Partage entre PDMS et milieu aqueux

La cinétique de cette réaction donc la cinétique globale du processus d’extraction va être impactée par certains facteurs tels que :

- la vitesse d’agitation - la viscosité de la solution - le volume d’échantillon - la température

L’influence de certains facteurs sera testée par l’expérience. Afin de conclure quant à la cinétique d’extraction, les résultats de ces expériences seront traités par une régression adaptée au phénomène à savoir :

-Si on considère A, la quantité de matière et k la constante de vitesse, l’expression de la cinétique est la suivante :

A k dt dA . − =

Équation 32 : Intégrale de la cinétique d’absorption exprimant la diminution de la quantité de matière dans l’échantillon

L’intégration de cette équation donne :

τ

t e A A= ₀. −

Équation 33 : Equation de la cinétique d’absorption exprimant la diminution de la quantité de matière dans l’échantillon

Dans cette étude préliminaire, c’est la quantité de matière présente dans le PDMS que nous allons mesurer, la forme de l’équation est donc la suivante :

τ t abs A A e A = ₀ − ₀. − ⇔

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−τ t abs

A

e

A

₀

1

Équation 34 : Equation de la cinétique d’absorption exprimant l’augmentation de la quantité de matière dans le PDMS

L’évolution de la quantité de matière dans l’échantillon est donc illustrée par la figure 18. On y trouve en pointillé l’évolution de la quantité de matière dans l’échantillon, et en trait plein l’évolution de la quantité de matière dans le PDMS.

τ t

e

A

A

= .

₀ −

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−τ t abs

A

e

A

0

1

Q uant ité de m at iè re Temps

Figure 18 : Modélisation de l’évolution théorique de la quantité de matière en fonction du temps

Selon le mode analytique du suivi du phénomène d’extraction, la donnée expérimentale obtenue peut être indépendamment la quantité d’analyte absorbée par le polymère, ou celle restant en solution. Cette réponse est évaluée pour différents temps d’absorption et les coefficients mathématiques du modèle seront déterminés après « lissage des courbes ».

D’un point de vue pratique, on considérera que l’absorption est terminée lorsque 95% de l’équilibre sera atteint. L’équation 34 permet de définir la réponse à l’équilibre qui serait atteint pour un temps infini et donc le temps d’atteinte de 95% de l’équilibre.

De l’équation 34 on déduit que l’équilibre est atteint quand t est infini, soit :

Réponse NPD à l’équilibre ₀(1 exp τ∞)

−

−

= A t

⇔

Réponse NPD à l’équilibre

=

A

0

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

=

− τ éq t

A

A

95 , 0

exp

1

95

,

0

_{0 0} ⇔

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

=

− τ éq t 950,

exp

1

95

,

0

⇔ τ éq t 950,

exp

05

,

0

−

=

⇔

τ

éq t_0,95

)

05

,

0

ln(

−

=

⇔ τ ). 05 , 0 ln( 95 , 0 éq =− t

Cette dernière expression permet de calculer le temps d’atteinte de 95% de l’équilibre ou « équilibre apparent », à partir des paramètres de régression obtenus par retraitement des valeurs expérimentales.

TROISIÈME PARTIE :

Le travail expérimental réalisé durant cette étude s’articule autour de trois axes :

- Le premier correspond au développement et à l’optimisation d’une méthode analytique chromatographique permettant la quantification du D2EHPA à partir d’échantillons aqueux,

- Le deuxième vise à évaluer la validité du modèle théorique d’extraction à partir de mesures expérimentales,

- Le troisième tend à élargir le champ d’application du concept d’analyse et d’expertise, notamment par l’utilisation de modes d’analyse plus directs tels que la spectrométrie de masse couplée aux sources d’ionisation ambiantes telles que les sources DESI et DART.

Les chapitres suivants présentent de manière détaillée l’ensemble du travail réalisé au sein du laboratoire durant la durée du stage ainsi que les résultats obtenus lors de cette phase expérimentale.

I.

DEVELOPPEMENT ANALYTIQUE

Le développement d’une méthode d’analyse avait pour objectif de disposer d’une procédure quantitative robuste et sensible permettant la détermination de la concentration du D2EHPA dans un échantillon aqueux. Cette procédure analytique devait pouvoir répondre à deux types de besoins :

- Etre appliquée pour réaliser des analyses directes, typiquement lorsque la matrice n’est pas trop « chargée » mais contient toutefois certains composés, notamment des sels ou des acides spécifiques.

