Brevet FR2584820A1 — publié le 19870116

- 1 - Procéde et appareil de détermination des points finaux dans une analyse titrimétrique par injection en écoulement La présente invention concerne un nouvel appareil et un nouveau procédé améliorant l'analyse titrimétrique par injection en écoulement. Le besoin en procédés et appareils d'analyse chimique précis et reproductibles va toujours en croissant dans les domaines de la médecine, de l'agriculture et de la pharmacologie. En réponse à ce besoin, on a construit une certaine diversité d'analyseurs. Pour chaque nouvel analyseur, on a constamment mis l'accent sur la réalisation d'un appareil qui accroisse la capacité de l'analyse et qui réduise le nom- bre des opérations requises dans le processus d'analyse. On a construit des analyseurs à injection en écoule- ment dans le but de respecter ces besoins. De tels analyseurs sont des instruments capables de détecter les caractéristiques et les constituants d'un échantillon injecté dans une solution en écoulement continu. L'analyse par injection en écoulement est basée sur un système d'analyse capable de former un gradient reproductible de l'échantillon dans un écoulement de réactif, qui soit détectable sous forme d'une courbe de gradient On utilise des mesures effectuées sur cette courbe résultante du gradient pour déterminer les caractéristiques et les constituants de l'échantillon. Un nouveau domaine dans la technique d'analyse par injection en écoulement est la volumétrie par injection en écoulement (VIE) qui combine les meilleures caractéristiques de l'analyse par in- jection en écoulement avec les techniques de la volumétrie. La VIE est basée sur le titrage qui est la détermina- tion volumétrique d'un constituant dans un voluime connu d'une solution, en ajoutant lentement une solution de réactif standard d'un titre connu jusqu'au terme de la réaction. Le terme de la réaction est fréquemment indiqué par un virage de couleur (indicateur) ou un changement electro- chimique dans la solution. On a mis au point la VIE pour fournir des systèmes d'analyse rapides, simples, fiables, universels et précis en vue d'applications dans l'automatisme industriel. Différente des autres techniques d'analyse par injection en écoulement, la VIE est basée sur - 2 - les mesures de la largeur de pic plutôt que sur la hauteur de pic. Contrairement aux autres techniques d'analyse par injection en écoule- ment, la VIE utilise une dispersion d'échantillon importante afin de créer un gradientde concentration étalé sur le temps. La largeur de ce gradient de concentration est proportionnelle au log de la concentra- tion de l'échantillon. Ce gradientde concentration est connu sous le nom de gradient exponentiel de concentration". Ce gradientexponentiel de concentration est le gradientde concentration à l'intérieur de la chambre de mélange au cours de l'analyse par injection en écoulement. Le principe du titrage à point unique utilisant les techniques d'analyse par injection en écoulement a été décrit pour les systèmes acide/base dans l'article de Ove Rstrom "Single-Point Titra- tions" que l'on trouve dans Analytica Chimica Acta, 105 (1979) 67-75. o La méthode de Astrim pour un système titrimetrique à point unique pour des acides et des bases utilise une cellule de réaction constituée d'une électrode de référence, d'une électrode en verre, d'une bobine de mé- lange de 300 cm de long et d'un tuyau flexible d'injection en teflon. On ne peut exécuter qu'une seule analyse en utilisant la cellule de réaction avec des électrodes de détection. On a ressenti depuis long- temps un certain besoin d'un système d'analyse à double action. Des analyseurs de trace multi-éléments utilisant une analyse en écoulement continu non segmenté onL été décrits dans "Cor- respondence", Analytical Chemistry, Vol. 50, N 4, (1978) 654-656. Toutefois, cette technique d'analyse n'est enseignée que d'une manière tout a fait générale. Cette analyse de trace multi-élé1ments utilisant un écoulement continu non segmenté pour les composes que