Méthodes de séparation (méthodes chromatographiques)

La chromatographie est une méthode physico – chimique d’analyse ; elle est très utilisée pour séparer, identifier et quantifier les composantes présentes dans des matrices complexes, liquides solides ou gazeux (souvent des mélanges) qui sont normalement beaucoup trop complexes pour être séparés par d’autres méthodes analytiques.

Les méthodes chromatographiques sont basées sur la séparation d’un ou de plusieurs constituants d’un mélange ; ces constituants appelés analytes sont transporté et séparé à travers une phase dite stationnaire par un fluide (un liquide ou gaz) que l’on appelle phase mobile, et la séparation a lieu par les différentes vitesses de migration dues aux différents rapports entre les deux phases des différentes analytes.

On peut classer les méthodes chromatographiques selon la nature de la phase mobile. En deux catégories :

1.2.4.2.1. La chromatographie en phase gazeuse (GC)

La chromatographie en phase gazeuse (gaz chromatography) est un type courant de chromatographie utilisé en chimie analytique pour séparer et analyser les composés qui peuvent être vaporisés sans décomposition. Dans cette technique la solution d’échantillon injectée dans l’instrument pénètre dans un flux gazeux qui transporte l’échantillon dans un tube de séparation connue sous le nom de "colonne." (L’hélium ou l’azote est utilisé comme le gaz porteur) Les différents composants sont séparés à l’intérieur de la colonne. Le détecteur mesure la quantité de composants qui sortent de la colonne. Pour mesurer un échantillon dont la concentration est inconnue, un échantillon étalon dont la concentration est connue est injecté dans l’instrument. On compare le temps de rétention maximale de l’échantillon

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standard (temps d’apparition du pic) et la surface du pic de l’échantillon d’essai pour calculer la concentration.

1.2.4.2.2. La chromatographie liquide à haute performance (HPLC)

La chromatographie liquide à haute performance est essentiellement une forme très améliorée de chromatographie liquide sur colonne. Au lieu de laisser couler un solvant dans une colonne sous l’effet de la gravité, on le fait passer sous des pressions élevées pouvant atteindre 400 atmosphères. Ça le rend plus rapide. L’HPLC utilise différents types de phase stationnaire (généralement des chaînes de carbone saturé hydrophobes), une pompe qui déplace la ou les phases mobiles et l'analyte injectée entête de la colonne, et un détecteur qui fournit un temps de rétention caractéristique pour l’analyte.

Le choix des détecteurs appropriés, associé aux différents types de colonnes et de substrats, a élargi les possibilités des analyses environnementales. Le soin apporté aux protocoles d’échantillonnage et au traitement des échantillons a régulièrement amélioré la sensibilité de ces mesures.

Les micro-extractions (liquide-liquide et / ou liquide-solide) et les extractions en phase solide ont élargi les possibilités de telles études pour permettre au chimiste d'effectuer des analyses rapides dans l'environnement, de surveillance sur le terrain, concentrer de faibles concentrations d'analytes et déterminer la solubilité des substances toxiques. [2]

Dans différents types d'eau, la teneur en composés organiques non polaires, détectables par chromatographie en phase gazeuse, ne dépasse pas 20-30% du carbone organique total, les 70 % à 80 % restants représentent principalement des composés polaires, qui peuvent être analysés par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC).

Pour analyser les substances organiques polaires la chromatographie en phase liquide, en particulier la chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC), représente une méthode appropriée en plus de la chromatographie en couche mince. Les difficultés qui empêchaient auparavant une application plus large de l’HPLC dans l’analyse de l’eau résultaient principalement des limites de détection inférieures de la HPLC en comparaison avec la GC - MS, car une partie des substances à déterminer sont souvent présentes à des concentrations bien inférieures aux microgrammes par litre dans l’eau. Cependant, en utilisant des procédures de concentration appropriées, des échantillons d'eau peuvent être préparés et analysés par HPLC. En plus des problèmes liés à la sensibilité et la spécificité de la détection lors de l’utilisation de l’ HPLC, certaines difficultés peuvent également surgir des procédures de séparation lorsqu'il est nécessaire de déterminer des composés individuels.

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1.2.4.3.