- Constituer un outil pour l’étude quantitative des phénomènes d’extraction du D2EHPA par le polymère (PDMS) afin de confronter l’analyse théorique avec les résultats expérimentaux.

Comme indiqué dans l’introduction, un dosage direct présente un intérêt particulier dans le cadre des applications liées aux programmes du CEA. Il peut être réalisé sur une matrice contenant des phosphates du fait de l’utilisation du D2EHPA pour extraire l’uranium à partir d’un milieu phosphorique. La méthode analytique développée doit donc être adaptée au dosage du D2EHPA en présence de phosphates dans l’échantillon.

L’intérêt de disposer d’une méthode analytique compatible avec un milieu phosphorique est par ailleurs conforté par l’analyse théorique présentée précédemment, qui situe a priori vers 5 ou 7 la zone

typiquement le volume d’un barreau « twister »), un volume d’échantillon de 2 mL, une concentration cible de l’ordre de 20 ppm et les constantes préalablement discutées. Dans le cadre de la validation du modèle expérimental, le tampon phosphate, compte tenu des constantes d’acidité de l’acide phosphorique et du pouvoir tampon qui en résulte, a donc été utilisé pour fixer le pH de travail.

Le D2EHPA est une molécule ne contenant pas de groupement chromophore, sa détection en absorption UV-visible directe est impossible. L’analyse de trace nécessitant une méthode sensible et fiable, qui pourrait potentiellement être rendue strictement sélective compte tenu de la recherche d’une seule substance d’intérêt (i.e. le D2EHPA), la spectrométrie de masse a été retenue pour le développement de notre méthode analytique. Elle offre non seulement des potentialités importantes d’identification moléculaire combinée aux données purement chromatographiques, et se caractérise par une sensibilité élevée adaptée à notre problématique.

Pour le développement de cette méthode analytique par spectrométrie de masse, deux points devaient être considérés :

- La présence potentielle des ions phosphate dans la source d’ionisation et leur influence possible sur les processus d’ionisation,

- Les propriétés intrinsèques du D2EHPA vis-à-vis de sa propre ionisation suivant les différentes sources d’ionisation utilisables.

En effet, les sels phosphatés étant non volatilisables, un des risques majeurs était leur cristallisation dans la source d’ionisation constituant l’interface entre le chromatographe et le spectromètre de masse. Ceci pouvait endommager la source en provoquant notamment sa corrosion ou le dépôt de sels. Des phénomènes de suppression d’ionisation pouvaient par ailleurs être observés et difficilement contrôlés. Ce risque important a donc imposé de séparer les espèces salines (phosphates) de la molécule d’intérêt avant son introduction dans la chambre d’ionisation et son analyse par spectrométrie de masse. Cette séparation a été opérée par chromatographie liquide haute performance, une boucle de dérivation permettant d’éliminer vers un exutoire la portion d’élution correspondant aux espèces phosphatées, puis de basculer automatiquement le flux d’éluant vers le spectromètre de masse après le passage des phosphates pour adresser alors le composé d’intérêt vers l’analyseur.

Compte tenu des spécificités chimiques et spectrales du D2EHPA, deux modes d’ionisation ont été étudiés : l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et l’ionisation par electrospray (ESI). Les résultats en sont détaillés dans les chapitres qui suivent.

Par ailleurs, le spectromètre de masse étant de type « triple quadripôle », un examen des spectres de fragmentation du D2EHPA en mode « tandem » a été réalisé, pour envisager une analyse en mode MS ou MS² suivant les besoins en termes de sélectivité spectrale ou de sensibilité (rapport signal/bruit). Les données détaillées sur l’appareillage sont présentées dans l’annexe III.

I.1

Détermination des paramètres instrumentaux

Compte tenu de ce qui a été indiqué précédemment, les paramètres instrumentaux ont été choisis pour permettre une analyse quantitative du D2EHPA dans un échantillon aqueux pouvant contenir des ions phosphate. Bien que la séquence analytique globale débute par une séparation chromatographique des espèces, avant leur analyse spectrométrique, c’est par l’étude des propriétés d’ionisation et d’analyse spectrale du D2EHPA qu’a débuté le développement méthodologique. Cette étape a été suivie par l’étude de la séparation des phosphates et du D2EHPA par chromatographie liquide. Les paramètres ont été définis pour permettre une analyse répétable et quantitative de l’analyte sans impact de la matrice.

