Extraction en Phase Solide

Pour les échantillons aqueux, l’extraction liquide-liquide a été progressivement remplacée par l’extraction en phase solide (SPE) qui nécessite de moins grandes quantités de solvant organique. L’extraction de l’analyte d’intérêt est réalisée par une petite quantité (typiquement 100-500 mg) de phase stationnaire solide contenue dans une cartouche support. La nature du l’absorbant dans les cartouches est variable. Il en existe des polymériques avec une partie hydrophile et une partie lipophile pour la rétention d’une large gamme de composés (p.ex., Thermo HyperSep Retain PEP, Oasis HLB, Phenomenex Strata X), d’autres encore sont conçus pour l’exchange de cations ou d’anions (p.ex., Oasis

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WAX, Strata X-AW, Strata X-CW, HyperSep Retain-CX). Ce type d’extraction présente comme avantage de réduire la quantité de solvant utilisée par rapport à la LLE, et peut également contribuer à réduire les interférents présents dans la matrice.

La SPE se déroule généralement en cinq étapes: conditionnement, charge de l’échantillon sur la phase stationnaire, lavage, séchage et élution (Figure 2.1). Lors de la première étape, le conditionnement est réalisé en deux temps : i) rinçage des cartouches avec le solvant qui sera utilisé pour éluer les pesticides ciblés (p.ex., méthanol, acétonitrile, dichlorométhane, acétone, etc.) (Dujakovic et al. 2010; Hao et al. 2015; Hladik et al. 2012) et ii) conditionnement des cartouches avec un solvant qui dépend du milieu de l’échantillon à charger; il est possible de rincer avec de l’eau ultra-pure, de l’eau à pH modifié ou encore avec des tampons. Par la suite, l’étape de chargement de l’échantillon aqueux (typiquement 100-1000 mL) doit être réalisée à un débit adéquat pour garantir une bonne interaction des pesticides ciblés avec la phase stationnaire; une charge trop lente ou trop rapide peut induire des pertes d’analyte. L’étape de lavage après le chargement est optionnelle mais peut s’avérer décisive afin de réduire la charge en sels (p.ex., échantillons d’eau salée) ou en matière organique et autres interférents (p.ex., effluents de station de traitement des eaux usées). De l’eau ultra-pure ou des mélanges eau - solvant organique peuvent être utilisés pour cette étape, en éluant sélectivement les interférents sans affecter les composés d’intérêt. Une autre étape optionnelle est le séchage, normalement utilisé pour enlever l’eau résiduelle dans l’adsorbant et ainsi faciliter les étapes postérieures d’élution et d’évaporation.

Après l’étape de séchage, l’étape critique est l’élution dont le but est de décrocher les pesticides de l’adsorbant avec une efficacité maximale. Idéalement, l’élution devrait sélectivement décrocher les pesticides d’intérêt tout en évitant d’éluer les interférents matriciels restants mais ce n’est pas toujours le cas. Cette étape est réalisée avec le même solvant utilisé pour le conditionnement, le méthanol ou l’acétonitrile étant les plus souvent utilisés (Dujakovic et al. 2010; Hladik et al. 2012; Hao et al. 2015; Seccia et al. 2005) en raison de leur pouvoir éluant et du compromis analytes/interférents.

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Figure 2.1 Représentation générale des étapes à suivre lors de la SPE, (a) Conditionnement par le choix de solvants, (b) charge de l’échantillon, (c) lavage avec un solvant faible pour éliminer les interférents, suivi par une étape optionnelle de séchage pour enlever les traces d’eau si nécessaire et (d) élution de l’analyte d’intérêt via l’interaction avec un solvant organique adapté.

Ce type d’extraction peut également être appliqué en mode « en-ligne » (on-line SPE, en anglais) en suivant les étapes auparavant présentées mais directement couplées au système instrumental LC-MS. L’extraction, la séparation analytique et la détection sont ainsi réalisées dans une même séquence ce qui réduit l’intervention de l’opérateur et le temps total d’analyse.

En mode d’analyse SPE en ligne, une pompe sert dans un premier temps à conditionner la colonne de charge (SPE) tandis qu’en parallèle la pompe analytique conditionne la colonne de séparation chromatographique. Une fois la colonne conditionnée, un volume d’échantillon est chargé sur la colonne SPE au débit préalablement optimisé (Figure 2.2A). Après une éventuelle phase de lavage additionnelle (avec un objectif similaire à la SPE hors ligne), dans un deuxième temps, la valve bascule pour laisser passer la phase mobile analytique à travers la colonne SPE (dans le sens contraire de la charge précédente) et ainsi éluer les analytes. Après élution de la colonne SPE, les analytes sont séparés sur la colonne chromatographique (Figure 2.2B) et détectés par spectrométrie de masse après leur ionisation.