Méthodes électro-analytiques

Elles sont basées sur l’application d’un signal électrique et/ou l’enregistrement d’une propriété électrique. Les analyses électrochimiques peuvent être classées en trois classes principales :

1.2.4.3.1. Techniques statiques potentiométriques (I=0)

Une méthode d’analyse classique, la potentiomètrie, c’est la méthode d’analyse électrochimique la plus utilisée. Dans cette méthode le potentiel d'une cellule électrochimique est mesuré entre deux électrodes, alors que peu, ou pas de courant passe dans l'échantillon (zéro courant).Le développement rapide de nouvelles électrodes sélectives et des composants électroniques plus stables et sensibles au cours de la dernière décennie a considérablement élargi la gamme des applications analytiques des mesures potentiométrique. On peut désigner deux aspects majeurs de l’analyse potentiométrique :

a- Titrage potentiométrique

Basée sur la loi de Nernst l’analyse potentiométrique directe qui est la technique la plus utilisé.

b- Analyse potentiométrique directe

Elle est la plus utilisée, pour comprendre l’analyse potentiométrique directe il faut comprendre la notion du potentiel de Galvani. On peut désigner deux applications principales de l’analyse directe :

- les électrodes de référence : une électrode de référence est une électrode dont la

différence de potentiel de Galvani1 est stable. Pour rester stable, aucune densité du courant notable ne doit traverser une électrode de référence, afin de ne pas détruire les conditions d’équilibre. Les deux électrodes de référence les plus utilisées sont : l’électrode au calomel basée sur le couple redox : 1/2 Hg2Cl2/Hg, et l’électrode Ag / AgCl Argent/ Chlorure d’Argent.

- Les électrodes sélectives d’ions (ISE) : Les électrodes sélectives d’ions sont des

électrodes indicatrices capables de mesurer sélectivement l’activité/concentration des espèces ioniques spécifiques, ces électrodes présentent une réponse rapide dans une large gamme de linéarité, elles ne sont pas influencées par la couleur ou la turbidité, très économiques, stables, et non destructives.

18 1.2.4.3.2. Techniques dynamiques à potentiel contrôlé – analyse

potentiostatique (I≠0)

L’analyse potentiostatique est une technique dans laquelle on étudie les transferts de charge à l’interface électrode/solution dans une situation dynamique (courant ≠ 0), par le tracé des courbes courant – tension. Ici, le potentiel est utilisé pour provoquer une réaction de transfert d'électrons et le courant résultant est mesuré. Le rôle du potentiel dans une analyse potentiostatique est analogue à la longueur d’onde (λ) dans une analyse optique, ou le potentiel provoque une excitation des électrons qui force l’élément à gagner ou à perdre un électron(s) (réduction ou oxydation respectivement). On peut définir différentes méthodes suivantes selon la nature de l’excitation en :

a- Méthodes à échelons de potentiel :

 Méthode du saut potentiostatique

 Polarographie impulsionnelle normale et différentielle b- Méthode balayage de potentiel :

 Voltamétrie à balayage de potentiel.  Voltamétrie cyclique (CV)

 Différentes méthodes voltampérométriques c- Spectroscopie d’impédance

Les avantages des techniques à potentiel contrôlé incluent une sensibilité élevée, miniaturisation poussée, une sélectivité vis-à-vis des espèces électro-actives ; une instrumentation à faible coût et une large gamme d'électrodes permettent d’effectuer les analyses dans des environnements inhabituels et in situ, ce qui est difficile pour la spectroscopie.

1.2.4.3.3. Méthodes à courant imposé (chronopotentiomètrie)

Dans la catégorie des méthodes à courant imposé, l’intensité du courant est imposée au moyen d'un ampèrostat ou galvanostat et le potentiel de l'électrode est mesuré en fonction du temps. On qualifie, donc, ces méthodes par le terme de chronopotentiomètrie.

a- Méthode du saut galvano-statique

Le potentiel d'électrode étant à l’équilibre, on fait passer à t1 entre l’électrode de travail et la contre électrode un courant de densité constante. L'imposition d'un courant cathodique provoque la réduction de l’espèce oxydant, à vitesse constante, et la modification du potentiel d'électrode. Pour une réaction réversible, ce potentiel obéit, a tout instant, à la loi de Nernst. Au bout d'un certain temps, la concentration de l’oxydant à la surface de

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l’électrode tend à s'annuler et le potentiel change brusquement. La courbe du potentiel en fonction du temps est analogue à celui d'un titrage potentiométrique. Dans le cas de la chronopotentiomètrie tout se passe comme si le réactif utilisé pour doser l’oxydant était la charge I×t.