Cours de Chimie Analytique

Cours de Chimie AnalytiqueJean-Luc Vialle jluc.vialle@gmail.com 2009-2010ObjectifsMaitriser les techniques utilises dans les domaines:- De lagroalimentaire (lipides, glucides, protides)- Connexes la production (environnement, culture, levage)Approfondir quelques techniques majeures et discriminativesSommairePanorama des techniquesLa Quantification et lEchantillonnageLa ChromatographieLHPLC et La CPGL Absorption Atomique et L Absorption MolculaireDroulement - Contrle5 Interventions: Cours 1,5 TD + 0,5 TD Projet1 Projet (TP)1 contrleClaroline: Chimie AnalytiqueDocuments (cours + Power-Point)Forum (Questions)

Chapitre N1Panorama des techniques analytiquesSommaireIntroductionLes environnements Recherche, R&D, ProductionContraintes des analysesPersonnel, Matriel, Normatives, EconomiquesClassifications des techniquesProprits, Etat, Seuil, CiblesI) IntroductionObjectifs:Adquation entre unproduit et un cahier des charges et/ou une lgislation.Moyens:Quantifications +/- prcises de diffrents paramtresParamtres:Sensoriels, Physiques, Chimiques biologiqueslis la matrice, la molculeReprsentativit: Analyse, Echantillonage, Extraction, Conservation.Adaptation de la mthode au rsultat attenduCiblage des paramtres en fonction des objectifs et de lenvironnement- Recherche- Recherche et Dveloppement- Production

11 Lenvironnement RechercheObjectifs:Structurale / EvolutionMots Clefs:Lis au produitNature, Origine, Matrice, Etat, PuretMoyens:Techniques Lourdes disponibles en Centre de Recherche ou en externalisation

Obligations de moyens: Pas / peu de contraintes conomiques et temporelle12 Lenvironnement R&DObjectifs:Quantification2 phases:Centre sur le produit + Niveau de dtectionTransposition en production : Contraintes normativesMoyens plus softsTechniques globales / discriminatives13 Lenvironnement Production3 mots clefs:Simplicit - Dure - CotNouvelles contraintes:Obligations - Rfrences - Externalisation - QualificationTechniques mises en uvre : Lies la valeur ajoute du produit:Faible GlobaleEleve DiscriminativeII) Contraintes des analysesLies au personnelLies au matrielLies aux mthodesLies laspect conomique et laspect dlai21 Personnel comptentProduction : Faibles comptences Analyses simples (globales) AutomatisationLaboratoire danalyse: Niveau de comptence + lev Analyses discriminativesAutomatisationLaboratoire de recherche: Niveau de comptence trs lev Interprtation des analyses22 Contraintes matriellesCot dinvestissement:- Routine (Production) : 15.000 Euros- Analyse discriminative: 15.000 Euros par ligne danalyse- Analyse structurale: Quelques centaines de milliers dEuros par technique.Cot de fonctionnement et de maintenance23 Contraintes Normatives et LgalesNormes ISO, Afnor, Din, Asaefont rfrences et sont incontournables si obligations lgalesMthodes officielles:AOACpallient labsence de normesMthodes interprofessionnellesEx:Test de sdimentation de Zlny,saccharimtrique dans lindustrie sucrire, MS chez la pomme de terre.Mthodes internes (propres lentreprise)24 Contraintes conomiques et temporellesLies laspect lgal ou marketting de lanalyse.Lies limpact sur la production (Immobilisation)Internalisation / Externalisation de lanalyse Impact sur le dlai et sur le cotLies au volume dactivit de lentreprise et la valeur ajoute de la productionC < 15 Euros , D < 3 joursMS, pH, Gravimtrie, Brix, tests simples15 < C < 50 Euros, D < 3 joursTitrimtrie, Complexiomtrie, AA, Absorption molculaire100 > C > 50 Euros,D < 3 joursTechniques chromatographiques internalises, simplesC > 100 Euros, D > 1 semaineAnalyse thermiques, structurales, analyses chromatographiques externalises

III) Classifications des techniquesSelon les proprits du solut (matrice).Selon le caractre destructif.Selon ltat de la matire.Selon le seuil de dtectionSelon le caractre discriminant de lanalyseSelon la cible vise dans la molculeProprits du solut (matrice)Chimiques et biologiques - Physiques - Mcaniques - Thermiques - Optiques - Electriques - Magntiques - Physico chimiques - Energtiques - FragmentationCaractre destructif / non destructifMEB, RX, RMN du solide, Near FTIREtat de la matire: S, L GSeuil de dtection:0,1% (1000 ppm)Titrimtrie - Thermiques - IR - RMN - Gravimtrie1 ppm: AA, AM , Chromatographie