sont le (pyridyl-2 azo)-4 résorcinol (PAR), le plomb (II) et le vanadium (V) est colorimétrique plutôt que titrimétrique. On n'a pu trouver aucun enseignement particulier concernant une analyse de traces multiélémenrits utilisadnt la VIE, plus particulièrement pour des systèmes caustique/ carbonate. L'appareil utilisé dans l'analyse de traces multi- éléments comportait géneralement une cellule de réaction, un instrument de mesure et un enregistreur ou un ordinateur, voir "Injection Tech- nique In Dynamic Flow-Through Analysis With Electroanalytical Sensors" par Pungor et autres paru dans Analytica Chemica Acta, 109 (1979), 1-24. - 3 - Cet appareil n'a pas été capable de servir t la fois de cellule de réaction et de cellule de détection pour une VIE a points finaux inulti- ples. La présente invention vise à fournir un tel instrument et une technique VIE associée. Des méthodes connues d'analyse ont utilisé des modes opératoires d'analyse discontinue pour détecter les points finaux d'espèces titrables indépendamment dans des réactions caustique / carbonate. Une technique discontinue, telle que décrite dans Scott, Standard Methods of Chemical Analysis (5ème Ed., p. 2256), une déter- mination à double point final est effectuée pour un rmelange d'hydroxy- de de sodium et de carbonate de sodium (a) en titrant à l'acide sul- furique jusqu'au pointdeviredela phénolphtaléine (NaOH conwertie en NaHSO4 et H20; Na2CO3 converti en NaHCO3) et_(b). en continuant de titrer a l'acide sulfurique jusqu'au point de vage d i 'hélianthine (NaHCO3 converti en NaH14, C02 et H20). Toutefois, ces techniques dis- continues présentent de nombreux inconvénients étant donné qu'elles ne sont pas susceptibles de mesures quantitatives continues, ni d'une analyse de titrage continu. Les titrages discontinus doivent être in- terrompus périodiquement et les récipients de réaction doivent être nettoyés après la fin de chaque réaction. Cette technique connue a nécessité un temps prolongé d'analyse pour obtenir les résultats re- quis. En conséquence, il existait le besoin de déterminer des points finaux multiples d'espèces titrables indépendamment dans un type non discontinu, à écoulement continu, de système de titrage. Des techniques connues d'analyse par injection en écoulement continu ont été mises au point pour un titrage acide-base en écoulement continu comme décrit dans J. Ruzicka et E.H. Hansen, Flow Injection Analysis, Wiley-Inter-Science Publication, (Chemical Ana- lysis, Vol. 62), 1981. Un problème présenté par le système Ruzicka à canal unique réside dans le fait que les résultats étaient limités à l'ana- lyse d'un seul constituant. Pour surmonter ce problème, Ruzicka et Hansen ont mis au point un autre système de titrage, décrit dans "Recent Developments in Flow injection Analysis: Gradient Techniques and Hydrodyriamic Injection", Analytica Chimica Acta, 145 (1983), 1-15. Toutefois, ce système de titrage a points finaux multiples en écoule- -4- ment continu est limité a un enseignement concernant un titrage acide- base a constituant unique. Plus particulièrement, les auteurs ont mis l'accent sur le titrage de l'acide phosphorique par l'hydroxyde de sodium 1 x 10-3 M, et ils ne s'intéressent pas à un système, à points finaux multiples, d'analyse par injection en écoulement à constituants multiples. Encore une autre technique titrimétrique par injec- tion en écoulement a été enseignée dans le brevet US n 4 283 201 aux noms de DeFord et autres, dans lequel un agent de titrage est amené a deux circuits parallèles permettant la communication des fluides. Cet enseignement de DeFord fournissait un procédé et un appareil pour la VIE qui utilisaient plusieurs courants de réactifs, des analyseurs et un appareil de détection pour détecter plusieurs points finaux-d-un- échantillon complexe. Cet enseignement n'a pas satisfait tous les be- soins des doriaines médicaux, pharmaceutiques et agricoles en ce qui concerne l'appareil d'analyse. Il existe le besoin d'un procéde d'analyse par injection en écoulement