Préparation de l’échantillon

L’étape de préparation de l’échantillon consiste à rendre possible l’analyse d’un volume important de matrice environnementale contenant une faible quantité de polluants. Pour se faire il convient de réduire considérablement le volume dans lequel les analytes sont solubilisés afin d’y augmenter leur concentration et de les rendre détectables et quantifiables par le module d’analyse.

2.1.1. Extraction en phase solide (SPE)

L’extraction en phase solide (SPE) repose sur la migration des composés de la matrice échantillonnée vers la phase d’extraction. Les analytes sont ensuite élués par un petit volume de solvant. En SPE, le facteur de concentration est fonction de deux facteurs : le volume d’échantillon percolé et la capacité réceptrice la phase (Pichon, 2006). En effet, si la rétention sur le support d’extraction est insuffisante, il y a un

100

risque d’éluer des composés par le solvant constituant la matrice de départ. Ce volume maximal percolable n’induisant pas l’élution des analytes est appelé volume de fuite ou volume de fin de fixation. Enfin, et de façon évidente, le volume de phase extractrice doit être suffisant pour ne pas être saturé. La SPE permet de traiter des volumes importants d’échantillons offrant ainsi la possibilité d’atteindre des facteurs de reconcentration suffisants pour l’analyse de composés initialement présents dans des concentrations de l’ordre du ng.L-1. De plus, cette technique n’utilise que de faibles quantités de solvants organiques et il existe un large choix de phases extractrices offrant la possibilité d’extraire spécifiquement de nombreux composés. Enfin, la SPE est entièrement automatisable (SPE en ligne). Tous ces éléments expliquent sa place comme méthode de choix pour la préparation d’échantillons issus de matrices environnementales aqueuses et des limites de quantifications de l’ordre du ng.L-1

peuvent être obtenues (paragraphe 2.4).

Certains systèmes autorisent l’intégration de la SPE en ligne avec le module analytique. En outre, la SPE en ligne permet de s’affranchir de l’étape d’évaporation puisque l’éluât est injecté directement. Les volumes de solvants et d’échantillons utilisés sont également considérablement réduits. Les méthodes rapportant l’utilisation de la SPE en ligne pour l’analyse de certains des composés sélectionnés utilisent des prises d’échantillons allant de 1 mL (Idder et al., 2013) à 5 mL (Postigo et al., 2008; Valcárcel et al., 2012). La principale limitation de ces méthodes entièrement automatisées réside dans le fait que, en raison d’un facteur de concentration plus faible, les limites de détections peuvent être plus élevées (Trenholm et al., 2009).

Le TABLEAU 2.2 présente une synthèse bibliographique des types de phases extractrices utilisées dans 62 publications mettant en œuvre la SPE pour l’étude des composés sélectionnés dans ce travail en eaux de surface et en STEP. L’ANNEXE 2.3 décrit en détail chacune d’entre elles. L’utilisation de SPE en ligne demeure néanmoins peu répandue (3/62 publications).

phase extractrice (marque) nombre de références fréquence

HLB (Waters^®) 35 56% MCX (Waters^®) 15 24% Strata SCX (Phenomenex^®) 2 3% Strata XC (Phenomenex^®) 1 2% PLRP-s (Spark^®) 2 3% ENVI-18 (Supelco) 1 2% RP-C18 (Phenomenex^®) 1^a 2%

Polar Plus C18 (Baker^®) 1 2%

RP-C8 (non communiquée) 1 2%

Supelclean LC-18 (Supelco^®) 1 2% Isolute C18 (Biotage^®) 2 3% Poursuit C18 (Agilent^®) 1 2% Strata X (Phenomenex^®) 1 2% Hypersil Gold C18 (Thermo Fisher^®) 1 2% Bond Elut ENV (Agilent^®) 1 2%

total 62

TABLEAU 2.2 – Phases utilisées parmi 62 publications mettant en œuvre la SPE pour l’extraction de certains composés sélectionnés dans les eaux naturelles

Plus de la moitié des études citées rapporte l’utilisation de la phase Oasis® HLB (Waters). Le succès de ce type de support s’explique par un bon compromis de

101

sélectivité. En effet, grâce à son greffon N-Vinylpyrrolidone-DVB qui, comme son nom l’indique, présente un site hydrophile (N-Vinylpyrrolidone) et un site hydrophobe (DiVinylBenzène) ce support polymérique met en jeu des mécanismes de rétentions propices à ces deux types d’intéractions. Il existe des alternatives équivalentes aux cartouches HLB proposées par d’autres fournisseurs : Strata® X (Phenomenex), Isolute^® HXC (Biotage), HyperSep^® Retain PEP (Thermo) par exemple.

