Brevet FR2643150A1 — publié le 19900817

Cellule d'analyse électrochimique de concentration d'un composé liquide en flux continu avec réacteur enzymatique. DESCRIPTION La présente invention a pour objet une cellule d'analyse de concentration d'un composé liquide en flux continu. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils d'analyse comportant un réacteur continu à enzymes fixées. Une des applications de l'invention est la mesure de concentration d'un substrat tel que le glucose par mesure électrochimicue et réaction enzymatique sur ledit substrat. On contact en ecfet des appareils de mesure de concentration en phase liquide tels les chromatographes. qui fractionnent un mélange en ses différents comDosarts. qui sont évacués ensuite par une ou plusieurs sorties. Celles-ci meuvent être reliées à des cellules de mesure électrochimiques fonct,onnant sous un potentiel de référence, et dont la mesure du courant variant avec la nature du composant traversant la cellule fournit un pic d'amplitude caractéristique de la composition et de la corcentratlon du composant. Ces cellules, dont le but est de détecter un composant donné et d'en donner la concentration, peuvent être également de type spectrophotométriques. réfractométr t ques ou thermiques. Les apparue lus de chrornatographie dans les applications considérées dans le cadre de 1 invention, contiennent en général des Diocatalyseurs, dont les plus simples et les plus utilisés sont les enzymes. En effet, les composés que l'on veut détecter sont souvent difficiles ou impossibles à déceler directement, en particulier dans les fluides physiologiques tels que le sang et l'urine. En faisant alors réagir ledit composé. par exemple par oxydation grâce a un catalyseur de type enzymatique spécifique, qui ne fait réagir que ce composé. on obtient un nouveau produit plus facilement détectable et dont la mesure donne indirectement celle du composé initial. I1 est connu par exemple, d'analyser la teneur en glucose par le sang dans réaction d'oxydation enzymatique en présence de glucose oryd4se. afin d'obtenir du peroxyde d'hydrogène dont la détection et la mesure peuvent être facilement réalisées dans une cellule électrochimique ou autre. On peut citer par exemple, la demande de brevet FR.75/34.186 déposée le 07 Novembre 1975 par la Société OWENS - Illinois - ETATS UNIS, sur l'analyse du glucose par un procédé tel que décrit ci-dessus utilisant des cellules à électrodes de polarographie. Il ne s'agit pas à proprement parler de chromatographie. puisqu'il n'y a pas séparation, mais les bases instrumentales étant es mêmes. on utilise ia même terminologie. Les appareils dits de chromatographie peuvent être des cuves agitées mettant en oeuvre des er.zynes solubles dans des procédés discontinus. mais les techniques actuelles développent des-réacteurs à enzymes fixés dans des colonnes ou des réacteurs enz:matques à membranes d'ultrafiltration. En ce ou- concerne les cellules de mesure chromatographique, on e connaît Qci comportent deux demi-blocs solides en un matériau isolant cuc résistent à l'agression par les solvants ou éluants srrtant ce la cclcnne de chromatographie. Ces deux demi-blocs sont séparés par un ceint isclant très mince qui comporte une fenêtre centrale qui délnite avec les faces internes des deux demi-blocs un espace intermédiaire dans lequel circule, en régime laminaire. un film de liquide sortant de la colonne.La cellule comporte, en outre, une électrode de référence. une électrode auxiliaire et une électrode de mesure qui scnt e contact avec le film de liquide circulant dans l'espace intermédiaire, de sorte que celui-ci est électrolysé et on mesure l'intensité du courant d'électrolyse qui circule dans l'électrode de mesure. Dans les cellules de mesures connues. la fenêtre découpée dans le joint a la forme d'un canal. de largeur uniforme. Les conduits d'arrivée- et de départ du liquide débouchent aux deux extrémités opposées de cette fenêtre. Les cellules de mesure équipant les sorties d'une colonne de chromatographie en phase liquide. sont utilisées pour détecter des quantités infimes de métabolites de l'ordre de io-9 mg/litre et la sensibilité est une qualité essentielle de ces cellules. La sensibilité d'une cellule de