qui fournit des données con- cernant plusieurs points finaux en exigeant un appareillage plus ré- duit et moins de temps que l'enseignement de DeFord. On a depuis long- temps eu besoin d'un procédé et d'un dispositif pour effectuer des titrages a points finaux multiples en une analyse unique. La présente invention vise à aller au-delà de ces enseignements et présente un procédé de VIE a points finaux multiples de type non linéaire, pour plusieurs espèces d'échantillon. La présente invention fournit un appareil et un pro- cédé qui soient capables de détecter les points finaux pour des espèces titrables indépendantes dans une réaction en écoulement en continu du type non discontinu, plus particulièrement pour un système de titrage caustique/carbonate. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de détermination des points finaux de titrage d'au moins deux espèces titrables indépendantes, par analyse par injection en écoulement, d'un échantillon unique, comprenant les opérations consis- tant: à fournir un courant d'un porteur, a introduire un échantillon à composants multiples - 5- dans ce courant de porteur, à faire s'écouler l'échantillon dans une chambre de mélange et de détection sous un débit défini du porteur, à former un gradient exponentiel de dilution à l'intérieur de la chambre de mélange et de détection, à titrer, dans la chambre de mélange et à l'aide d'un réactif unique, chaque espèce du mélange formé par l'échantillon, pour une série de points finaux, et à déterminer la concentration de chaque espèce de l'échantillon dans la chambre de mélange en établissant une relation entre la durée de titrage de chaque espèce jusqu'à un point équivalent. Le procédé comprend l'opération consistant à utiliser au moins deux réactions de neutralisation acide/base pour obtenir plu- sieurs points finaux. En variante, le procédé de l'invention peut en outre comporter l'opération consistant à utiliser au moins deux réactions de réduction ou d'oxydation pour obtenir plusieurs points finaux. L'invention a également pour objet un appareil de détermination des points finaux de titrage d'au moins deux espèces titrables ind6pendantes, par analyse par injection en écoulement, comprenant: une cellule de mélange à double chambre présentant une chambre principale munie d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie, un pièce à gaz pour recueillir des bulles formées au cours du mélange du fluide dans la chambre principale, et un détecteur disposé dans la cellule de mélange au voisinage du piège à gaz afin de détec- ter les points finaux d'espèces titrables indépendantes, des moyens de détection disposés à l'intérieur de la cellule de mélange, et des moyens de mélange disposés à l'intérieur de la cellule de mélange pour mélan- ger les fluides pour ne produire seulement qu'un écoulement turbulent dans la cellule de mélange. La figure 1 est un schéma du mode préféré de réalisa- tion de l'appareil de l'invention; La figure 2 est une coupe transversale du mode de réalisation représenté sur la figure 1, suivant la ligne 2-2; et La figure 3 est une représentation graphique de don- - 6 - nées obtenues par le procédé de la présente invention. Un moyen de déterminer la concentration de chaque espèce de l'échantillon dans la chambre de mélange en formant une re- lation entre la durée de titrage de chaque espèce jusqu'à un point équivalent est exprimé par les équations suivantes tI = Vm/Q fjn(Vs/Vm) ln Ctl + Vm/Q In (C1 + C2) (15) et t2 = Vm/Q [ln(Vs/Vr,) -ln Ct] + Vm/Q ln (C1 + C2) (16) dans lesquelles:t1 est la durée jusqu'au point équivalent de la pre- mière espèce, t2 est la durée jusqu'au point équivalent de la se- conde espèce, Vs est le volume de l'échantillon, Vm est le volume de la cellule de mélange Q est le débit, C. est la concentration molaire de la première espèce, et C2 est la concentration molaire de la seconde espèce. Si on injecte une pastille d'échantillon ayant une concentration Cs dans un courant en écoulement d'un agent de titrage ayant une concentration Ct et si