Les phases polymériques mixtes sont également couramment utilisées. La phase Oasis^® MCX (Waters) arrive en seconde position dans les supports les plus utilisés dans la littérature (24% des publications citées). Il s’agit du même greffon que la phase HLB à la différence près que l’un des cycles benzéniques est substitué par un groupement acide sulfonique qui a pour effet de créer des interactions électrostatiques avec les analytes basiques en plus des interactions hydrophiles et hydrophobes. L’utilisation de ce type de greffon autorise donc une plus grande sélectivité vis-à-vis des composés basiques. L’étape de conditionnement induit le passage d’une eau acidifiée afin de maximiser les interactions avec les groupements sulfonates. L’étape d’élution comprend le passage d’une solution d’hydroxyde d’ammonium pour « décrocher » les composés basiques liés à la phase. D’autres fournisseurs proposent des phases équivalentes à l’Oasis MCX : Strata® XC (Phenomenex), Isolute^® HCX-Q (Biotage), HyperSep^® Retain-CX (Thermo) par exemple.

2.1.2. Micro-Extraction en Phase Solide (SPME)

La SPME (Solid Phase Micro-Extraction) est une technique d’extraction dans laquelle une fibre est plongée dans l’échantillon à analyser. Cette fibre est recouverte d’une phase adsorbante sur laquelle migrent les analytes. Des méthodes pour la caractérisation de certains des composées sélectionnées dans les eaux résiduaires ont été développées. Des limites de quantification comprises entre 12 et 40 ng.L^-1 ont été obtenues pour 5 AINS (Rodr guez et al., 2004) et entre 1,4 et 6,8 ng.L-1 pour 5 amphétaminiques (Racamonde et al., 2013).

2.1.3. Micro-Extraction en Phase Liquide (LPME)

La Micro-Extraction en Phase Liquide (LPME) est une technique d’extraction liquide-liquide dans laquelle une microgoutte de solvant organique, maintenue au bout d’une seringue, est immergée dans le mélange à extraire. Cette gouttelette est ensuite directement injectée dans le module d’analyse. En 2008, Vasskog et al. ont appliqué la HF-LPME (Hollow Fiber LPME) pour l’analyse d’antidépresseurs inhibiteurs sélectifs de recapture de la sérotonine et de leurs métabolites dans des eaux de surface et d’épuration. Ce mode fait intervenir une fibre organique microporeuse entre la microgoutte et la matrice aqueuse à extraire. Les limites de quantification rapportées par les auteurs dans de l’eau du robinet varient entre 57 pg.L-1 pour le citalopram jusqu’à 4,1ng.L-1 pour la desméthylsertraline (Vasskog et al., 2008). Cette méthode automatisable permet, en outre, de réduire considérablement à la fois les volumes d’échantillons et les volumes de solvants organiques.

2.1.4. Extraction par Polymères à Empreintes Moléculaires (MIP)

Les MIP (Moleculary Imprinted Polymers) sont des polymères synthétiques comportant des sites de reconnaissance spécifiques complémentaires en termes de structure, de taille et de fonctions chimiques. En conséquence, leur grande sélectivité ne permet pas d’envisager leur utilisation dans le cadre d’une méthode multi-résidus comprenant des classes de molécules hétérogènes. Les MIP peuvent néanmoins

102

constituer une alternative intéressante aux approches SPE classiques dans des méthodes spécifiques. A titre d’exemple, Gonzales-Marino et al. ont effectué une comparaison Oasis^® MCX vs. MIP pour l’analyse de 5 amphétamines dans des eaux résiduaires (González-Mariño et al., 2009). Les auteurs ont rapporté que l’utilisation de MIP permettait d’obtenir des extraits plus propres et de réduire les effets matriciels améliorant ainsi les performances de la méthode pour certains analytes.

2.1.5. Extraction Sorption sur barreau aimanté (SBSE)

La SBSE (Stir Bar Sorptive Extraction) est une technique permettant l’extraction et la préconcentration des molécules en matrice complexe. Pour ce faire, un barreau aimanté recouvert d’une phase extractrice est directement immergé dans l’échantillon et placé dans un champ magnétique afin d’assurer l’agitation. Pendant des années, la seule phase disponible était composée de polydiméthylsiloxane (PDMS) limitant l’application de cette technique aux seuls composés apolaires (Gilart et al., 2014). Des développements ont conduit à l’élaboration de nouvelles phases rendant possible l’extraction de molécules plus polaires (Gilart et al., 2013). Quitana et al. ont développé une méthode multi-résidus pour l’analyse de 46 molécules dont les log K_ow sont compris entre 0,16 et 5,66 dans des eaux de résiduaires, de surface et souterraines. Parmi ces composés figuraient notamment l’ibuprofène, le naproxène, le kétoprofène, le diclofénac, ainsi que la carbamazépine. Les limites de détection obtenues pour ces composés allaient de 13 à 88 ng.L^-1 (Quintana et al., 2007). Néanmoins, ces composés présentent tous des log K_ow supérieur à 2. Aussi, pour des composés plus polaires les rendement d’extraction étaient inférieurs à 1% (Quintana et al., 2007).