mesure de chromatographe dépend beaucoup de la circulation du film de liquide dans l'espace très mince délimité par les faces internes des deux demi-blocs qui composent la cellule et Far la fenêtre découpée dans le joint isolant intercalé entre ces deux blocs. Certaines demandes de brevets ont été déposées sur cette partie du dispositif, tel que celui de la Société CHROMATOFIELD, déposant de la présente invention et titulaire de la demande 85/09.528, déposée le 20 Juin 1985 sur une cellule de mesure électrochimique et joints équipant celle-ci. En ce qui concerne la précision de la mesure, celle-ci est conditionnée par la qualité de la connaissance des intensité du courant passant dans les électrodes : pour des quantités infimes de composés de l'ordre de 10-9 mg/litre, cetles-ci sont de l'ordre de 109 Ampères. Afin d'améliorer cette mesure, divers fabricants développent des cellules électrochimiques ayant des électrodes particulières ou permettant des procédés spécifiques à certains composés. On peut citer par exemple, la demande PCT du ler Janvier 1981 NO. US. 81/00725 de la société JOSLIN DIABETES CENTER sur "un procédé et un appareil de détermination du glucose dans des fluides biogiques", ou la demande de brevet FR. 85/09.527 du 20 Juin 1985 de ladite société CHROMATGFIETD sur des cellules de mesure dont une électrode est un des deux demi-blocs solides de ladite cellule. Il existe ainsi de nombreux- matériels et procédés permettant l'analyse de concentration d'un composé liquide. On peut citer également les fabrications de la société CHROMPACK en HOLLANDE, qui propose de nombreux 'RIMER" (ou "Immobi'ized enzyme reactor" : réacteur à enzyme immobilisé), avec des réacteurs situés après les colonnes de chromatographie et dans lesquels les solutés d'intérêts sont modifiés en composés présentant de meilleures caractéristiques de détection. De nombreuses publications ont été diffusées sur les applications d'un réacteur contenant des enzymes immobilisés et sur l'utilisation des diverses cellules de détection, placées par exemple de part et d'autre de la colonne pour supprimer des interférences dues à d'autres produits que celui que l'on veut détecter grâce à une mesure différentielle. Dans tous les systèmes et appareillages actuels, même quand on s'intéresse à l'analyse d'un seul produit à la fois, il y a donc nécessité de deux équipements au moins, situés en série pour une mesure en continu : le réacteur puis la cellule, en plus bien sûr de la pompe de circulation du fluide et du système d'injection des composés à analyser. Les équipements sont assez coûteux et complexes. et un changement du support de l'enzyme dans le réacteur étant nécessaire pour passer d'un produit à un autre, - cela implique d'avoir en fait plusieurs réacteurs ou une perte de temps entre les mesures car leur démontage n'est pas aisé. Le prcblême posé est de pouvoir réaliser une mesure de concentration d'un composé liquide en continu avec le minimum d'appareillage, dans un équipement compact, facilement démontable et de bonne sensibilité. Un solution au problème posé est une cellule d'analyse de concentration d' un composé liquide en ccntinu, de type couche mince. cccpcrtant deux demi-blocs solides, séparés par un joint, cans lequel est découpés une fenêtre en fente allongée, et qui délimitent avec ledit joint un espace -ntermédiaire très mince, des orifices d'entrée et de sortie permettant de faire circuler dans ledit espace un film de liquide ans e sens de sa longueur, au moins trois électrodes dont une de référence et ue autre de mesure. qui sont en contact électrice avec ledit film de liquide et qui sont reliées à des moyens, pour contrôler et mesurer l'intensité du courant qui le parcourt, caractérisée e ce que ledit espace intermédiaire comporte une mencrane creuse. sur laquelle est immobilisé chimiquement de manière covalente, un enzyme associé au composé chimique que l'on veut mesurer lequel composé liquide circule dans ledit espace à travers ladite membrane avec ledit film de liquide qui le contient. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des cellules d'analyse d'un composé liquide en continu dans lesquelles sont éliminées les perturbations de mesure dues à la présence de produits interférents dans le film liquide. Cet objectif est atteint au moyen d'une cellule telle que décrite ci-dessus et qui comporte quatre électrodes, dont la contreélectrode débouche vers le milieu de ladite fenêtre découpée dans le joint, et dont deux autres de mesure débouchent de part et d'autre de cette car-e électrode dans ladite fenêtre. l'une sur le trajet venant ce :'critsce d'entrée et l'autre sur celui menant à l'orifice de sorte c liquide, et ladite membrane poreuse occupe la seule deuxième partie de la fenêtre entre la contre-électrode et l'électrode située vers l'orifice de sortie, de telle façon que par analyse et différence de mesure du courant entre lesdites électrodes de mesure, les courants générés par des produits interférents sont éliminés. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'un des deux demiblocs est constitué d'un matériau conducteur et comporte une desdites électrodes engagée dans sa masse et ne débouchant pas sur la face interne dudit demi-bloc. Avantageusement, ladite membrane poreuse est soit synthétique de type polymère de styrène ou polyamide. soit naturelle comme le collagène. Le résultat est la réalisation de nouvelles cellules d'analyse de concentration d'un composé liquide en continu. Les cellules selon l'invention offrent de nombreux avantages par rapport aux systèmes connus. en particulier, elles permettent de réaliser en un même équipement la réaction catalytique de création d'un produit associé à celui que l'on veut détecter et mesurer, mais qui ne l'est pas directement, et la prise de mesure proprement dite, alors que tous les appareils actuels nécessitent deux, et même trois équipements en série quand on veut éliminer les perturbations dues à des produits interférents. Les cellules suivant l'invention permettent donc une économie de coût et de volume intéressant, et offrent en plus. une meilleure sensibilité, puisque la mesure est faite à l'endroit même de la création du produit à détecter. Elles assurent également une grande possibilité de rapidité de mesure jusqu'à 80 à 100 analyses par heure d'un même substrat ou composé. On peut par ailleurs, changer la membrane poreuse très facilement pour passer de l'analyse d'un substrat à un autre en chargeant l'enzyme associée correspondant. La description suivante se réfère aux dessins annexés sans aucun caractère limitatif, décrivant des exemples de réalisation de cellules d'analyse de concentration d'un composé liquide en continu suivant l'invention, mais d'autres réalisations peuvent être envisagées. La figure 1 est un schéma d'un circuit d'analyse de concentration comportant une cellule suivant l'invention. La figure 2 est une vue perspective d'une cellule suivant l'invention. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la cellule suivant la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une cellule à double mesure. La figure 1 est un schéma d'un circuit d'analyse de concentration comportant une cellule 1 d'analyse suivant l'invention et telle que décrite dans les figures suivantes. Ce circuit comporte. de manière connue, un réservoir 4 contenant une solution salée conductrice 2 qui est pompée et mise en circulation en continu par la pompe 6 tournant en permanence. dans le circuit 5 et envoyée vers la cellule 1 au travers d'un injecteur 7 de tout type connu, tel qu'à barillet automatique ou à seringue. et permettant d'IntroduIre le mélange 8 contenant le composé à détecter et à mesurer par segment dans le circuit 5. Après cet injecteur 7, on trouve la cellule 1 de mesure suivant l'invention, elle-même reliée à un coffret 30 de mise en tension par potentiomètre et un système 3 de mesure et d'acquisition des données. Dans l'état de la technique actuelle à la place de la cellule 1. on trouve a moins une colonne réacteur à enzyme immobilisé, puis une cellule de détection du produit dérivé issu de la colonne, et quant on veut éiminer les perturbations des produits interférents, on place une deuxième cellule avant la colonne. La figure 2 est une vue perspective de la cellule 1 telle que représentée dans la figure 1. Cette cellule comporte d'une manière connue. deux demi-blocs 11 et 12 ayant par exemple une forme parallélépipédique. Un joint isolant électrique 13 très mince, ayant