on l'introduit alors dans une chambre de mélange, et si les réactions de mélange et chimiques sonL instanta- nées, il se forme ungradient exponentiel de concentration. Cegradient exponentiel de concentration du mélange échantillon et agent de titrage est alors transmis à un détecteur o on obtient deux transitions- signaux ou plus. Ces transitions-signaux sont les points auxquels les segments distincts du courant enregistrent un changement significatif respecLivement de l'état acide à l'état basique et de l'état basique à l'état acide. Le premier changement-signal marque le démarrage effectif du titrage. D'autres changements-signaux marquent le passage des points équivalents de titrage traduits par uit changement brusque dans le pH du porteur, et dans le cas d'une espèce unique de titrage, la fin de ce titrage. Ces changements brusquesdu pH peuvent être facilement dé- tectés par voie colorimétrique en utilisant des indicateurs de pH ou par voie électrochimnique en mesurant ce pH. On peut détecter d'autres espèces titrables en utilisant des méthodes analugues (par exemple des - 7 - électrodes à sélection d'ions ou des moyens ampère-heuremêtrique. Un mode de réalisation de l'appareil de l'invention est représenté-sur les figures 1 et 2. Cet appareil comprend une cel- lule de mélange à double chambre présentant un boitier 12 et une cavi- té 14 ménagée dans ce boiLier. Un agitateur 16 est disposé à lVinté- rieur de cette cavité 14. Le boîtier 12 présente un orifice d'entrée 18 et un orifice de sortie 20. Un moyen détecteur 22 est disposé à l'intérieur de la cavité 14. Ce moyen détecteur peut être un détecteur colorimétrique qui est, à son tour, relié électriquement à un amplifi- cateur, ou en variante à un moyen enregistreur. Le boîtier 12 est de préférence construit de façon à présenter un piège à gaz 24 disposé au voisinage de l'orifice de sortie 20. Ce piège à gaz 24 constitue essentiellement une seconde cavité à l'intérieur du boîtier 12 afin de pieger des bulles formées dans la cavité 14 au cours du titrage à points finaux multiples. La cavité 14 est agencée de façon à creer un écoulement turbulent à l'intérieur de l'écoulement porteur/échantillotn, tandis que le piège à gaz 24 est agencé de façon à creer un écoulement laminaire et à recueillir et-évacuer toute bulle de gaz formee au cours de la réaction. Le piège 24 est disposé à la partie supérieure de la cavité 14 afin d'empêcher le gaz de se rassembler et de demeurer dans cette cavité 14, rompant ainsi les mesures titrimétriques que l'on effectue. L'orifice de sortie 20 peut être disposé à partir de n'importe quel point situé entre la partie inférieure et la partie supérieure du piè,ge à gaz 24, mais est de préférence disposé au voisinage de la par- tie supérieure comme représenté sur la figure 1. Des résultats typiques pour des systèmes soude caustique/carbonate utilisant le procédé et l'appareil de l'invention sont présentés dans le tableau I et sur la figure 3 pour le système à composants multiples suivant dans, lequel: Cs = concentration de l'échantillon Ct = concentration de l'agent de titrage R = rapport volume échantillon/volume cellule T = temps moyen de séjour de l'agent de titrage dans la cellule et Tln(RFi) = ti + Tn Ct (17) n U o dans laquelle: pour le système nlNaOH + n2Na2CO3 n2NaHCO3 et pour: t1 = durée jusqu'au point équivalent i Fi = fonction de concentration de l'échantillon. On a alors, correspondant au point équivalent i, soude caustique/carbonate; n1HCI n1laCl + n1 H20 t + n2HCl n2NaHCO3 + n2NaCl + n2HCl nzNaCl + n2C02 + n2H2O t2 l'espèce titrée à l'instant t1: n1 moles de NaOH (concentration = C1) n2 moles de Na2CO3 (concentration = C2) et pour: l'espèce titrée à l'instant t2: n1 moles de NaOH (concentration = C1) n2 moles de Na2CO3 (concentration = C2) F1 = C1 + C2 F2 = C1 + 2C2 n2 moles de NaHCO3 (équivalent à la concentration de C2) 2 2 Tln R + TlnFi = ti + Tin Ct ti = T(in R - ln Ct) + Tln Fi = a + b ln Fi t1 = a-+ b ln(C1 + C2) t2 = a + b ln(C1 + 2C2) C1 + C2 = ln (t1/b - a/b) = K1 C1 + 