Brevet FR2520508A1 — publié le 19830729

EL RCTROCHROMATOGRAPHIE DIFFERENTIRLLE PAR EFFET DE CHAMP Â La présente invention consiste à déterminer gualitivexent et quantitivement tous les éléments chimiques on solution ou en suspension (Phase liquide ou gaseuse). b) Le principe consiste 9 soumettre l'échantillon dans un champ élso- trique et de ce fait, les ions en solution ou en suspention vont se ioniser et la polarité des ions déterminera leur sens de déplacement. La particularité de l'appareil eet de faire migrer les ions au travers d'un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique. o) La vitesse de migration des ions est proportionnelle à sa oharge électrique et au champ électrique et inversement proportionnelle å sa masse et au champ magnétique colle nous le démontrerons par la suite. Le champ magnétique b pour but de oréer une barrière aux ions ou aux particules, il fait offioe de support ou plus exactement de tamis ionique par effet de champ. Eh équilibrant d'une part le champ électrique et le champ magnétique d'autre parts on sélectionne les ions par oréa- tion d'une sone de pincement. o) La sélection des ions s'obtient dans un premier temps (le champ magnétique étant constant et à son maximum) en faisant varier progressi vement le champ électrique de O volt au maximum, à des temps déterminés par l'information. Dans un deuxième temps, le champ électrique étant constant et au maximum, on fait décroître le champ magnétique du maxi- mum à 0 gauss (toujours à des temps déterminés par l'information). f) La molécule oristallise suivant des séquences, l'état matérialisé n'est pas la molécule proprement dite, lais oet état de séquence. Il y a dono plusieurs état@ oristallisés qui d'ailleurs, le plue souvent, ne se distinguent pas par les moyens physiques ou chimiques actuels. Si l'état protidique est le plus représentatif, l'état minéral en est un exemple et les sels minéraux en sont le type.Si l'ionisation suffit à différentier les deux derniers, il n'en est pas de même pour le premier, et pour arriver à fractionner ce conglomérat protidique, il est indispensable de faire appel à dee hyperfréquence méthodiquement synchronisées et supperposées au champ électrique. g) Pour permettre une sélection graduelle, le noyan magnétique aura un profil interne tronoonique bilatéral sans pour cela atre symètrique. L'évasement en amont à pour but de freiner les particules ou molécules lourdes, ainsi que les ions fortement chargés, tout en permettant aux molécules plue légères et les ions moins chargés de traverser le champ magnétique. Nous assistons à un phénomène de déplection par effet de champ0 En ce qui concerne l'évasement aval les particules reçoivent du fait du champ électrique, et du champ magnétique à densité décroissante une accélération proportionnelle à leur charge électrique et inverse- ment proportionnelle à leur masse. h) On peut pratiquer une pré sélection, oe qui évite une condensation ionique à l'entrée du champ magnétique. Dans oe cas il faut effectuer une électrochromatographie préparatrice, celle ci s'obtient en créant en amont, un champ magnétique (dit secondaire), moins intense que le champ magnétique analytique (dit principal).La section S de la bobine d'induction du champ magnétique secondaire doit être plus petite que la longue L de telle façon que l'on puisse satisfaire à l'équation s Il H = L dans le cas du champ magnétique analytique la bobine d'induction doit satisfaire à l'équation s NI H = D 1) Le champ électrique est régulé par un système différentiel permet- tant@ainsi un accroissement successif (champ magnétique étant à son maximum) ; cette régulation étant elle même commandée par le passage des ions et ceci ayant lieu jusqu'au maximum d'amplitude.A ce stade, le phénomène inverse se produit au niveau du champ magnétique (le) champ électrique étant constant et à son maxisum) on assiste a une décroissance du champ magnétique régulé par un système différentiel, lui-même régulé par le passage dee ions. Champ électrique et champ magnétique sont convertis en signaux analogique numériques et mis en mémoire morte. i) En résumé : dans un premier temps nous avons auto-régulation croissante du champ électrique (champ magnétique constant et à son maximum) dans un deuxième temps auto-régulation décroissante du champ magnétique (champ électrique constant et à son maximum) k) La détection s'effectue successivement s 1 s par variation de capacité ; 2 : par absorption d'infra-rouge ; 3 : par absorption d'ultra -violet g 40 s émission par effet laser. Chaque type de déteotion est d'une part, mis em mémoire vive, pilotée elle même par une décade (La décade ayant pour but de coder et dwidentifier le contenu de la mémoire) et d'autre part converti en rigneux analogique numérique lesquels sueront mis en mémoire morte, ces derniers étant codés par les mémoires vives 1) Pour identifier un corp chimique nous nous trouvons en présence de six paramètres, à savoir : 10 s champ électrique 2 : champ magnétique 30 t effet diéleotrique 40 t spectre d'absorption I.R 5 : spectre d'absorption U.V. 6 : spectre d'émission par effet laser. m) Les deux premiers paramètres sont convertis en signaux analogique- numériques, puis mis directement en mémoire morte après avoir été codés. Les 3, 4 et 5 ème paramètres sont convertis en intensité et on quantité en signaux anologique numériques, puis mis en mémoire morte. Quant au 6ème paramètre, il a pour but de créer une émission par effet laser a lecture de celui-oi s'effectue en qualité, en quantité et on intensité par la lecture de son spectre, pour être oonverti à son tour en signaux analogique numériques avant d'être mis en mémoire morte. Les mémoires mortes sont codées par les mémoires vives. n) Les six paramètres avons nous dit sont mis en mémoires mortes et codées par les décades; ce codage permet de repérer les caractéristiques physiques du composé chimique, son identification appartient au décodage des 6 paramètres. A oe stade nous nous trouvons en présence de deux pos- sibilités t o) 1 t le premier cas consiste à étudier toutes les caractéristiques physiques des corps chimiques se trouvant en solution ou en suspention et ceci par des phénomènes de vitesse de migration (en fonction du champ électrique et du champ magnétique), le facteur diélectrique et les spectres d'absorption et d 'émission. Les paramètres précédents sont d'une part décodés pour être transorits on clair sur affichage alpha-numérique (vidéo ou imprimante) g ce premier décodage qui ne donne uniquement que les caractéristiques physiques, qualitivement et quantitativement est mis en parallèle à un deuxième décodage qui en déterminera les propriétés chimiques (oonposition qualitative et quantitative, fonotions groupements, mésomérie, isotope, liaisone) d'où l'on en déduit la structure atomique ou moléoulaire, laquelle est affichée sur terminal-vidéo. @) 20 t La douzième possibilité qui est d'ordre pratique, elle consis- te à comparer la mémoire morte du dosage à une mémoire morte d'un éta- lon. Cet étalon pouvant être connu par les méthodes physiques et ohiniques, ou mieux encore, par étalonnage à l'aide de notre appareil suivant suivant les investgations connues dans l'état actuel do nos connaissan- ces.Dans ce cas, tous corps anormalement augmenté ou anormalement di minué( suivant certaines tolérances ) ou anormalement présent, en dé séqilibrant le système, fera preuve d'un signal donnant ordre à un dé décodage puis à un affichage dans les mêmes conditions que dansle 1 cas, d'où l'on en déduit les éléments anormaux. Dans ce cadre, il se ra possible, après programmation et compte tenu des renseignements cli niques, d'apporter les diagnostics médicaux probables. q) Dans le but d'éliminer un corps volontairement introduit ou d'élimi ner un cas cliniquement connu, il est possible d'inhiber un ou plusieurs paramètres et d'intéroger à nouveau l'ordinateur dans les memes condi tions et dans le même but. B- ETUDE TH@ORIQUE SIMPLIFIEE DE L'@FFET DE CHAMP E@ dehors du champ magnétique, la vitesse de déplacement des ione obéit i la loi de STOK@S (1) s l'équation (1) comparable à la vitesse de l'électron dans le vide (2) et dans lequel t # - rayon de la partioule P viscosité du milieu F =force exercée par le champ électrique et dans ce cas parti oulier : F= ezh, dans lequel e= charge de l'ion, z@ valen ce,h= champ électrique; le produit ez = charge de la par ticule. il en résulte: b) démontrons que s est ma mobilité de l'ion ( H est connu, V peut être déterminé expérimentalement). a i posons s ez - Q et d'où m = #/# # représente la résistance ( équation équivalente à I= #/R ), Q est bien équivalent à E pui@qu'il représente la charge de l'ion, quant à m représente bien une intensité puisqu'il est le quotient d'une char ge et d'une résistance. La repréentation vectorielle est dono ( 1 et Q étant en phase, # est déphasé de # - 90 , cos#=# - 90 ) : de l'expression précédente il ressort que m.Q représente l'énergie potentielle de l'ion, équation similaire à s W = -/R = RI2 (7) ce qui vérifie bien le postulat précédent s b s oaloul de la résulante R @ o s Résistance apparentes la résistance apparente est donc par similitude ~~~~~ + (6ffi1 f)3 10 a s Calcul de l'angle l'anglez est égal à s -- ou = n Q (il) rt zizi tg &alpha; erprime donc bien la mobilité.Il en résulte donc que la mobilité de l'ion n'aura lieu que si tg > 1, ce qui implique : o) dans ces considérations l'ion ne serait qu'une sphère de rayon r évoluant dans un fluide, mais en réalité le phénomène est plus complexe, les molé cules se heurtent, l'agitation thermique du fluide tand à les disperser muquel 11 faut ajouter la résistivité offerte par le support. d) En ce qui concerne les colloïdes, le problème est encore plus complexe. En effet il se crée au contact des particules de colloïdes une couche é- lectrique fixée sur la particule et une couche électrique de signe oon traire qui serait formée par la fine pellicule qui enveloppe immédiatement. le signe des oharges est fonction des constantes diélectriques des subs- tance en présence; la substance qui a la constante la plus élevée se sechar- ge positivement, c'est ainsi que la pluspart des corps en suspention dans l'eau se chargent négativement. La d.d.p. entre la surface do la particule colloïdale et le pellicu- le liquide qui 1' l'enveloppe se détermine par s # = d.d.p. # = - vitesse de la particule en cm/s # = viscosité K = Constante diélectrique X I gradient du potentiel e) On appelle potentiel électrocinétique la d.d.p. qui existe entre la cou- électrique fixée sur la particule et les régions lointaines de l'électrolute. C Action du champ magnétique : Dans le champ magnétique les ions ou les particules sont soumis à la règle de Maxwell. Si est le champ magnétique et es la charge de l'ion ou de la particule, celle-ci est soumise à un force P définie par la relation t F = es dont la direction est perpendiculaire à et le sens est donné par la règle d'ampère.Pour qu'il y est déplaocement de la molécule, il est in dispensable que la force centripète soit supérieure à la force centrifu- ge@xercé par le champ , ce qui implque : dans lequel : @ = perméabilité du noyan n = nombre de spires I = intensité S = surface moyenne # = longueur de la bobine ( connaissant et H on détermine expérimentalement ez ). Dans le cas qui nous intéresse deux possibilités sont à considérer : b) 1 : v est très faible devant F: n en résulte que le rayon de courbure est limité par la colonne élec- trochromatographique, la résultante de oe mouvement de translation et du mouvement de rotation est un mouvement hélicoïdal, dont le pas h est égal à : en réalité aux abords de la paroi de la colonne se crée une couche électrique qui tend à s'opposer à l'approche des ions, si bien que le diamètre de l'hélice est inférieur è D La projection vectorielle du diamètre de l'hélice et la distance parcourue pour faire un cycle complet, notas donne le pas recherché (15).D'autre part, si t est la durée d'un cycle nous avons s OB= t (16) OB= 9 (17) 08=(2/ Co D .B;,P =DC P (rg) df PB e= (18) (is) A B~ D ,u (19) d' 4ù AB i d'ah r distanoe oa ~~~~~ = cB 667D (20) vitesse tr Het C03 par ailleurs, dans le temps t, AB = Dcos ss t, soit: de cette expression on en déduit que si sinss= O,h =0 ; il en résulte que la particule ou l'ion échappe au mouvement de translation et de ce fait, reste immobile ou plus exactement elle n'avance pas dans la colonne. . Qo (22) pour ein gn 450 sh = 6 6 9 ,} } (22) pour sin2- gO b,, hw s (23) o] 20 cas ou r' n'est pas négligeable devant , ou ce qui revient au même t lorsque est