 232 Cu 324,7 0,05 - 6 Zn 213,8 0,05 - 2 Ag 328,1 Cd 228,8 Pb 217 0,2 - 10

125 Dosage indirect Complexation(APDC) et extraction du complexe par la MIBC Dosage dans le phase organique Cr 1-200 ppb Mn Fe Co Ni Cu 1 -200ppb Zn 0,5 - 50ppb Ag 0,5 - 25ppb Cd Pb ppb