I.1.1 Etude des conditions préférentielles d’acquisition spectrométrique du D2EHPA Dans cette partie, les conditions de détection du composé étudiées lors de ces travaux sont présentées. La plupart des sources d’ionisation couplées avec une méthode chromatographique en phase liquide conduisent à des processus d’ionisation douce, assez respectueuse de l’intégrité moléculaire et suffisamment stable pour permettre la réalisation d’analyses quantitatives reproductibles. Les sources étudiées dans notre cas ont été l’electrospray et l’ionisation chimique à pression atmosphérique. Disposant de ces deux sources au laboratoire, il convenait en effet d’en évaluer comparativement les performances afin de choisir la meilleure, chacune d’entre elles pouvant a priori convenir pour l’ionisation du composé d’intérêt.

I.1.1.1 Généralités sur l’ionisation du D2EHPA en phase gazeuse

Par analogie avec les propriétés acido-basiques du D2EHPA en solution aqueuse, la fonction acide de ce composé le rend facilement ionisable par perte d’un proton labile. Cette réaction est illustré figure 19.

Figure 19 : Processus d’ionisation du D2EHPA

Les travaux de Beom et al. [26] montrent néanmoins une détection possible de ce composé en mode positif par ajout d’un proton sur l’oxygène doublement liée au phosphore (formation d’adduit protoné). La comparaison des spectres de masse enregistrés suivant les deux modes d’ionisation (positif ou négatif) montre toutefois une formation d’adduit moins importante qu’une ionisation en mode négatif par perte de proton. C’est donc le mode négatif qui a été sélectionné pour la suite de nos développements afin d’optimiser le taux d’ionisation et donc la sensibilité de la méthode.

I.1.1.2 Généralités sur les sources d’ionisation

L’objectif de ce travail ne portant pas spécifiquement sur l’étude des modes d’ionisation ou des sources correspondantes, seul le principe succinct des sources d’ionisation utilisées est présenté ci-dessous. De nombreux ouvrages en détaillent naturellement et bien davantage le fonctionnement, et pourront être consultés pour de plus amples renseignements.

Source d’ionisation par electrospray (ESI)

L’electrospray (ESI) est une technique d’ionisation douce adaptée au couplage LC-MS pour des débits de phase mobile de l’ordre de 0,2 mL.min-1_{. Le principe de l’electrospray est la dispersion du liquide à}

analyser sous forme de gouttelettes chargées électriquement. La taille de ces gouttelettes est réduite par évaporation progressive du solvant, ce qui conduit finalement à la formation d’ions désolvatés en phase gazeuse qui sont guidés vers l’analyseur sous l’effet de champs électriques puissants. La figure 20 illustre le principe de fonctionnement du mode d’ionisation par electrospray.

Figure 20 : Schéma de principe de l’ionisation par electrospray [27]

De manière un peu plus détaillée, précisons que la solution introduite dans la source peut être soit un éluant chromatographique, soit une solution injectée via un pousse-seringue. L’introduction du liquide se fait par l’intermédiaire d’un capillaire dont l’extrémité est constituée par une aiguille. Une différence de potentiel de l’ordre de quelques kilovolts est créée entre l’extrémité de cette aiguille et le cône d’introduction de l’analyseur. Des gouttelettes chargées sont formées à pression atmosphérique à la sortie de l’aiguille. Le processus de désolvatation, accéléré par un courant d’azote coaxial sortant du cône du spectromètre, mène à la réduction du diamètre des gouttelettes, qui lui-même conduit à une densité de charge de plus en plus importante jusqu’à ce que les ions ne puissent plus coexister (limite de Rayleigh) et fassent « éclater » l’agrégat ionique. Cette « explosion coulombienne » forme des ions en phase gazeuse, qui sont alors attirés vers l’analyseur grâce à une contre électrode située à son entrée.

Source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)

L’ionisation chimique est également une technique d’ionisation douce qui était disponible pour l’étude au laboratoire. Le principe en est illustré figure 21. L’APCI repose sur la transformation de l’échantillon en nébulisât et le transfert de charge d’un ion réactif (formé par une source corona) sur la molécule d’analyte.

Figure 21 : Schéma de principe de l’ionisation chimique à pression atmosphérique [28]

L’échantillon à analyser est introduit dans la source via un nébuliseur dont le capillaire d’introduction est chauffé à très haute température (300-500°C). A la sortie de ce capillaire, un courant de gaz (air ou azote) transforme le liquide en fin brouillard (aérosol de fines gouttelettes). Un second gaz (gaz auxiliaire ou gaz de séchage) favorise la vaporisation du solvant.

