La spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRFS) :

La spectrométrie de fluorescence X est une technique d‟analyse élémentaire globale permettant d‟identifier et de déterminer la plupart des éléments chimiques qui composent un échantillon. Cette technique peut être utilisée pour des matériaux très variés : matières premières pharmaceutiques, céramiques, ciments, métaux, huiles, sous forme solide ou liquide. Ces derniers temps, l'analyse XRFS est devenue de plus en plus intéressante par rapport à d'autres techniques, notamment en raison de la facilité de préparation des échantillons. Les échantillons peuvent être sous forme solide, en poudre ou liquide. Puisqu'il s'agit d'une analyse sans contact, aucun problème tel que les effets de matrice couramment rencontrés dans l'analyse de solution n'est rencontré. En plus, comme il s'agit d'une technique non destructive, il est possible de réutiliser l'échantillon après les mesures.

 Principe :

La spectrométrie par fluorescence X ou XRFS (figure 28) est une technique analytique permettant d‟obtenir des analyses qualitatives et quantitatives élémentaires. L‟échantillon est bombardé par des photons émis d‟un tube à rayon X. Des électrons appartenant aux couches internes des atomes sont alors éjectés. Il s‟agit de la phase d‟absorption du rayonnement primaire. Les atomes de la matière ainsi ionisés par leur électron „manquant‟ se trouvent en état instable. Les couches internes de ces atomes se réorganisent afin de tendre vers un état plus stable. Les électrons des couches plus externes supérieurs comblent les couches internes insaturés, il s‟agit de la phase d‟émission (faisceau de rayon X secondaire émis). Cette relaxation électronique libère une énergie sous la forme d‟un photon caractéristique pour chaque atome et pour chaque transition de chaque atome. Ces photons peuvent être détectés par un compteur qui va permettre d‟identifier l‟atome en fonction de son énergie. Du flux de photons reçus, l‟analyseur peut aussi déduire en temps réel la concentration correspondante. Lorsque les photons sont traités séquentiellement, il s‟agit d‟une analyse dispersive en énergie. D‟une manière plus détaillée [60]:

Chaque atome à l‟état fondamental, stable, possède un nombre d‟électrons qui lui est spécifique. Ces électrons gravitent selon des orbitales simplifiées dans le modèle de Bohr : K, L, M, N. Les transitions observées en spectrométrie X mettent en œuvre ces 4 orbitales de base.

Lorsque les photons incidents provenant du faisceau primaire du tube à rayon X possèdent une énergie suffisante, ils parviennent à éjecter les électrons des orbitales des couches K, L ou M des atomes constitutifs de l‟échantillon, ce qui crée une vacance et donc, un état excité instable. Un électron situé sur une orbitale plus externe peut alors combler cette lacune, l‟atome tend alors vers un état „moins instable‟.

Lorsque l‟électron de l‟orbital externe se déplace dans l‟orbite interne, il libère de l‟énergie sous la forme d‟un photon à rayons X secondaire. Cette sortie d‟énergie est appelée fluorescence. Tous les éléments produisent une fluorescence “caractéristique”. La fluorescence de chaque atome est unique.

Chaque photon issu de la réorganisation électronique peut être collecté par le détecteur. Il y génère un courant, qui est amplifié, converti en tension et numérisé dans un ADC (convertisseur analogique digital).

Figure 28: Schéma simplifié d'un spectromètre de fluorescence à rayons X à dispersion en énergie (XRFS)