par exemple une épaisseur de 0.1 mn, est intercalé entre les deux demi-blocs qui sont reliés entre eux par quatre tirants 14. Le joint 13, qui est par exemple en polytétrafluoréthylène (plus communément désigné sous la marque commerciale 'XiEFLO} ) comporte une découpe centrale 15, qui a par exemple la forme d'un trou ovalisé suivant l'axe AA'. La découpe 15 du joint et les deux faces des deux demi-blocs situées e regard l'une de l'autre délimitent un espace 16 intermédiaire entre les deux blocs. Un premier tube 17 ayant par exemple une extrémité filetée est vissé dans un alésage 18 fileté dans le bloc 11. L'alésage 18 se termine par un contre-alésage 19 de tout petit diamètre, de l'ordre du poème de millimètre, qui débouche à une extrémité de l'espace 16. Le tube 17 est connecté par un petit tube 9 sur la sortie de l'injecteur et il amène à la cellule le liquide qui sort de celui ci . Un deuxième tube 20 ayant par exemple une extrémité filetée est vissée dans un alésage fileté 21 qui traverse la plus grande partie du demi-bloc 12 et qui est prolongé par un contre-alésage 22, de tout petit diamètre qui débouche à l'extrémité de l'espace 16 qui est opposée au débouché du contre-alésage 19. Le liquide sortant de l'injecteur entre dans la cellule par le tube 17 et circule dans l'espace 16 suivant l'axe AA' sous la forme d'un film très mince en régime laminaire et il sort par le tube 20. Ledit espace intermédiaire 16 est occupé par une membrane poreuse 10 sur laquelle est immobilisé chimiquement de manière covalente un enzyme associé et faisant réagir le composé liquide que l'on veut mesurer et que l'on a introduit dans le circuit par l'injecteur: la réaction a alors lieu dans ledit espace 16 quand le liquide y circule en passant obligatoirement autour et à travers ladite membrane 10. Cette membrane poreuse peut être par exemple synthétique de type polymère de styrène ou polyamide, ou naturelle comme le collagène. L'enzyme immobilisé est de type connu, par exemple du glucose oxydase qui reconnaît le glucose quand on veut obtenir une mesure de concentration de celui-ci ou de l'alcool désydrogénase pour de l'éthanol. La cellule d'analyse comprend, d'une manière connue. trois électrodes. Une première électrode 23 sert d'électrode de référence. Elle est entourée par une gaine isolante 24 qui est par exemple filetée et vissée dans un alésage 25 creusé dans le demi-bloc 11. L'alésage 25 ne traverse pas tout le bloc et il est prolongé par un contre-alésage 26 de petit diamètre, qui débouche dans l'espace 16. L'extrémité de l'électrode 23 est en contact avec le liquide qui pénètre dans l'alésage 25 à travers le contre-alésage 26. Une deuxième électrode dite électrode auxiliaire ou contreélectrode. comporte par exemple une tige métallique 27 qui traverse en partie le bloc 11 et qui est en contact avec une petite pastille 28 par exemple en carbone vitreux ou en platine, qui est emmanchée dans le bloc 11 et dont la face interne est au contact du liquide qui circule dans l'espace 16. Une troisième électrode dite électrode de mesure ou électrode dé travail peut être par exemple constituée par une tige métallique 29 et une pastille de contact 32, équivalentes ou non à celles constituant l'électrode auxiliaire 27. Ces trois électrodes sont reliées au coffret 30 de mise en tension par des conducteurs 31 : 1-' électrode de mesure 29 est portée à un potentiel déterminé par rapport à l'électrode de référence 13 et le circuit de mesure est fermé à travers l'électrode auxiliaire ou contre-éiectrode 27. Un potentiomètre permet d'ajuster la différence de potentiel entre l'électrode de mesure et l'électrode de référence. Une électrolyse du liquide qui circule dans l'espace 16 a lieu et on mesure l'intensité du courant d'électrolyse très faible qui circule dans l'électrode de mesure. Cette intensité présente un pic au moment ou un ces produits présents dans le mélange traverse la Cellule et réagit sur l'enzyme immobilisé dans la membrane 10. La forme et l'amplitude du pic permettent de déterminer, d'une manière connue. la nature et la concentration du produit recherché. Comme dans les cellules électrochimiques connues, les demi-blocs 11 et 12 sont des blocs isolants électriques, composés par exemple de