Dans la chambre d’ionisation, une pointe métallique portée à haute tension (plusieurs kilovolts) génère un courant d’électrons de quelques microampères par effet corona. Les molécules d’air entourant cette aiguille sont alors ionisées puis, par un effet en cascade, transfèrent leur charge sur l’analyte en phase gazeuse. Comme pour l’ESI, une contre électrode permet enfin de guider les ions vers l’entrée de l’analyseur.

Caractéristiques comparées des sources d’ionisation

Comme indiqué précédemment, les sources d’ionisation ESI et APCI sont des sources d’ionisation dites « douces ». Elles mènent toutes deux à la formation d’ions positifs ou négatifs généralement de masse [M+H]+ ou [M-H]- de façon abondante, donc particulièrement adaptées à des problématiques de dosage de composés à l’état de traces. Cependant, les deux sources d’ionisation diffèrent l’une de l’autre par la phase d’ionisation.

Dans le cas de l’ESI, l’ionisation se fait à l’état liquide alors qu’avec l’APCI, l’ionisation se fait à l’état gazeux. Les interactions potentielles au moment de la formation des ions sont donc différentes. Cette différence se caractérise notamment par des formations d’adduit non équivalentes entre ces deux sources.

Par ailleurs, l’APCI nécessite un débit de solvant plus important que l’electrospray (de l’ordre de 1 mL/min, contre 0,2 mL/min pour l’ESI). Le choix de l’une ou l’autre de ces sources impose donc de réguler le débit d’éluant qui y pénètre. Dans le cadre d’un couplage LC/MS, le débit d’éluant chromatographique à l’entrée dans la source peut ainsi se réguler de 2 façons différentes :

- Soit en procédant à une dérivation contrôlée d’une partie de l’éluant (cette solution affectant la sensibilité de la méthode).

- Soit en réduisant le débit global de l’élution (cette solution pouvant nécessiter une réduction du diamètre interne de la colonne)

I.1.1.3 Caractéristiques spectrales du D2EHPA

Caractéristiques spectrales par source electrospray

La figure 22 présente le spectre de masse du D2EHPA acquis entre 300 et 350 u. Les conditions d’acquisitions sont les suivantes:

- Gaz de séchage : Pression de 20 psi (1,4 bar), température de 200°C, - Gaz de nébulisation : Pression de 56 psi (4 bar), température ambiante

L’injection est réalisée via le passeur d’échantillons, dans un flux d’éluant (méthanol) dont le débit est de 0,2 mL.min-1.

Comme observé figure 22, l’ion correspondant à la molécule déprotonée [M-H](m/z = 321 u) est correctement observé sur le spectre direct (mode MS simple) comme attendu compte tenu des caractéristiques structurales de la molécule.

Pour en vérifier véritablement l’origine et l’attribuer effectivement au D2EHPA, une mesure par spectrométrie en tandem (MS2) a alors été réalisée pour confirmation structurale. La figure 23 représente le spectre de fragmentation de cet ion ([M-H]-) enregistré entre 70 et 322 u 3 pour une énergie de collision de 25eV et une pression d’argon de 2 mTorr. 4

Figure 23 : Spectre de fragmentation de l’ion m/z=321

2_{Compte tenu des propriétés des spectromètres quadripolaires en termes de résolution, il convient de ne considérer sur les}

spectres présentés ici que des masses arrondies à l’unité, malgré ce qui est indiqué sur les spectres fournis par l’instrumentation et les figures qui illustrent ce rapport.

3 _{Pour simplifier la lecture du document, l’unité des masses ne figurera plus systématiquement dans le reste de ce document et}

s’entendra naturellement comme l’unité de rapport masse sur charge m/z (Thomson) ou plus simplement (u).

4 _{La fragmentation de l’ion père, en mode MS}2 _{est obtenue par la sélection de l’ion, son accélération par une différence de}

potentiel correspondant globalement à son énergie cinétique, et par son introduction dans une cellule de collision où siège une faible pression de gaz lourd (typiquement ici de l’argon). C’est le choc de l’ion père accéléré avec les atomes d’argon qui conduit à sa fragmentation et l’enregistrement des masses des ions fragments qui conduit au spectre en mode tandem (MS2₎

Comme il peut être observé, trois ions caractéristiques sont présents dans le spectre (figure 23). On y observe le signal résiduel de l’ion père (m/z=321), et deux ions fils, l’un de masse m/z=209, et l’autre, majoritaire, de masse m/z=79. L’interprétation de ces ions fils est assez simple compte tenu de la structure connue du D2EHPA, l’ion de masse 79 étant typique de la structure PO3-, résultant dans le cas

présent de la perte des deux fonctions 2-éthylhexyl et d’un atome d’oxygène. Cet ion fils peut être potentiellement utilisé pour une identification de la molécule de D2EHPA.