2.1.6. Injection directe

Certains auteurs ont expérimenté des méthodes analytiques dans lesquelles l’étape de préparation est évitée grâce à l’injection d’un volume plus important d’échantillon. En 2008, Chia et al. ont analysé 23 molécules dont des substances illicites dans des eaux de station d’épuration en injectant 1,8 mL d’échantillon (Chiaia et al., 2008). Plus récemment, Berset et al. ont décrit une méthode avec un volume d’injection de 100 µL ayant permis d’atteindre des limites de quantification de l’ordre de 20ng.L^-1 pour la morphine, la codéine la MDMA, la cocaïne, la benzoylecgonine, l’EDDP dans des eaux d’épuration. Dans les eaux de surface, les limites des quantification étaient de l’ordre de 1 ng.L-1 pour la codéine et de 0,2 ng.L^-1 pour les autres composés. Toutefois, dans ces conditions, les auteurs n’ont pas été en mesure de déterminer la limite de quantification pour la morphine (Berset et al., 2010).

2.1.7. Purification

L’absence de mise en œuvre de protocole de purification de l’échantillon, bien que ces molécules soient présentes à l’état ultra-traces au sein de matrices complexes, est également remarquable et n’est pas sans conséquence si la problématique des effets matriciels est prise en compte. Ce phénomène est susceptible d’affecter de manière très significative les performances des méthodes d’analyses chimiques et en conséquence d’affecter l’exactitude des mesurages. Néanmoins, une méthode spécifique aux antidépresseurs ISRS rapporte le recours à une extraction liquide-liquide d’un éluat de SPE afin de réduire les effets matriciels et d’augmenter la sensibilité (Vasskog et al., 2006). L’étape de purification, a permis aux auteurs d’obtenir des limites de quantification comprises entre 0,12 et 0,29 ng.L-1.

103 2.1.8. Evaporation

L’extraction de matrices environnementales aqueuses par SPE est systématiquement suivie d’une étape d’évaporation. Celle-ci a deux objectifs principaux. Le premier est de concentrer l’éluât (dont le volume est typiquement de 3 à 10 mL). Le second est de conditionner l’échantillon à injecter dans un solvant ou un mélange de solvants compatible avec son analyse ultérieure. Dans le cas d’une séparation par chromatographie liquide, l’échantillon est typiquement reconstitué à une composition identique ou proche de celle du début de gradient. Bien que systématique, l’étape d’évaporation suivant la SPE n’est pas souvent précisément décrite et presque jamais caractérisée en terme de rendement. La technique la plus fréquemment utilisée consiste à évaporer l’échantillon sous flux d’azote. Aussi la formule consacrée

« evaporated under a gentle nitrogen stream » constitue dans bien des cas la seule

mention de cette étape (Castiglioni et al., 2005; González-Mariño et al., 2009; Grabic et al., 2012; Gros et al., 2012; Karolak et al., 2010; Nefau et al., 2013; Petrović et al., 2014; Togola et al., 2008a). La température est également parfois reportée (Baker et al., 2011a; Bisceglia et al., 2010; Boleda et al., 2007; Huerta-Fontela et al., 2010). L’étape d’évaporation est pourtant susceptible d’avoir des répercussions sur le processus analytique global (Baker et al., 2011b). A titre d’exemple, Clauwert et al. ont constaté, lors de l’évaporation, jusqu’à 50% de perte de la MDA et la MDMA à 35°C dans un mélange héxane-acétate d’éthyle (Clauwaert et al., 2000). Ainsi, comme l’ont souligné Baker et al. dans une revue critique des méthodes utilisées dans l’échantillonnage, le stockage, et la préparation des échantillons pour l’analyse des résidus pharmaceutiques et substances illicites dans les eaux de surface et de stations d’épuration, il un réel enjeux caractériser les rendements de l’étape d’évaporation (Baker et al., 2011b). Pour l’heure, dans la plupart des travaux publiés, celle-ci est incluse dans l’évaluation des rendements SPE.