polytétrafluorure d'éthylène (plus communément désigné sous la marque "TéFLON") ou de polytrifluoromonochloro-éthylène. Dans un mode de réalisation particulier et tel que revendiqué par ailleurs dans la demande de brevet FR. 85/09.527 déposée le 20 juin 1985 par la société CHROMATOFIELD, le demi-bloc inférieur 12 peut être un bloc conducteur de type acier inoxydable et l'électrode 29 est engagée dans la nasse de ce bloc et ne débouche pas sur la face interne de ce demi-bloc, le contact électrique avec le liquide étant assuré par celui-ci : il en résulte que la face interne de ce demi-bloc ne présente aucune hétérogénéité et il donc très facile de la polir pour obtenir un poli brillant et améliorer la circulation du fluide de la mesure. Selon un mode de réalisation. le bloc conducteur 12 est composé d'une résine polymérisable isolante qui n'est pas attaquée par les éluants et les solvants 2 utilisés habituellement comme phase liquide et cette résine est chargée de particules très fines de graphite qui rendent le bloc conducteur et dans une proportion en poids de graphite comprise entre 12% et 20ou. Dans un autre mode de réalisation, c'est le demi-bloc supérieur 11 qui est conducteur et l'électrode auxiliaire ou contre-électrode 27 qui est engagée dans sa masse sans deboucher sur sa face interne. Dans un autre mode de réalisation, ce sont les deux demi-blocs qui sont conducteurs. -Par ailleurs, la découpe 15 du joint 13 représentée sur la figure comme un trou ovalisé, peut avoir d'autres formes, en particulier celle revendiqués dans la demande de brevet FR. 85/09.528 déposée par la même société CHROMATOFIELD afin d'améliorer également la précision t la qualité de la mesure. On peut citer par exemple une forme de fente très étroite reliant les deux orifices d'entrée 19 et de sortie 22 et comportant un élargissement en son milieu en forme de fuseau au niveau de l'électrode auxiliaire 28, les demi-angles de convergence et de divergence dudit faisceau étant environ au mieux de 35oye La figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la cellule I suivant la figure 2. Les deux demi-blocs 11 et 12 sont maintenus ensemble par quatre tirants 14, écrasant entre eux le joint 13 dans lequel une fenêtre centrale a été découpée entre les orifices d'entrée 19 et de sortie 22 du liquide, de telle façon que l'ensemble délimite un espace 16 intermédiaire entre les deux blocs d'une épaisseur de l'ordre du micron et d'un volume de l'ordre de 10 microlitres. Dans cet espace est emprisonnée la membrane poreuse 10 fixant l'enzyme associé au composé liquide recherché et qui, rentrant par l'orifice 9 à travers le tube 17, parcourt ensuite l'espace 16 longitudinalement par rapport à la membrane 10, avant de ressortir par le tube 20. Durant ce parcours interne. la réaction enzymatique a donc lieu et le produit dérivé de celle-ci provoque une variation de courant d'électrolyse entre les électrodes 27 et 29 en contact avec le liquide par leur pastille 28 et 32 respectivement, tel que décrit dans la figure 1. L'électrode de référence 23 est montée sur la gaine isolante 24 et est maintenue à un potentiel donné, choisi en fonction du produit secondaire à détecter et dérivé de la réaction enzymatique. par rapport à l'électrode de mesure 29, soit par exemple 700 millivolts pour ie peroxyde d'hydrogène issu de la réaction enzymatique du glucose; la mesure de variation d'intensité est faite alors entre les électrodes 27 et 29. L'analyse du courant est réalisee dans le coffret 3G et ses accessoires par des méthodes connues d'identification conne celles utilisées en chromatographie classique. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une cellule à double mesure. flans le cas ou le liquide porteur du compcsé à détecter comprend également ces produits interférents qui peuvent fausser la mesure d'ntensité pour le même choix de potentiel de référence choisi, il faut pouvoir faire une mesure avant la réaction enzymatique afIn de déduire celle ci de celle faite après la réaction. Cette méthode est connue et réa:-sée à ce jour en rajoutant une cellule de mesure avant le réacteur. Dans la cellule d' analyse suivant l'invention, cette mesure peut être faite dans cel'e-c~ suIvant la réalisation et le montage ci-après décrits. On dispose deux électrodes de mesure 29a et 29b, l'une sur le trajet venant ; l'orifice 19 d'entrée 9 du film liquide. et l'autre sur le traiet menant à l'orifice 22 de sortie 20, soit, de préférence vers les extrémités de l'espace ou fenêtre 16 découpé dans le joint 13 et placées symétriquement de préférence par rapport à l'électrode auxiliaire ou contre-électrode 27.L'électrode de référence 23 peut être placée indifféremment vers une extrémité ou vers l'autre. 