2.2.1. Les spectromètres à dispersion en énergie (EDS)

Ces spectromètres (figure 28) utilisent la sensibilité de détecteurs à l‟énergie des photons X émis par les atomes qui constituent l‟échantillon à analyser. Il s‟agit de détecteurs de type semi-conducteur (classiquement des détecteurs Si(Li) silicium dopé au lithium) ou de détecteurs au silicium à diffusion (Silicon Drift Detector, SDD) connectés à un amplificateur. Les photons X qui pénètrent dans le détecteur vont provoquer des ionisations dans le semi-conducteur, les paires électrons/trous vont migrer sous l‟effet du champ électrique de polarisation et provoquer des impulsions de courant dont la hauteur est proportionnelle à l‟énergie du photon. Le détecteur convertit les photons X en charge électrique et l‟amplificateur transforme le signal en impulsion électrique. Plus le photon X incident aura une énergie élevée, plus il créera de défauts dans le semi-conducteur et plus l‟amplitude de l‟impulsion électrique sera grande. Ainsi l‟amplitude des impulsions est directement proportionnelle à l‟énergie du photon X pénétrant dans le détecteur. L‟énergie des photons X incidents étant caractéristique des atomes constitutifs de l‟échantillon, on pourra utiliser la hauteur des impulsions pour connaître la nature de ces atomes. Plus la concentration d‟un élément est élevée, plus l‟appareil captera de photons X ayant la même énergie ou la même hauteur d‟impulsion. Pour établir la concentration des éléments présents dans un échantillon, il faut compter le nombre d‟impulsions de même hauteur. Le détecteur dispersif en énergie fonctionne exclusivement séquentiellement (traitement d‟un photon intégralement avant de pouvoir traiter le photon suivant). Les détecteurs de dernière génération traitent plusieurs centaines de milliers de photons par seconde.

2.2.2. Les spectromètres à dispersion en longueur d’onde (WDS)

Dans ce type d‟appareillage, pour identifier les différents rayons X émis par l‟échantillon est intercalé sur leur trajet un cristal analyseur. Le dispositif utilise la propriété des solides cristallins de pouvoir diffracter des rayons X dans certaines conditions.

Dans un WDS, le rayonnement de fluorescence X émis par les atomes constituant l‟échantillon est d‟abord collimaté par un système de fentes appelées fentes de Soller ou collimateur en un faisceau de rayons parallèles (pour concentrer le rayonnement) vers un

cristal analyseur (figure 29). Le cristal analyseur est placé sur un goniomètre, ainsi l‟angle qu‟il présente aux rayonnements de fluorescence X peut varier. Un rayonnement caractéristique d‟un atome ne sera détecté pour une position donnée du cristal que si sa longueur d‟onde répond au critère de Bragg. Ainsi pour une position donnée du cristal, une seule raie caractéristique de longueur d‟onde  sera diffractée. L‟analyse se fait donc de façon séquentielle.

Figure 29: Schéma simplifié d'un spectromètre à dispersion en longueur d’onde (WDS)  Application de la spectrométrie de fluorescence des rayons X dans l’analyse des

impuretés élémentaires dans les produits pharmaceutiques :

Les deux formes, à savoir les techniques de dispersion de longueur d'onde (WD-XRFS) et de dispersion d'énergie (ED-XRFS) ont été appliquées avec succès pour la détermination de Zn, Fe et Ni dans les substances actives pharmaceutiques [61]. Margui et al. [62] ont utilisé le WD-XRFS pour analyser les niveaux des impuretés élémentaires (Fe, Zn, Cr et Ni) dans les substances médicamenteuses et les ont validés conformément aux spécifications de l'Agence européenne pour l'évaluation des médicaments (EMEA) et de l'ICH. Les avantages de cette technique sont une sensibilité élevée, de faibles limites de détection, analyse directe de petite

taille d'échantillon, une quantification simple dans une large gamme dynamique et une analyse non destructive.

Une méthode simple d'analyse par fluorescence X à dispersion d'énergie a été proposée pour remplacer le test limite des métaux lourds de la Pharmacopée japonaise [51].

Ces derniers temps, la spectrométrie de fluorescence X à réflexion totale (TXRFS) s'est avérée utile pour la détermination des impuretés élémentaires dans les médicaments. Wagner et al. [63] ont étudié des échantillons de lécithine, d'insuline, procaïne et tryptophane d'origines différentes. Les concentrations d'éléments fournissent des empreintes qui offrent la possibilité de faire la distinction entre différents lots de substances analysées provenant de différents processus de production ou de purification.

2.3. Les autres méthodes instrumentales d’analyse des impuretés