Les méthodes en-ligne ont été appliquées avec succès pour divers contaminants organiques comme les hormones et les herbicides (Garcia-Ac et al. 2009; Fayad et al. 2013). Divers

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paramètres doivent être optimisés afin de réduire le temps total d’analyse y compris l’extraction SPE et l’analyse LC-MS en tant que telle. Les facteurs critiques incluent notamment le volume de charge sur la colonne SPE et le débit (vitesse) de charge, lesquels peuvent affecter le taux de récupération et la sensibilité de la méthode (Tableau 2.3). L’optimisation d’une méthode et de ses paramètres critiques peut être réalisée séquentiellement, une variable à la fois. Il existe plusieurs désavantages à cette approche, tels que l’augmentation du nombre total d’expériences selon le nombre des variables et selon les niveaux testés pour chacune d’entre elles. Autre inconvénient, optimiser la méthode un facteur à la fois n’est pas toujours pertinent car certains facteurs peuvent présenter des interactions (Miller and Miller, 2010).

Dans le cas de la SPE par exemple, des variables critiques comme le volume de charge et la vitesse de charge peuvent présenter des interactions, et l’effet de cette interaction peut différer selon l’analyte considéré ce qui complique l’optimisation dans le cadre d’une méthode multirésidus. Deux options sont possibles: 1) une optimisation « une variable à la fois » (Rodrigues et al. 2016) et 2) une optimisation via un plan d’expérience factoriel complet ou fractionnaire (Zhang et al. 2017). Un plan d’expérience présente l’avantage de minimiser le nombre total d’expériences tout en considérant les interactions potentielles entre facteurs étudiés. Divers types de plan d’expériences fractionnaires peuvent être appliqués, incluant les approches de type Plackett Burman, Taguchi ou encore Box- Behnken. Après la réalisation du plan d’expérience, qui consiste à faire varier les valeurs des facteurs f1,f2,f3… à optimiser selon un nombre n de combinaisons, le choix de la combinaison optimale peut être réalisé selon un critère de choix d (par exemple, aire du pic chromatographique) ou, dans des approches multicritères, selon plusieurs critères de choix d1,d2,d3… (par exemple, aire du pic chromatographique, précision de la mesure, forme du pic chromatographique, etc.). Il est possible d’utiliser la fonction de désirabilité de Derringer (Eq. 1) (D’Hondt et al. 2014), par laquelle on peut d’ailleurs assigner un facteur d’importance à chaque critère di, afin de guider le choix de la meilleure combinaison parmi celles testées. Pour chaque combinaison testée, la désirabilité globale est calculée, la combinaison/méthode optimale étant celle présentant la valeur maximale de D.

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Tableau 2.3. Exemples de méthodes dans la littérature avec les principaux paramètres qui peuvent affecter la sensibilité et le taux de

récupération lors d’une extraction par SPE en-ligne. Analyse de différentes pesticides et contaminants organiques dans une matrice d’eau (e.g. eau de surface, eau potable, eau souterraine et eau de mer).

Auteur Analytes Matrice Colonne SPE Volume de _charge Débit de _{charge Récupération} % LOD [ng L-1_]

Cotton et al. 2016 Divers pesticides Eau de surface HLB, Waters 5 mL 0.5 mL/min - <5 Garcia-Ac. et al. 2009 Divers pesticides Eau potable Strata X, Phenomenex 10 mL 1.5mL/min 60-109 <18

Poiger et al. 2017 Glyphosate Eau de surface

Two stacked Gemini- NX C18 cartouches,

Phenomenex 1 mL 1mL/min 91-103 5 Rodriguez-Gonzalez

et al. 2015 Atrazine Eau de mer HLB, Waters 5 mL 1mL/min 80.3-99.8 7-180 Huntscha et al. 2012 Divers pesticides Eau de surface, _souterraine

10 mg HLB + 10 mg Strata X- AW/Strata X- CW/Isolute ENV+ (1/1/1.5, m/m) 20 mL 2mL/min 80-120 < 3

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Figure 2.2. SPE en ligne - Configuration du système UHPLC-MS / MS. A) Étape de chargement réalisée par la pompe SPE; B) Étape d'élution effectuée par la pompe LC-MS.

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