L’ion fils de masse 209 résulte pour sa part très vraisemblablement de la perte d’un seul groupement 2- éthylhexyl à partir de l’ion père.

Outre la vérification de l’identité stricte de la molécule détectée, la spectrométrie en tandem (MS²) peut présenter l’avantage de réduire le bruit de fond du chromatogramme et ainsi augmenter le rapport signal sur bruit. Il est cependant nécessaire pour cela que la fragmentation soit suffisamment efficace pour éviter toute perte de sensibilité. Ce point sera discuté au chapitre I.1.1.4.

Pour compléter la présentation des caractéristiques spectrales du D2EHPA, un spectre a été acquis sur un domaine de masses plus étendu (de 50 à 800 u) pour rechercher l’existence d’éventuelles structures d’agrégats ioniques. Ce spectre (figure 23) montre la présence d’un composé dont le rapport m/z = 643. Cette valeur peut révéler en fait la présence d’une structure dimère puisque 643 = 321·2 +1. Afin de confirmer la réalité de cette hypothèse, une analyse a pu être effectuée par spectrométrie de masse haute résolution avec une ionisation par electrospray. Le principe de l’appareil utilisé (Orbitrap) est détaillé en annexe IV.

Le spectre en haute résolution présenté figure 24 permet d’identifier de façon certaine la présence des ions [D2EHPA-H]- et [2 D2EHPA- H]- aux masses exactes respectives de 321,22034 et 643,44839. La structure de l’ion observé à la masse 403,22359 n’a malheureusement pas pu être identifiée malgré le recours à la spectrométrie Orbitrap.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 m/z 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 R el at iv e A bun dan ce 403.22359 643.44839 485.22659 419.19736 379.17926 _{475.22988 501.19939 567.22911 747.43217} 339.20103 605.18352 681.40167723.38669 785.37806

Figure 24 : Spectre de masse du D2EHPA ionisation ESI en spectrométrie haute résolution

On peut supposer légitimement que le dimère mono chargé ([2 D2EHPA - H]-) est en fait créé dans la source d’ionisation. En effet, une formation de ce composé au sein de la colonne chromatographique ou en amont, c’est-à-dire dans l’échantillon, mènerait à une rétention différente entre les composés mono et dimères ; hors ils sont détectés au même temps de rétention.

La formation de ce dimère pouvant être dépendante de conditions opératoires difficiles à maîtriser, et pouvant ainsi nuire à la quantitativité de la méthode, il a été jugé préférable de rechercher des conditions opératoires permettant de l’éliminer. L’influence des paramètres thermiques et dynamiques de la source d’ionisation sur la formation du dimère a ainsi été testée à cet effet. Malheureusement, ni les variations de pression et de température du gaz de séchage, ni la pression du gaz de nébulisation n’ont eu d’influence sur la formation du dimère et n’ont permis de l’éliminer.

Une modification de la source a donc été envisagée, l’éventualité d’une formation de ce dimère ionisé en phase liquide (dans les gouttes de l’electrospray) pouvant laisser espérer qu’une source fonctionnant par ionisation en phase gazeuse pourrait apporter une solution au problème.

Caractéristiques spectrales par source d’ionisation chimique à pression atmosphérique

La figure 25 représente le spectre de masse du D2EHPA acquis entre 300 et 700 u.

Le pic de base observé correspond parfaitement à l’ion monomère [D2EHPA-H]- de masse 321. Aucun ion dimère d’intensité remarquable n’est observé à la masse 643, ce qui permet de conforter une hypothèse quant à la formation des espèces dimères lors du processus d’ionisation et de désolvatation ayant lieu en phase liquide dans les gouttelettes de l’electrospray.

Au vu de ce résultat, c’est donc naturellement la source APCI qui a été retenue pour la poursuite de cette étude pour simplifier le développement de la méthode analytique.

Figure 25 : Spectre de masse (APCI ) du D2EHPA

Gaz de séchage : 20 psi / 200°C, Gaz de nébulisation : 56 psi, Débit 1 mL/min, Solvant : Méthanol

I.1.1.4 Influence du mode spectrométrique sur la sensibilité : Spectrométrie de masse en tandem

Dans le document Étude physico-chimique et analytique de l’absorption de molécules extractantes par des polymères (méthode SBSE) et expertise par technique LC-MS (Page 48-149)