Système analytique

Avant d’entreprendre les études de cinétique, il est indispensable de disposer d’un système analytique fiable et suffisamment sensible pour la détection des concentrations attendues des réactifs, et en particulier celles des pesticides. Une attention particulière est portée sur le choix des différentes composantes de la chaîne analytique : mode d’injection, séparation et détection.

IV.1.3.a. La séparation

La séparation des pesticides est souvent une opération délicate car cette catégorie de composés regroupe un grand nombre de familles chimiques avec des caractéristiques très variées. Toutefois, la séparation n’est pas une contrainte forte dans cette étude puisque la réactivité de chaque produit phytosanitaire a été mesurée séparément. La chromatographie est

la technique couramment utilisée pour la séparation des composés organiques : HPLC (Chromatographie Liquide Haute Pression) ou GC (Chromatographie capillaire en Phase Gazeuse). Nous avons opté pour une séparation par GC. Dans le cas des pesticides, les fournisseurs préconisent une colonne analytique de faible polarité. Ceci est tout à fait justifié pour notre étude car les composés choisis sont moyennement polaires.

Pour comparer et prévoir le comportement des colonnes capillaires, il est utile de calculer le rapport de phase β [Rouessac and Rouessac, 2004].

β = dc/4ef avec dc : diamètre interne de la colonne ef : épaisseur du film déposé

Pour des composés peu ou moyennement volatils, on choisira une colonne avec β > 100, ce qui est le cas pour la colonne sélectionnée (β = 320). Celle-ci est une CP-SIL 8 CB (30m x 0,32mm df=0,25µm ; composition 5% copolymère de diphényle et 95% diméthylpolysiloxane ; Varian). Notons que le gaz vecteur est l’hélium.

IV.1.3.b. L’injection

Dans le cas d’une chromatographie capillaire en phase gazeuse, il existe plusieurs modes d’injection et plusieurs types d’injecteurs.

Mode d’injection

D’après le protocole établi (Cf. Section IV.2.5), les échantillons se composeront de pesticides dilués dans une grande quantité de solvant organique. En telle situation, on procède généralement à une pré-concentration des échantillons par évaporation (évaporateur rotatif, sous flux d’azote). Cependant, cette étape est susceptible de générer des pertes de matière, de temps et de diminuer la répétabilité [Mol et al., 1995].

Une solution alternative consiste à travailler en injection grand volume (LVI : Large Volume Injection). A l’opposé d’une injection classique autorisant des volumes de quelques µ L, l’injection LVI permet d’introduire des volumes élevés d’échantillon : de 1 à 1000 µ L [Engewald et al., 1999]. La concentration des composés se produit au sein même du système analytique par élimination d’une grande partie du solvant. Tous les paramètres (température, débit, temps…) étant maîtrisés, cette « pré-concentration interne » présente une meilleure reproductibilité par rapport à une manipulation « externe ». L’injection LVI permet également d’abaisser la limite de détection (LD). Pour une même concentration de départ (avant

injection), une plus grande quantité de composés atteint le détecteur en mode LVI qu’en mode classique. L’injection grand volume présente donc des avantages certains dans l’analyse de traces.

Il existe deux principaux modes d’introduction pour l’injection LVI dont le principe est le suivant : les composés sont retenus dans une « chambre de rétention » pendant que le solvant vaporisé est évacué, puis les produits ciblés sont transférés dans la colonne analytique [Grob and Li, 1988 ; Bosboom et al., 1996].

 l’injection sur-colonne (OC : On-Column) : l’échantillon est directement introduit dans une pré-colonne de rétention,

 l’injection par élimination du solvant (solvent vent) : l’échantillon est introduit dans un injecteur complexe, le PTV (Programmed Temperature Vaporizing).

Les critères de choix entre les deux modes d’injection sont basés sur la pureté de l’échantillon, la volatilité et la thermolabilité des composés [Bosboom et al., 1996]. L’injection OC-LVI, simple et fiable, est préconisée pour les composés volatils et thermolabiles contenus dans une matrice propre. En effet, des impuretés à haut point d’ébullition peuvent rapidement encrasser la pré-colonne. L’injection PTV-LVI peut aisément analyser des échantillons « sales » mais est déconseillée pour des composés ayant un point d’ébullition proche de celui du solvant.

Les pesticides étudiés ne présentant pas de contraintes de volatilité (point d’ébullition très éloigné de celui du solvant) ou de thermolabilité et pour éviter d’éventuels problèmes avec la pré-colonne de l’OC-LVI, nous avons choisi d’utiliser une injection par élimination du solvant (PTV-LVI).

Injecteur

Le PTV est un nouveau type d’injecteur idéal pour effectuer des injections grand volume et dont les performances quantitatives sont bien meilleures que celles obtenues par splitless classique. A l’inverse des injecteurs classiques, il possède un corps ayant une faible inertie thermique autorisant des variations rapides de température. De plus, il est doté d’un système de contrôle précis de la vitesse de chauffage ou de refroidissement (Cf. Fig. IV.4) [Clay et al.].

Figure IV.4 : Injecteur PTV (phase 1 et 2)

Principe [Mol et al., 1995 ; Engewald et al., 1999] :

 Phase 1 : Injection : L’échantillon liquide est injecté dans le PTV à basse température.