Global / Discriminant: Titrimtrie / Sparatives Classification selon la cibleMolcule = atomes et ou de groupes fonctionnels lis entres eux par des lectrons.Atome = noyau + lectrons Proprits physiques , chimiques +/- spcifiques et des Proprits physico-chimiques spcifiques Techniques SparativesPossibilit de la casser par apport dnergie mcanique (chimique) analyse lmentaire , Spectromtrie de masse.Possibilit de modification de la molcule par apport dnergie sous forme thermique ATD, ATG, DSC, FusionPossibilt daction sur les molcules et ses atomes constitutifs par apport dnergie sous forme lumineuseE = h = hc / En fonction de lnergie apporte, on agit sur des cibles diffrentes: SAA, IR, Absorption molculaire onde et ondes radio3 106 nmModification de la matriceInfra-Rougede 2500 1000 nmVibration des atomes constitutifs des liaisonsVisiblede 800 400 nmExcitation des electrons constitutifs des liaisons (les plus mobiles).Excitation des electrons atomiquesUVde 350 200 nmExcitation des lectrons constitutifs des liaisons (les moins mobiles)RX et rayons < 3 nmArrachage des electrons constitutifs

Chapitre N 2La quantificationSommaireIntroductionLes calculs dincertitudesLes mthodes AbsoluesMethodes directesDosages chimiquesLes mthodes comparativesEtalonnage interne et externeLes ajouts dossConclusionI) IntroductionAnalyse = QuantificationStructurale = IdentificationRappels sur les incertitudesIncertitudes absolues n xIncertitudes relatives x /x

II) Les mthodes absoluesMesure de paramtre physiquesExemple Taux de cendres NF V 18-101Mthodes bases sur lapplication dune loi simpleExemple ; Lamidon (3me directive du JO du 23/11 1980)Mthodes bases sur des ractions chimiquesAcido-basiqueRdoxComplexiomtrie - Prcipitation

Conservation du nombre dquivalents changsMthodes point finalMthode directe: (NF T 60-204)Mthode en retour (NF V 18-100)III) Mthodes comparativesEtalonnage externe

Etalonnage interne

Mthode des ajouts doss31 Etalonnage externePas de dpendance dun facteur extrieur

Application au dosage du phosphore soluble dans les terres (NF X 31-161)EtalonnageExploitation des rsultatsAvantages et inconvnients32 Mthode de ltalonnage interneDomaine dutilisationPrincipesApplication lanalyse des FAME (NF T 60-234)Avantages et inconvnientsChoix de ltalon interne33 Mthode des ajouts dossAnalyse de traces

Application en absorption atomique

Application en chromatographie

Avantages et inconvnientsChapitre N 3Introduction laChromatographieSommaireIntroductionAspect thermodynamiqueAspect cintiqueFacteurs lis la chromatographieI) IntroductionTechnique sparativeDualit Analytique / PrparativeLi la valeur ajouteLes diffrents tats de la matiresolide liquide gaz critiqueClassification des techniques sparatives - Suivant les forces mises en jeu - Suivant ltat de la matire

Un peu dhistoireKhrmatos = CouleurGraphikos = Trac1903Tswett: CaCO3 Colonne ouverte1940Martin et Synge : Thorie de la partition1950Snyder: Thorie de ladsorption1950Martin et JamesCPG1960CCM1970HPLC et phase inverse1975CPG Capillaire1985HPLC en phase supercritiqueGlossaireSolut:Espce sparer / doserSolvant:Solubilise le solutEluant:Phase mobileEluat:Phase mobile (+ solut)Phase stationnaire:Phase immobilise dans le systme chromatographique

Schma dun chromatographeRserveEluantSystme de MobilitInjecteurPasseurGradientSparateurMicro ProesseurDtecteurTraitement du signalCollecteurClassification des techniques chromatographiquesSuivant la technologie:Surface / VolumeSuivant la nature des phases:Phase mobile:Liquide ou Gazeuse(Critique)Phase stationnaire:Solide ou Liquide immobilisRcapitulatifPhase MobilePhase StationnaireTechnologieApplicationPrincipeGazLiquideVolumeCPGG/LPartageSolideCPGG/SAdsorptionExclusionLiquideSurfaceCCML/LPartageLiquideVolumeHPLCL/LPartage

