La miniaturisation peut être conduite en intégrant les phases stationnaires dans des capillaires de faibles diamètres internes ou dans des microcanaux formés au sein de microsystèmes. A chaque fois, la question du transport des phases mobiles est cruciale. Deux approches sont possibles : une approche électrocinétique pour mettre le fluide en mouvement sous contrôle d’un champ électrique8 et une approche hydrodynamique par l’application d’une pression de
manière à contrôler le débit.
8 Le transport électrocinétique ne sera pas abordé ici car il est incompatible avec les solutions concentrées d’acide
II-2.b. 1 Chromatographie en capillaires ou en laboratoires sur puces pour l’analyse élémentaire
Les systèmes chromatographiques au format miniature sont principalement des micro-colonnes insérées en capillaires ou en microcanaux. Le transport des fluides est le plus souvent assuré par des pompes ou des pousse-seringues.
La séparation des éléments Mn(II), Co(II), Ni(II), Zn(II), Cd(II), Cu(II) a été réalisée dans des capillaires de silice remplis par des monolithes copolymères lauryl méthacrylate (LMA)- éthylène diméthacrylate (EDMA) fonctionnalisés avec des quantités variables de vinyle azlactone, suivie par une immobilisation de l'acide iminodiacétique (IDA) [63, 64]. Le monolithe a été synthétisé par photopolymérisation in situ dans le capillaire. Puis la surface du monolithe a été modifiée avec le vinyle azlactone par photo-greffage en utilisant la benzophénone (BP). Enfin, la fonctionnalisation par l’IDA est réalisée par imprégnation dynamique.
Le couplage des colonnes avec un instrument de mesure est un axe de recherche important. L’interfaçage de la chromatographie sur puce microfluidique avec la spectrométrie d'absorption atomique à flamme (FAAS) a été réalisé pour un microsystème séparatif en polydiméthylsiloxane contenant 12 micro-colonnes remplies de particules C18 (5 μm) [65]. Le montage permet la séparation/préconcentration chromatographique en parallèle et l'incorporation directe de l’échantillon dans le spectromètre (Figure II-5). Il a été appliqué au dosage du Cr(VI). Sur chaque micro-colonne, une solution de Cr(VI) est adsorbée par le tétrabutylammonium puis éluée avec du méthanol. Puis, les solutions d’élution ont été analysées par le spectromètre de la FAAS à l'aide de micro-injection des effluents sous forme d'échantillons discrets par un système de pompage en moins de 5 minutes pour l’ensemble des échantillons.
(a) (b)
Figure II-5 : Photographies (a) des micro-colonnes de concentration de Cr(VI) intégrées dans le microsystème. (b) montage du microsystème couplé au spectromètre d'absorption atomique
à flamme [65].
Un microsystème chromatographique en polychlorure de vinyle (PVC) a été couplé à un spectromètre optique [66]. Le microsystème est rempli par une résine commerciale. Le remplissage des micro-colonnes est réalisé en système ouvert et les phases particulaires sont maintenues en place grâce à la présence de frittés aux deux extrémités des micro-colonnes. La puce présente deux colonnes (Figure II-6 a) complémentaires pour la séparation de traces d’une matrice chargée en U ou Th dans une solution multiélémentaire nitrique (8 ou 10 M). La colonne échangeuse d’anions permet d’isoler Th d’une solution multiélémentaire en milieu nitrique alors que la colonne d’extraction chromatographique permet d’isoler U de la solution multiélémentaire. U et Th ne sont jamais présents simultanément dans la solution. L’élution est réalisée en milieu HCl à chaque fois.
(a) (b)
Figure II-6 : Photographies (a) du microsystème à deux colonnes développé au laboratoire de Los Alamos (b) schéma de fonctionnement de la puce pour la séparation de traces dans une
matrice chargée en U ou en Th [66].
Cette technique de remplissage par une résine commerciale est flexible puisque 100 µL de la résine échangeuse anionique AG MP-1 permettent de séparer le thorium à 500 ppm d’un mélange de métaux de transition à une concentration de 125 ppm chacun et 100 µL de résine UTEVATM dans la puce permet la séparation de 500 ppm d’uranium du même mélange de métaux de transition.
II-2.b. 2 Lab-on-Disc
D’autres ont choisi de générer une pression grâce à la force centrifuge pour la mise en mouvement des liquides en intégrant les micro-colonnes dans des Lab-on-Disc (LoD). Utiliser la force centrifuge est l’une des meilleures méthodes passives non pulsatiles de contrôle des débits dans les systèmes microfluidiques [67] et adaptée au traitement entièrement automatisé et continu des échantillons comme l’illustre la Figure II-7.
(a) (b)
Aujourd’hui, la plupart des microsystèmes centrifuges développés visent des applications dans le domaine de la biologie [70], notamment le diagnostic médical [71]. Cependant, des systèmes centrifuges de séparation élémentaire émergent.
L’équipe de Salin [72] a en effet mis en œuvre une méthode de partage d’éléments entre une phase solide et une phase liquide en utilisant des interactions de nature hydrophobe et des interactions de type électrostatique grâce à des fonctions acides. Pour cela, deux complexes neutres métal-8-hydroxyquinoléine sont adsorbés sur un gel de silice hydrophobe fonctionnalisé C18. Les alcalins, alcalino-terreux et les autres constituants de la matrice, qui ne sont pas chélatés, sont élués de la colonne SPE au cours d'une étape de lavage ultérieure. Cette technique pose plusieurs problèmes. Des volumes importants sont utilisés pour l’élution de l’échantillon ( 10 mL de méthanol) et ce milieu d’élution diminue les performances des méthodes de détection telles que l’ICP-MS. Pour remédier à ces difficultés, l’équipe de Penrose [73] a développé un dispositif centrifuge combinant une colonne chromatographique et des fonctions microfluidiques initialement pour la séparation de colorants puis Lafleur et al. [72] l’ont appliqué à l’analyse de V, Pb, Ni, Cu et Co dans de l’eau de boisson par ICP-MS couplée à l’ablation laser. En plus de réduire les étapes de manipulation d'échantillon, cette technique réduit les volumes d'échantillon nécessaires de quatre ordres de grandeur. Elle permet de traiter des échantillons multiples en parallèle, prévoit la conservation des échantillons pendant le transport au laboratoire après échantillonnage sur le terrain et possède un potentiel élevé d'automatisation. Le microsystème est un lab-on-CD en polycarbonate dont la phase stationnaire est constituée d’un gel de silice C18 (Nucleosil C18 silica,) (Figure II-8). La fonctionnalisation est réalisée par imprégnation du gel par une solution 10% m/v de 8- hydroxyquinoline (8-HQ) dans le méthanol. La force centrifuge est utilisée pour le transport des fluides mais aussi pour le remplissage de la micro-colonne.
(a) (b) (c)
Figure II-8 : Photographies (a) de la micro-colonne remplie avec le gel de silice C18 imprégné par le complexant 8-HQ, (b) particules empaquetées, (c) particules empaquetées après
l’analyse par ablation laser au travers de la fenêtre en polycarbonate [72]
Ce type de microsystème a également été choisi pour des séparations radiochimiques en milieu HCl concentré [74]. Le système qui a été développé au laboratoire permet la séparation U(VI)/Eu(III) à partir d’un échantillon de seulement 5 µL dans HCl 9,5 M. De plus, la première fraction d’europium est prélevée au bout de seulement 16 minutes de rotation ce qui permet de diminuer le temps total de l’analyse.
Les microsystèmes centrifuges présentent donc de nombreux avantages comme l’absence de système de pompage ou la parallélisation des analyses.