10 La membrane poreuse 10 fixant l'enzyme est placée uniquement dans la deuxième partie de l'espace 16 entre la contre-électrode 27 et l'électrode 29a de mesure sItuée vers l'orifice de sortie 22 située elle-même de préférence vers le milieu de cet espace,la membrane poreuse peut s'arcrter avant l'électrode 29a, dessus ou au delà. Ainsi la première partie de l'espace 16 n'est le siège d'aucune réaction enzymatique et permet la mesure des intensités dues aux seuls produits interférents, alors que la mesure réalisée dans la deuxième partie de l'espace est la somme de celles-ci et de celles dues aux produits que l'on veut analyser, et généré au travers de la membrane 10. Par analyse et différence, on obtient directement la mesure souhaitée. Quand on veut passer de l'analyse d'un substrat à un autre, que ce soit dans le cas d'une cellule telle que décrite dans les figures 2 et 3, ou dans celle décrite ci-dessus. il suffit de changer l'enzyme associé correspondant, en démontant simplement les quatre tirants 14 et en remplaçant la membrane 10 : cette opération est très aisée et rapide. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et qui ne constituent que des exemples de fa3ricaçisn du dispcsitif suivant l'invention et des modifications et des variantes peuvent être apportées dans le cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Cellule d'analyse de concentration d'un composé liquide en flux continu. de type couche mince, comportant deux demi-blocs solides (11 et 12). séparés par un joint (13). dans lequel est découpée une fenêtre (15) en fente allongée et qui délimitent avec ledit joint un espace intermédiaire très mince (16), des orifices d'entrée (19) et de sortie (22) permettant de faire circuler dans ledit espace un film de liquide dans le sens de sa longueur, au moins trois électrodes dont une de référence (23) et une autre de mesure (29). qui sont en contact électrique avec ledit film de liquide et qui sont reliées à des moyens (30). pour contrer et mesurer l'intensité du courant qui le parcourt. caractérisée en ce que ledit espace intermédiaire (16) comporte une membrane poreuse (10'. sur laquelle est immobilisé chimiquement ce manière covalente. un enzyme associé au composé chimique que l'on veut mesurer, lequel composé liquide circule dans ledit espace tl5ì à travers ladite membrane (10) avec ledit film de liquide qui le continent. 2. Cellule d'analyse suivant la revendication l, caractérisée en ce que ladite nemnrane poreuse (1C) est synthétique de type po; lève de styrène. 3. Cellule d'analyse suivant l'une quelconque des revendIcations : ou . caractérisée en c que ladite membrane poreuse (10 est en polymère naturel. de type collage. 4. Cellule d'analyse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3. caractérisée en ce qu'au moins l'un des demiblocs (1' et 12) est constitué d'un matériau conducteur et comporte une desdites électrodes engagée dans sa masse et ne débouchant pas sur la face interne dudit demi-bloc. 5. Cellule d'analyse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte quatre électrodes, dont la contre-électrode (23. débouche vers le milieu de ladite fenêtre (16) découpée dans le joint (13), et dont deux autres de mesure (29) débouchent de part et d'autre de cette contre-électrode (23) dar.s ladite fenêtre, l'une sur le trajet venant de l'orifice d'entrée (19) et l'autre sur celui menar,t-à l'crifice de sortie (22) du liquide. et ladite membrane poreuse (iû) occupe la seule deuxième partie de la fenêtre 016; ; entre la contre-électrode (23) et l'électrode (29a) située vers l'orifice de sortie (22), de telle façon que par différence de mesure du courant entre lesdites électrodes de mesure (29), les courants générés par des produits interférents sont éliminés,