SolideSurfaceCPL/SAdsorptionExclusionVolumeLC, HPLCL/SAdsorptionExclusionII) Aspect ThermodynamiqueThorie des plateauxUn solut P qui se distribue entre les deux phases stationnaire et mobile = EquilibreK = [P]stat / [P]mobK varie avec la force des interactionsObjectif:Multiplication du nombre dquilibre : nEcoulement discontinu ; 1 plateau = 1 quilibrey = fraction de P (stat) et x = fraction de P (mob) k = y/x = cstex + y = qo = 10123..pn-2n-1nEvolution du solut PInjectionn012n - 1nStat.100Mob.000Equilibren012n -1nStat.yMob.xTransfertn012n - 1nMob0x0Staty00Equilibren012n -1nMobxyxstatyxyTransfertn012n - 1nMob0xyxStatyxy0Equilibren012n -1nMobxy2xyx3Staty32xyxyGnralisationAprs n transferts:Le solut se disperse suivant une loi du type (x + y)nFacteur de capacit:k = y / x Grandeur caractristique dun solut dans un systme chromatographique donnQnp = f(n,p, q0)Equation dune GaussienneCourbe maximumAprs n transferts, la phase mobile a parcourue une distance ln et lextrmum se situe une distance lp tel quelp / ln = 1 / (1+k)

Soit en terme de vitessevp / vn = 1 / (1+k)Soit t = CsteOn mesure lSurfaceSoit l = CsteOn mesure tVolume

Quelques grandeurs fondamentalesTemps de rtention:Apparition de lextrmumTr = T0 (1+k)Temps de rtention nulle:Solut non retenuT0RfRf = lp / l0

Efficacit : N= Nb de plateaux thoriquesHEPT:H = L / NSparation de plusieurs solutsSlectivit = k2 / k1Traduit la diffrence daffinit pour 1 et 2

RsolutionRsTraduit la sparation entre deux pics chromatogaphiques

III) Aspect CintiqueEcoulement Continu : Dformation des pics:Transfert de systme chromatographique et Transposition:Notion de grandeurs rduites (l, h et vitesse rduite)

Si l, h et la vitesse rduite sont constant,N est constantMcanismes de DispersionKnox (HPLC)etVan Dempter (CPG)

H = A + B / u + C uA = Anisotropie dcoulementB = Diffusion longitudinaleC = Rsistance aux transferts de masseU = vitesse linaire de la phase mobileOptimisationIV) Facteurs lis la chromatographieLa temprature:Fondamentalk est fonction de TSi T augmentek diminueLa composition de la phase mobile (HPLC - CCM)Le dbit de la phase mobile (u)Loi de Darcy:Perte de charge dans un coulement travers un tube rempliChap N4 La CPGSommaireIntroductionLes phases stationnaires en colonne remplieTransposition colonne remplie / colonne capillaireLinjectionLa dtectionLa drivatisation

I) Introduction1re technique dveloppe ds 1950Simplicit de mise en uvreRapidit des analyses complexesMatriel disponible et peu onreuxNombreuses applications :NF T60-234FAMECarbowax 20 MDB 20F.I.DNF T60-237BHA et BHTDC 200CP Sil 5F.I.DNF T90-120PcB et Organo-chlorsOV17DB5ECDNF T90-121Atrazine et SimazineDB5Thermo ioniqueNF T90-125COV halognsCarbowax 1500CPSil 5ECD

Nombreuses autres applications- Gaz Permanents PorapakCatharomtre- Solvants rsiduels Composs volatils - Rsidus dincendies Armes Huiles essentielles.II) Les phases stationnaires en colonne remplieColonne remplie = Tube + Support + Phase Liquide Imprgne (Solide)

Tube:2 m 1/8me InoxSupport:DiatomesP, W, G Granulomtrie 80-100 mesh (175-150m)Pertes de charge faibles (1-2 bars)Taux dimprgnation 10 - 30%Traitements: Tamisage, AW, TMCS21 Les phases stationnairesLes hydrocarbures ramifisrfrence : Polarit nulleLes Polysiloxanes et polysiloxanes substitus:R = CH3, Phnyl, CyanopropylPolarit trs faible (DB1, 100% de CH3) trs forte (CP Sil 88, 100% de cyanothyl)Rfrence en capillaireLes polythylnes glycols (carbowax 20M, FFAP..) quivalence CP Wax, DB 20Les Polyesters: Polarits intermdiaires et fortes (DEGS, EGA.)

Les AdsorbantsTenax, Carbopack, Tamis molculairesClassification selon la polarit Equivalence entre remplie et capillaire22 Les indices de KovatsSrie homologue:log10 Tr = an + b

Notion de droite de similitude:- Prdiction de la rtention- Approche didentification

Application la srie des n alcanes- Notion dindice de rtention23 Classification suivant la polaritConstantes de Mac Reynolds Rohrschneider

1 phase de rfrence : Squalane P = 05 soluts de rfrence:BenzneXn ButanolYMeCOPr ZNitropropaneUPyridineSCste de Mac Reynods = Diffrence dindice de rtention du solut entre la phase et la rfrencePolarit = Somme des cstes de Mac Reynolds des cinq soluts(Existence de 3+2 autres soluts rfrences)

