La microextraction sur phase solide dans l’espace de tête (HS-SPME)

La microextraction sur phase solide (SPME) a été introduite par Pawliszyn et al. en 1990 [2]. Cette méthode repose sur le même équilibre échantillon/gaz de l’extraction HS présenté précédemment mais à la place de prélever l’espace de tête, les molécules présentes dans la phase gazeuse vont s’absorber dans une fibre polymérique. L’extraction par SPME n’est pas exhaustive, un équilibre supplémentaire s’établi entre l’échantillon et la phase stationnaire. Comme précédemment, l’échantillon déposé dans un flacon va être chauffé afin de distribuer les molécules volatiles dans l’espace de tête pendant un certain temps appelé temps d’équilibrage. Puis la fibre est soit introduite directement dans l’échantillon si il s’agit d’un liquide ou soit exposée à l’espace de tête pour les échantillons liquides ou solides pendant un temps donné. Le second cas permet de favoriser l’extraction des composés volatils. De plus, réaliser une extraction SPME par immersion de la fibre diminue significativement la durée de vie de celle-ci [3]. Après extraction, la fibre est désorbée directement dans l’injecteur de la GC pendant un certain temps à une température déterminée. Dans notre étude, l’échantillon étant solide et afin de favoriser la sensibilité envers l’extraction des composés volatils, la SPME dans l’espace de tête (HS-SPME) est utilisée (FIGURE II - 4). Cette méthode est souvent automatisée de l’équilibrage à la désorption dans l’injecteur de la GC.

Lors de la HS-SPME, trois équilibres entrent en jeu :

ℎ ( ) ê ( ) ( )

Il y a donc deux coefficients de partage à prendre en compte : celui entre l’échantillon et l’espace de tête (KEG) et celui entre l’espace de tête et la fibre (KEF) [4] :

= ⁄ = ⁄ (ÉQUATION II - 2)

Avec C_E la concentration en analyte dans l’échantillon, C_G la concentration en analyte dans l’espace de tête et CF la concentration en analyte dans la phase greffée sur fibre.

Une constante de partage globale entre l’échantillon et la fibre (K_EF) peut être définie par :

FIGURE II - 4 - Principe de la microextraction sur phase solide dans l’espace de tête (HS-SPME)

La constante K_EG est définie inversement à la constante K définie pour l’extraction par HS (II.1.3.) et dépend des mêmes paramètres, c’est-à-dire la température d’extraction et l’agitation de l’échantillon. La valeur de la constante K_GF dépend fortement de la nature du polymère utilisé pour le revêtement de la fibre ainsi que son volume. Adapter la nature du polymère aux analytes d’intérêts est aussi important que le choix de solvants dans l’extraction liquide-liquide. Il existe différentes natures de phases stationnaires en fonction des composés à extraire. La phase la plus couramment utilisée est la PDMS (polydimethylsiloxane), c’est une phase apolaire utilisée pour extraire toute sorte de composés apolaires de volatils à non-volatils. Le PDMS étant considéré comme un polymère liquide, les composés volatils vont s’absorber dans la fibre. Il existe aussi des phases bipolaires composées de divinylbenzène (PDMS-DVB) ou encore des phases polaires composées de carboxen, un carbone très poreux (CAR-PDMS). Dans le cas d’une fibre composée de carboxen, les composés vont s’adsorber dans les cavités de la fibre. Les deux paramètres permettant d’augmenter le volume de revêtement de la fibre sont son épaisseur ainsi que sa longueur. L’épaisseur du revêtement de la fibre peut varier entre 7 et 100 µm. Les composés volatils requièrent une épaisseur importante de revêtement tandis que les composés non volatils ne nécessitent qu’une fine épaisseur. Cependant, augmenter l’épaisseur du revêtement de la fibre, augmente nécessairement le temps d’extraction car un plus grand nombre d’analytes peuvent pénétrer dans la phase stationnaire [5]. La longueur standard d’une fibre est de 1 cm mais il existe aussi des fibres de 2 cm de long.

Chauffage ^Fibre Vers détecteur Espace de tête Volatilisation des composés d’intérêt Absorption des composés sur la fibre

Désorption des composés absorbés dans la fibre dans l’injecteur de la GC

L’efficacité de la fibre choisie peut être évaluer en calculant le facteur de concentration (CF) correspondant [6] :

= ⁄ (ÉQUATION II - 4)

Avec AF l’aire du pic de l’analyte obtenu par HS-SPME et AG l’aire du même pic obtenue par HS. Ainsi plus le facteur de concentration est élevé, plus la fibre choisie est adéquate pour le type de composés analysés dans les conditions d’extraction fixées.

La température d’extraction a aussi une forte influence sur l’efficacité de l’extraction par HS-SPME. En effet, une augmentation de la température va permettre d’augmenter la concentration en analytes dans l’espace de tête, la constante de partage KEG augmente. De plus, l’efficacité d’extraction de composés peu volatils et à haute masse moléculaire augmente avec l’augmentation de la température. Cependant, KGF étant inversement proportionnel à KEG (ÉQUATION II - 3), une augmentation de température conduit à une augmentation de K_EG et donc à une diminution de K_GF, les composés à l’équilibre auront donc une affinité plus grande pour la phase gazeuse que pour la fibre. Ce paramètre doit donc être attentivement étudié pour optimiser la HS-SPME.

Les différents paramètres ajustables de la HS-SPME sont : la nature de la fibre, le volume du revêtement de la fibre, la température d’extraction, le temps d’équilibre, le temps d’extraction, la vitesse d’agitation, le temps de désorption ainsi que la température de désorption.

Dans notre étude, une fibre de 1 cm avec un revêtement de 100 µm de PDMS a été utilisée pour l’extraction de terpènes volatils dans différentes matrices par HS-SPME. Pour l’extraction, 70 mg d’échantillon sont pesés dans un flacon HS fermé hermétiquement. Le flacon est ensuite placé automatiquement dans un incubateur à 80 °C pendant un temps d’équilibre de 10 min sous une agitation de 250 rpm. La fibre est ensuite suspendue dans l’espace de tête en perçant le septum du bouchon du flacon. Le temps d’extraction des composés volatils dans la fibre est de 60 min. La fibre est rétractée dans son support, retirée du flacon et désorbée directement dans l’injecteur de la GC à 210 °C pendant 2 min.

L’extraction par HS-SPME est rapide, ne nécessite aucun solvant, consomme peu de matière première et est automatisée. Comparée à l’extraction par HS, cette méthode permet de concentrer les analytes sur une fibre polymérique avant de les analyser et d’être sélective en termes de famille de composés étudiés. La HS-SPME est une méthode d’analyse robuste pour l’analyse de composés volatils, cependant sa capacité de concentration est limitée par sa faible quantité de phase stationnaire (100 µm au maximum).