La température initiale de l’injecteur doit être inférieure à la température d’ébullition du solvant à la pression régnant dans l’injecteur.

 Phase 2 : Evaporation : La température augmente rapidement à un degré suffisamment

élevé pour vaporiser le solvant sans vaporiser les analytes. Le solvant est éliminé par la sortie de split ouverte. La présence d’une valve chauffée à température fixe permet la répétabilité de l’injection d’un grand volume d’échantillon. Sans chauffage stable, le solvant pourrait se recondenser, ce qui aboutirait à la diminution ou à l’arrêt du flux. Les analytes sont retenus sur les parois du liner sous forme liquide.

 Phase 3 : Transfert : Une seconde rampe de température est amorcée en splitless (sortie

de split fermée). Les analytes sont rapidement vaporisés et transférés de l’injecteur PTV vers la colonne. Ils se recondensent alors en tête de colonne.

 Phase 4 : Nettoyage : La sortie de split est à nouveau ouverte, une troisième rampe de

température peut débuter permettant le nettoyage du liner des impuretés lourdes. Parallèlement, le four de la colonne analytique entame son programme de température afin de séparer les différents composés.

Gaz vecteur Sortie de split Refroidissement Chauffage Colonne capillaire Liner Aiguille de la seringue Valve de solvant chauffée Composés retenus sous forme liquide Solvant vaporisé Gaz vecteur Sortie de split Refroidissement Chauffage Colonne capillaire Liner Aiguille de la seringue Valve de solvant chauffée Composés retenus sous forme liquide Solvant vaporisé (150°C)

Il existe trois voies d’approche de l’injection PTV-LVI [Mol et al., 1995 ; Engewald et al., 1999] :

 injection unique (at once) : l’échantillon est introduit à une vitesse assez élevée selon le

principe décrit ci-dessus. L’élimination du solvant lors de son évaporation permet d’éviter l’inondation du liner. Les volumes d’injection peuvent atteindre 60 à 80 µ L.

 injection répétitive : les phases 1 et 2 de l’injection unique sont répétées plusieurs fois

consécutives avec de petits volumes d’échantillon (5 à 10 µ L). Puis la suite du processus est entamée (phases 3 et 4).

 injection en continu : l’échantillon est introduit à une vitesse théoriquement équivalente

à la vitesse d’évaporation du solvant. Un équilibre est maintenu entre le liquide injecté et la vapeur de solvant éliminée. Les étapes d’injection et d’évaporation (phases 1 et 2) ont lieu non pas successivement mais simultanément. Le volume injecté peut être de l’ordre de 1000 µ L.

L’injection unique, la plus simple à mettre en œuvre et la plus couramment utilisée, a été retenue.

Remarques :

 Choix du liner [Mol et al., 1995 ; Stan and Linkerhägner, 1996a ; Engewald et al.,

1999 ; Li et al., 2006] : Il existe une multitude de liners différents selon les composés à analyser et le type d’injection effectué. Le liner sélectionné, en verre, facile d’entretien, est adapté à l’introduction LVI de pesticides. Il possède :

 un large diamètre interne afin d’accueillir un grand volume d’échantillon tout en évitant une saturation du liner.

 une paroi inerte en verre dotée de callosités internes permettant la rétention des composés liquides pendant l’évaporation du solvant.

Ceci dit, le naphtalène étant très volatil, il a fallu utiliser un liner plus adapté constitué d’un matériau inerte et rempli de laine de verre. Cette dernière caractéristique permet une meilleure rétention des composés volatils pendant la phase d’évaporation du solvant.

 Choix de la seringue : Il est conseillé d’employer une aiguille à trou latéral pour

optimiser la projection et la fixation des composés sur les parois internes du liner. Par ailleurs, elle doit résister au solvant utilisé.

 Un passeur automatique d’échantillon a été ajouté à l’ensemble analytique car le mode « at once » requiert une injection très rapide (> 10 µ L.s^-1). Afin de s’affranchir de

contaminations liées à son utilisation, les flacons contenant les échantillons sont fermés par des septum constitués exclusivement de Téflon.

IV.1.3.c. La détection

La chromatographie gazeuse offre un large choix de détecteurs sensibles et sélectifs. Dans le cas des pesticides, composés fréquemment halogénés, le détecteur le plus sélectif est l’ECD (détecteur à capture d’électrons) [Stan and Linkerhägner, 1996a et 1996b]. Celui-ci est extrêmement sensible aux dérivés halocarbonés, mais la présence d’une source radioactive le soumet à une réglementation particulière. Le choix s’est porté sur le FID (Flame Ionization Detector), couramment utilisé pour la détection des composés organiques, notamment des pesticides. Considéré comme pratiquement universel, il détecte les liaisons carbone-hydrogène. Il présente généralement une bonne sensibilité et un grand domaine de linéarité. Succinctement, le principe consiste en un courant gazeux issu de la colonne et pénétrant dans la flamme d’un petit brûleur alimentée par un mélange d’hydrogène et d’air. Ce détecteur détruit l’échantillon dont la combustion produit des ions et particules chargées, responsables du passage d’un courant ionique extrêmement faible (10-12 A) entre deux électrodes. L’intensité du signal obtenu est sensible au débit massique de l’échantillon. L’aire du pic est donc proportionnelle à la masse du composé élué [Rouessac and Rouessac, 2004].