ExemplesPhaseXYZUVSommeSqualane000000SE 301553445441217OV 17119158162243202884FFAP3405903976026272546OV 275666100189511771099483824 Choix raisonn des phases stationnairesClassification des soluts en 5 catgoriesLies la polarit

Classification des phases en 4 catgoriesLies la polarit

Associations par catgories:- Apolaire Apolaire- Polaire Polaire- Moyennement polaire Moyennement polaireIII) TranspositionColonne Remplie / Colonne CapillaireRemplieCapillairePhasesVariesVaries (mais + restreint)LongueurPerte de charge2 m1 bar / m10 - 100 m1 bar / 50 mDiamtre1/8 1/4 0.32 et 0.25 mm0.53 et 0.1 mmClassificationColonnes de Golay:- COT et WCOT : Wall Coated Open Tubular - SCOT : Support Coated Open Tubular- PLOT : Porous Layer Open Tubular- Micropacked ColumnsPermabilit k importante : Efficacit importante et vitesses linaires importantes soit tr faiblesB = VG/VL2 10 x suprieur / remplieB= dc / 4efet tr = t0 (1 + K / B)

Si B augmente : tr diminue ; possibilit de diminuer la tempratureB lev: Analyses rapides : substances lourdesB faible: Substances volatiles

Epaisseur du film: De lordre du micronTr augmente en f(Log e) e x 2 = Tr (-15)Films minces et films paisFilms Minces:0,15 < e < 0,5 mAvantages:Meilleures performancesRduction du temps danalysePossibilit danalyse de composs lourdsInconvnients:Charges + faibles : restreint la possibilit danalyse de traces- Interactions avec la surfaceFilms Epais:e > 1 mAvantages:Analyses de traces Analyses de volatilsInconvnientsPb de Bleeding (e > 5m)Diamtre: Wide Bore = RemplieNarrow bore: Analyses courtes : Couplage GC / MSIV) LinjectionColonne remplie:Injecteur SeptumVolume inject: 0,5 1 lGaz : 100 l 500 lHead-Space (Statique et dynamique)Colonne capillaires:Charges + faiblesUtilisation de diviseurs- Split / Splitless- On column- Injecteur de verreV) La dtection2 classes de dtecteurs:I : Rponse proportionnelle la concentrationCatharomtre, E.C.DII : Rponse proportionnelle au dbit massique:F.I.D , N.P.DSlectivit : Universels / SpcifiquesQuantit minimale dtectable : variable de (1-10 ng) TCD0,1 pg ECD(30-100 pg) FID Catharomtre:Pont de Wheastone(I)UniverselGaz permanents

F.I.D:Combustion(II)Universel (sauf incombustibles)Notion de Make-up

E.C.DCapture dlectrons (I)Spcifique:Drivs Halogns

N.P.DThermoionique(II)Spcifique:Drivs N et PVI) La drivatisationObjectifs:Volatilisation des espcesAmlioration des analyses (traines de pic)Amlioraion des rsolutionsMthodes:Estrification : Diazomthane, BF3/CH3OHSilylation : TMCS / HMDSobtention dthers, desters silyls volatils: Pb H2OChapitre N5La chromatographie LiquideLadsorptionLe PartageSommaireLa chromatographie dadsorptionThorie de SnyderFacteurs lis la phase stationnaire, la phase mobile et le solutLe GreffageLa chromatographie en phase inverseLa chane chromatographique

I) IntroductionLe dosage de laflatoxine B1 dans les aliments pour animaux (NF V 18-200)ExtractionLiquide / solide au CHCl3PurificationColonne ouverte de gel de silice (50-200 m) conditionne dans CHCl3 Lavage ltherDsorption avec CHCl3 / CH3OH (97/3)Chromatographie Monodimensionnelle sur silice: Phase mobile: CHCl3 / Actone (90/10) Ether / mthanol/ eau (96/3/1)Lecture visuelle / FluorodensitomtriqueII) La chromatographie dAdsorptionSupports solides polaires: SiliceCaractre acideAlumineCaractre basique

Utilisables en CCM, HPLC, colonne ouverte

Principe:Formation de liaisons H entre le support et le solut. (interactions)Phases mobiles : peu polaires

Applications analytiques: Fonctionnalits DiffrentesIsomresSoluts peu et moyennement polaireApplications en extraction (purification)Fixation des espces plus polairesOrdre dlution: suivant lordre de polaritFaible cot Pb de la phase mobile21 Mcanismes dadsorptionAdsorption / dsorption en surfaceEquation de Snyderlog k = log Va + B*(E - As ) + log (Wa/Vm)k = facteur de capacitPhase stationnaire:Va, Wa et Vm , B*Phase mobile:B* , Solut:As et E

Facteurs lis la phase stationnaireVa, Wa et VmLis la taille des particules et au remplissagePeu dactionsInfluence la transposition Surface / volumeB*Etat dactivit de ladsorbant (0