faible par rapport eu diamètre de la colonne nous avons la relation d'où r' = si nous comparons cette dernière relation avec (4) nous remarquons que r' présente une similitude avec m (mobilité) à la différence près tout au moins, c'est que r' est proportionnel à 6# # # # et inversement proportionnel à ez (contrairement à m) L'équation (25) peut se mettre sous la forne s dérivons par rapport à ainsi le rayon r' est une fonction hyperbolique décroissante par rapport à directement proportionnelle 6## # et inversement proportionnelle à ez (contrairement à la mobilité), c'est ce que laissait prévoir le pincement par effet de champ. D DESCRIPTION DE LA CO@ONNE ET DE SES ACCESOIRES L'appareil se compose d'un tube capillaire de un mm de diamètre in- térieur et de un mètre de long ( y compris cellules de lecture et cuves) ê chaque extrémité se trouve un bac servant å reoevoir l'électrolyte. b) Au milieu du tube capillaire est située une cuve on forme de T renversé (@)( fig. 1 ), fermée C ses extrémités latérales par une paroi se- mi perméable et réunie au tube capillaire par des rodages sphériques normalisés. Dans certains cas ( solutions colloïdales et en partioulier solutions protidiques ) la cuve doit entre légègement excentrée vers le pale positif. c) L'ouverture supérieure a. la cuve est destinée à recevoir l'Cohantil- ion. Les dimention de la cuve sont calculées de telle fanon que sa partie longitudinale renferme la totalité de l'échantillon. La prise d'essai d'un échantillon pouvant varier d'un type d'analyse à un autre. a) A douze centimètres, et do chaque côtés a. la cuve, se trouvent les bobines d'inductions magnétiques cuirassées et munies d'ailettes de refroidissement. Les noyaux des bobines d'inductions ont une forme in- terne tronconique bilatérale et tbte bêche par leur sommet; les sonnets étant dans l'axe do symétrie vertical de la bobine ( Fig. 2 représente un noyau asymétrique ). e) A huit centimètre du champ magnétique, et en allant du champ zagnéti- que au bac pour électrolyte,se trouvent les électrodes pour déterminer les variations de capacités, et å chaque intervalles régulières de 8 os sont fixées successivement une cellule perméable aux rayons infra-rouges, une cellule perméable aux rayons ultra violets, une cellule émissive pour effet laser et un bao pour électrolyte. f) Les cotes de la colonne oi dessus ne sont données qu'à titre d'exem- ple type. De toute façon, la colonne et tous ses accessoires sont amo- viblea, interchangeable et à des dimenssions compatibles avec l'analyse b effectuer. La figure 1 ( échelle x2 ) est un exemple d'une cuve ayant une capacité de un millilitre, dans les conditions décrites ci-dessus. R E V E K D I C A T I O N S I. dispositif électrochromatographique constitué par un tube capillaire dont les extrémités plongent dans un bac pour électrolytes (7), vers sa partie média ne est situéeune cuve (1) pour recevoir la substance à analyser qui sera soumise à un champ électrique; dispositif caractérisé par le fait que le passage des particules est régularisé par un champ magnétique (2) perpendiculaire au champ électrique, les particules migrant de part et d'autre de la cuve sont détectées, 10: par une cellule pour l'étude de la variation de capacité (3), 20 une cellule pour l'étude da spectre d'absorption aux rayons infra-rouge (4), 30: une cellule pour l'étude du spectre d'absorption aux rayons ultra- violets (5), 40; une cellule pour l'étude du spectre d'émission par effet laser (6). 2. Tube capillaire suivant la rezvendication 1 caractérisé en ce que le champ électrique, à amplitude croissante, est auto-régularisé (8) par le passage des particules et dont l'amplitude maximale en pallier, fait basculer le régulateur différentiel (8) vers la décroissance du champ magnétique (2) qui, jusqu'à présent nt était maintenu constant à son maximun d'intensité. 3. Tube capillaire suivant les revendications 1 & 2, caractérisé par le fait que les bobines d'inductions magnétiques (2), situées de chaque côtés de la cu ve (1) ont une intensité de champ magnétique, dont la décroissance commandée par le basculement du régulateur différentiel (8) est auto-régularisée(8) par le passage des particules.