Chapitre II : Etat de l’art
8- Chromatographie liquide automatisée couplée en ligne à l’ICP-MS
8.1- Chromatographie liquide automatisée
L’automatisation de l’étape de la séparation chimique peut être totale, entièrement pilotée par ordinateur, ou partielle. Qu’elle soit totale ou partielle, la séparation automatisée a plusieurs avantages. Elle permet de contrôler efficacement les concentrations et les volumes des solutions, de gagner en efficacité, en temps, en sécurité et en simplicité puisque les manipulations de l’échantillon sont minimisées (Perna et al., 2001).
L’automatisation des analyses employant des étapes de purification et de séparation d’éléments entre eux a débuté dans les années 50 avec l’analyse à flux segmenté
(segmented flow analysis) (Fajardo et al., 2010).
La séparation par chromatographie liquide automatisée des éléments radioactifs en vue de les mesurer a, quant à elle, débuté dans les années 90 avec le développement des résines d’extraction par Horwitz et al. En effet, grâce à leur sélectivité et aux volumes réduits de déchets qu’il génère, l’emploi de ces résines paraissait être le plus adapté à l’automatisation de la séparation d’éléments radioactifs.
Les protocoles de séparation automatisée employant plusieurs colonnes contenant différentes résines sont plus rares. Larivière et al. ont par exemple développé un protocole pour la séparation de U, Pu et Am contenus dans des filtres d’aérosols. Ce protocole emploie 3 colonnes différentes et la séparation est totalement automatisée (Larivière et al., 2010).
La séparation automatisée offre également la possibilité de pouvoir la connecter à la mesure (Fajardo et al., 2010). Ce couplage peut-être en ligne, avec l’ICP-MS par exemple, ou hors ligne avec des techniques de mesure nucléaires.
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8.2- Couplage avec l’ICP-MS
Le couplage en ligne de la chromatographie liquide à l’ICP-MS consiste en la connexion directe de l’étape de séparation et/ou de purification automatisée au spectromètre de masse. Le couplage a été utilisé pour la quantification de différents radionucléides comme U, Th, Pu, Am, Np et a conduit à d’excellentes performances, même avec des matrices de l’environnement chargées (Solatie et al., 2000 ; Kim et al., 2004 ; Hang et al., 2004a). Par exemple, Qiao et al. ont mis en place un protocole permettant de mesurer Np et Pu dans 20 g d’échantillon d’algues et 10 g d’échantillon de sol par un couplage en ligne (Qiao et al., 2010b).
Les méthodes publiées, bien qu’ayant le même but, diffèrent par le dispositif mis en place pour la séparation chromatographique. En effet, les dispositifs les plus employés pour l’étape de séparation/purification chimique sont la HPLC et la chromatographie ionique. En revanche, certains protocoles de couplage en ligne emploient un système de vannes d’injection pilotées par un logiciel « maison ».
Le couplage de l’étape de séparation avec celle de la mesure permet de supprimer les étapes de manipulation de l’échantillon entre la séparation et la mesure. Le couplage en ligne permet donc de gagner du temps et de la main d’œuvre ainsi que d’augmenter la sécurité des opérateurs. La difficulté majeure du couplage est que les milieux d’élution de la séparation par chromatographie liquide doivent être compatibles avec ceux de la mesure. Dans le cas du couplage avec un ICP-MS, les milieux d’élution ne doivent pas dépasser, d’une part, des concentrations massiques de 10 % en acide pour ne pas corroder le système d’introduction. Cette limite correspond à des concentrations inférieures à 1,5 M en HNO3 et à 1 M en HCl. D’autre part, la concentration massique en sel ne doit pas dépasser 0,2 %, pour éviter les dépôts dans le système d’introduction. Les milieux d’élution sont en revanche imposés par les résines chromatographiques qui n’ont pas été développées pour ce type d’application, l’adaptation de ces milieux peut être très complexe.
Reboul et al. ont réussi à séparer et mesurer Th, U, Np, Pu, Am et Cm en moins de 30 min en utilisant un dispositif de chromatographie liquide automatisé. Ce dispositif chromatographie comprenait une colonne de garde et une colonne de séparation et était couplé en ligne à un ICP-MS. Néanmoins, une utilisation répétée de cette méthode risque de boucher le système d’introduction et de générer des interférences. En effet, les concentrations en sel des solutions sont élevées (Reboul et al., 2002). De la même manière, certaines méthodes proposées pour la
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séparation automatisée des actinides couplée à l’ICP-MS emploient des milieux d’élution trop acides, jusqu’à HCl 2 M. Ces méthodes sont rapides avec d’excellentes performances, mais les milieux d’élution risquent de corroder le système d’introduction de l’ICP-MS à terme (Perna et al., 2001 ; Egorov et al., 2001).
Le couplage a permis, par exemple, à Perna et al. de mettre en place une méthode pour séparer et mesurer Pu, Np, U, Am et Cm en 27 min. U est néanmoins élué avec HCl 2 M, milieu trop acide pour une utilisation répétée, selon les recommandations du fournisseur de l’ICP-MS (Perna et al., 2002).
De plus, Epov et al. ont mis en place différents protocoles de séparation de Pu dans de l’urine et dans des échantillons de l’environnement (Epov et al., 2005a ; 2007). Ces méthodes emploient une séparation automatisée avec des résines d’extraction couplée en ligne à un ICP-MS. L’une de ces méthodes utilise un ICP-MS équipé d’un système d’introduction de désolvatation, Apex, et d’une chambre de collision ce qui permet de minimiser les interférences isobariques, notamment celle de 1H238U avec 239Pu. (Epov et al., 2005a ; 2005b). La littérature traitant de la séparation automatisée de 90Sr de la matrice et sa mesure en ligne par ICP-MS est plus rare. La mesure en ligne de 90Sr permet de diminuer la limite de détection très élevée lors de sa mesure par ICP-MS. Samaka et al. ont développé un protocole de couplage en ligne entre une chromatographie automatisée et un ICP-MS, équipé d’une chambre de collision, pour la séparation et la mesure de 90Sr. Ce protocole a permis de mettre en évidence les avantages d’associer la cellule de collision au couplage en ligne pour la mesure de 90Sr (Sakama et al., 2013).
Par ailleurs, aucune publication traitant de la séparation automatisée et couplée à l’ICP-MS pour la quantification des actinides et de 90Sr n’a été trouvée.
Dans ce chapitre, la nécessité de mettre en place un protocole rapide dans le cadre de la quantification des radionucléides émetteurs alpha et bêta dans des échantillons de l’environnement a été soulignée. Une liste de ces radionucléides a été dressée. Par ailleurs, des contraintes imposées en termes de performances et de durée d’analyse ont permis de définir les radionucléides étudiés pendant la thèse. Ces radionucléides incluent certains actinides (Th, Np, U, Pu, Am et Cm) et le radiostrontium.
Différentes techniques de mesure, de traitement chimique et de séparation compatibles avec ces radio-isotopes et avec les objectifs fixés ont été étudiées. Les avantages et les inconvénients de ces techniques permettront de définir la stratégie qui répondra aux mieux aux contraintes de performances et de temps.
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