2C2 = lr 1(t2/b - a/b) = K2 C2 = K2 - K1 C1 = K1 - C2 = K -(K- K1) = 2K1 - K2 isant des constantes du système qui sont: Ct = 0,001 mole/litre R =0,0816 Estimées à partir de mesures T = 4,57 mn R = ln 1(a/b + ln Ct) =0,0945 T = (a/b += 4,71 n Calculées & partir de donnees VIE T =b = 4,71 mn et en util - 9 - Les exemples suivants de données sont enregistrés dans le tableau I pour lequel le volume de la taille d'échantillon (Vs) était de 1,5 ml. Le volume de la cellule (Vm) était de 12,87 ml et le débit (Q) était de 2,8 ml/mn. TABLEAU I 00;C1 1,2 1,2 1,5 2,6 2,4 2,1 8,8 8,7 9,0 3,6 4,6 4,4 C2 0,3962 0,7925 1,3019 0,3962 0,7925 1,9057 0,6038 0,8962 1,8019 4,3962 0,8019 2,0000 -ln F1 -in F2 tI t2 4,1375 3,9158 3,5749 3,5078 3,4444 3,2175 2,3641 2,3438 2,2254 2,5262 2,9184 2,7489 3,9158 3,5809 3,1933 3,3836 3,2226 2,8283 2,3018 2,2545 2,0712 2,0881 2,7800 2,4769 1,875 3,075 4,730 4,563 ,117 6,063 ,016 ,225 ,983 9,767 7,750 8,763 3,063 4,713 6,470 ,375 6,217 7,713 ,392 ,706 11,683 11,650 8,467 ,050 Calculées C1 100 C2 1,124 0,453 1,188 0,847 1,598 1,295 2,266 0,5D26 2,3l4 0,827 2,227 1,613 8,157 0,740 8,300 1,001 9,175 1,753 4,286 4,153 4,592 0,905 4,672 2,145 La concenLrationi Ci est La relation linéaire de présentée graphiquement en mole/litre et la durée ti est en minutes. ce système à points finaux multiples est re- sur la figure 3. La Demanderesse déclare ici son intention de s'appuyer sur la Doctrine des Equivalents afin de déterminer et d'établir la portée justifiée de son invention telle que présentée et définie dans les revendications suivantes. - 10 - R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé de détermination des points finaux de ti- trage d'au moins deux espèces titrables indépendantes, par analyse par injection en écoulement, d'un échantillon unique, comprenant les opéra-' tions consistant: à fournir un courant d'un porteur liquide, à introduire un échantillon à composants multiples dans ce courant de porteur, à faire s'écouler l'échantillon dans une chambre de mélange et de détection sous un debit défini du porteur, à former un gradient exponentiel de dilution à l'intérieur de la chambre de mélange et de détection, caractérisé en ce qu'on titre, dans la chambre de mé- lange et à l'aide d'un réactif unique, chaque espèce du mélange formé par l'échantillon, pour une série de points finaux, et on détermine la concentration de chaque espèce de l'échantillon dans la chambre de mélange en établissant une relation entre la durée de titrage de chaque espèce jusqu'à un point équivalent. 2. Procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outrea utilisera au moins deux réactions de neutrali- sation acide/base pour obtenir plusieurs points finaux. 3. Procédé de la revendication 1,caractérisé en ce quil consiste en odreà utiliserau moins deux réactions de réduction ou d'oxydation pour obtenir plusieurs points finaux. 4. Appareil de détermination des points finaux de titrage d'au moins deux espèces titrables indépendantes, par analyse par injection en écoulement, caractérisé par une cellule de mélange à double chambre présentant une chambre principale (12) munie d'un orifice d'entrée (18) et d'un orifice de sortie (20), un piège à gaz (24) pour recueillir des bulles formées au cours du mélange du fluide dans ladite chambre princi- pale (12), et un détecteur disposé dans ladite cellule de mélange au voisinage dudit piège à gaz afin de détecter les points finaux d'espèces titrables indépendants. des moyens de détection (22) disposés à l'intérieur de ladite cellule de mélange, et - 11 - des moyens de mélange (16) disposés à l'intérieur de la- dite cellule de mélange pour mélanger lesdits fluides pour ne produire seu- lement qu'un écoulement turbulent dans ladite cellule de mélange. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cellule de mélange présente un volume fixe. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent une électrode à spécifici- té d'ions. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent des moyens ampère- heuremétriques.