Chapitre II. Systèmes étudiés et outils expérimentaux
2. Méthodes de dosage et de caractérisation
2.1.1. Analyse des composés organiques par spectrophotométrie UV/Visible
La spectrophotométrie UV/Visible est basée sur l’interaction des radiations lumineuses et de la matière dans le domaine du proche ultraviolet (UV) au très proche infrarouge (IR), soit entre 180 et 1100 nm.
Cette partie du spectre apporte peu d’informations structurelles, mais a beaucoup d’importance en analyse quantitative. Les calculs d’absorbance des composés dans le proche UV et le visible par application de la loi de Beer-Lambert constituent la base de la méthode connue sous le terme général de colorimétrie pour tout spectre enregistré dans le visible.
a. La spectrophotométrie UV/Visible
Un spectrophotomètre est constitué de la réunion de trois parties distinctes : la source, le système dispersif et le détecteur. L’échantillon est intercalé sur le trajet optique avant ou après le système dispersif (Figure II-2).
Figure II-2. Schéma d’un spectrophotomètre
Source lumineuse : elle est constituée par une lampe à décharge au deutérium utilisée dans le
domaine de longueurs d’onde inférieures à 350 nm et, pour la partie visible de spectre, par une lampe à filament de tungstène.
Monochromateur : l'élément de base est un prisme, un réseau ou un filtre coloré. Le rôle du
monochromateur est d'isoler le rayonnement sur lequel on fait la mesure. Il est composé principalement d'un système dispersif, d'une fente d'entrée et d'une fente de sortie.
Cuve : elle contient soit l'échantillon soit la référence. Elle doit être transparente aux radiations
étudiées. Dans le domaine de l’UV, les cuves sont en quartz, elles ne peuvent être ni en verre ni en plastique.
Détecteur : il est composé par une photodiode (semi-conducteur), une barrette de diodes ou un
photomultiplicateur.
Le domaine spectral de l’UV/Visible est largement exploité en analyse quantitative. Les mesures reposent sur la loi de Beer-Lambert qui relie, moyennant certaines conditions, l’absorption de la lumière par un composé à sa concentration.
Loi de Beer-Lambert
∑
= ⋅ ⋅ = = n i i i C l I I Log A 1 , 0 λ ε [II-1]où A désigne l’absorbance (-) ;
I0 - l’intensité du rayon incident (cd) ; I - l’intensité du rayon transmis (cd) ; l - l’épaisseur de la solution traversée (cm) ;
Ci - la concentration molaire du composé i (mol.L-1) ;
ελ - le coefficient d’extinction molaire à la longueur d’onde à laquelle on fait la mesure (L.mol-1⋅cm-1) ;
λ - la longueur d’onde du rayon lumineux traversant la solution (nm).
La longueur d’onde de travail est choisie suite à un balayage spectral de l’échantillon : cette longueur d’onde correspond à un maximum d’absorbance. Le coefficient ελ est un coefficient intrinsèque du composé et dépend de la longueur d’onde, de la température et du solvant. La loi de Beer-Lambert est une loi additive qui s’applique aux différentes molécules présentes en solution ou pour une même molécule aux différentes formes qu’elle peut prendre.
La mesure d’absorbance
La lumière arrivant sur un échantillon peut être transmise, réfractée, réfléchie, diffusée ou absorbée. La loi de Beer-Lambert, qui ne concerne que la fraction absorbée, n’est vérifiée que dans les conditions suivantes :
9 la lumière utilisée doit être monochromatique ; 9 les concentrations doivent être faibles ;
9 la solution ne doit être ni fluorescente ni hétérogène ;
9 le soluté ne doit pas donner lieu à des transformations photochimiques.
Expérimentalement, on commence par établir une droite d’étalonnage A = f(C) (Figure II-3) à partir de solutions de concentrations connues du composé à doser.
Chapitre II. Systèmes étudiés et outils expérimentaux Absorbance A Concentration 0 A Cx Absorbance A Concentration 0 A Cx
Figure II-3. Droite d’étalonnage en spectrophotométrie UV/Visible
Le domaine de linéarité est généralement compris entre A = 0 et A = 1,5. Une valeur maximale de 1,5 correspond à une intensité lumineuse transmise de 3%. A partir de cette valeur nous avons considéré que le détecteur reçoit une intensité lumineuse trop faible et perd ainsi en sensibilité. Ce choix sera par la suite vérifié de façon à obtenir des coefficients de corrélation R2 = 0,99 au minimum. Au cours de l’analyse des solutions, si l’absorbance mesurée
se trouve hors du domaine de linéarité défini, les solutions seront diluées.
La loi de Beer-Lambert étant additive, la spectrométrie UV ne sera utilisée que pour l’analyse de solutions contenant un seul composant. Dans les autres cas on choisira la chromatographie en phase liquide à haute performance.
b. Méthode expérimentale de dosage
Le spectrophotomètre utilisé dans notre étude, de marque Spectronic Genesys 2, permet de mesurer directement les absorbances en fonction de la longueur d’onde. Ces absorbances varient entre 0 et 4. La cuve utilisée est une cuve en quartz puisque l’analyse est effectuée dans le domaine de l’UV.
Pour les composés modèles utilisés (phénol et 4AHB), les maxima d’absorption pour les deux
composés sont obtenus à une longueur d’onde λmax = 270 nm. La valeur maximale
d’absorbance mesurée que nous nous sommes fixés est 1,5. Le domaine de linéarité pour l’absorbance varie entre 0 et 1,2 pour le phénol et entre 0 et 1,5 pour le 4AHB. Pour une absorbance égale à 1, la concentration du phénol est égale à 1,38 mol.m-3 et pour le
4AHB elle vaut 0,17 mol.m-3.En fonction du pH, le 4AHB peut prendre plusieurs formes :
HO-Ar-COOH, HO-Ar-COO- et -O-Ar-COO- . Dans le cas du 4AHB, nous avons choisi
d’effectuer la courbe d’étalonnage et les analyses en milieu tampon à pH = 10, de façon à s’assurer de la linéarité de la réponse et pour travailler toujours dans les mêmes conditions de mesure.
Les solutions de phénol ou de 4AHB sont analysées à l'aide du spectrophotomètre (270 nm) dans des cuves de quartz (cuves 282/QS). Dans la gamme des concentrations étudiées (5…100 mol.m-3 pour le phénol et 3,7…30,4 mol.m-3 pour le 4AHB) les échantillons doivent
être dilués entre 50 et 200 fois pour ne pas dépasser le maximum d’absorbance accepté pour ces composés.
En tenant compte de la droite d’étalonnage (annexe n°6) et de la dilution, nous calculons la concentration réelle du prélèvement.
Etalonnage des solutions
Pour tous les produits étudiés (4AHB ou phénol), nous avons utilisé la même méthode qui consiste à préparer d’abord une solution mère de concentration donnée. A partir de cette solution mère, nous préparons par dilutions successives une série de solutions de concentrations bien déterminées. Nous avons cherché, lors de l’établissement des droites d’étalonnage, à avoir A < 1. Ainsi, nous nous assurons que la concentration des échantillons analysés reste suffisamment faible pour appliquer correctement la loi de Beer-Lambert.
Ces solutions sont analysées à l'aide du spectrophotomètre UV. Nous établissonsalors la droite d’étalonnage représentant l’absorbance à une longueur d’onde donnée (λ = 270 nm ici) en fonction de la concentration, C, en mol.m-3.