Brevet FR2728348A1 — publié le 19960621

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA CONCENTRATION D'UNE ESPECE IONIQUE EN CHRoMATOGRAPHIE IONIQUE AVEC NEUTRALISATIoN SUR MEMBRANE DESCRIPTION L'invention se rapporte à un procédé de détermination de la concentration d'au moins une espèce ionique en chromatographie ionique pourvue d'un dispositif à membrane de neutralisation de l'effluent chromatographique. On désigne sous le nom de chromatographie ionique un ensemble de méthodes séparatives d'analyse d'espèces ioniques ou ionisables en solution par lixiviation dans une colonne. Ces méthodes existent sous plusieurs formes et peuvent être pratiquées avec des appareils assez différents. Les procédés les plus habituels reposent sur l'utilisation d'un système de séparation par échange d'ions. Leur principe consiste à déposer un échantillon de la solution aqueuse contenant les espèces à quantifier au sommet d'une colonne garnie d'un solide échangeur d'ions divisé et poreux, capable de fixer ces espèces, puis à faire migrer ces dernières vers le bas de la colonne par percolation d'une autre solution aqueuse de composition adéquate.Au cours de leur migration dans la colonne, chacune de ces espèces est soumise à la répétition automatique d'un même équilibre de distribution, ici d'échange d'ions, entre le solide et la solution s'écoulant au contact du solide, dans laquelle ces espèces sont solubles. Les différences de propriétés de distribution de ces espèces entre le solide et la solution conduisent à des vitesses de migration différentes et donc, après une certaine durée de percolation, à leur séparation. On appelle analyte l'espèce à quantifier, éluant la solution percolante versée en continu au sommet de la colonne et qui contient un ou plusieurs composés ionisées ou ionisables, éluant ou effluent chromatographique la solution recueillie au bas de la colonne, contenant ou non les analytes, phase stationnaire le solide échangeur d'ions garnissant la colonne de chromatographie et jouant un effet retardateur sur les analytes, et phase mobile la solution s'écoulant au contact de la phase stationnaire et exerçant un effet d'entraînement des analytes. Le solide échangeur d'ions est en général un polymère organique insoluble dans l'eau mais capable à son contact de s'en imprégner, contenant des groupement fonctionnels greffés ionisables.Cette ionisation libère un ion mobile, appelé ion échangeable, qui peut permuter avec d'autres ions de même signe présents dans la phase mobile, le reste du groupement fonctionnel, porteur de la charge opposée, demeurant fixé au réseau du polymère. Placée à la sortie de la colonne, la cellule de mesure d'un détecteur fournit une grandeur caractéristique de la composition de l'effluent chromatographique qui la traverse, en particulier de la concentration des différents analytes. I1 s'agit souvent d'un système de mesure de la conductivité électrique de la solution : des essais préliminaires permettent de déduire facilement la concentration recherchée. On mesure plus précisément l'évolution du signal le long d'un "pic d'élution" compris entre deux volumes d'éluat V1 et V2 écoulés depusi l'injection (fig.l) qui correspondent au début et à la fin de sortie de l'analyte. La variation du signal G par rapport à ltétat sans analyte dépend de la concentration d'analyte pour chacun des points de mesure du pic.La quantité totale d'analyte est donnée par une intégration de valeurs de concentration déduites de ces mesures en fonction du volume d'éluat. La figure 1 représente un pic d'élution en fonction du volume d'éluat écoulé. La conductivité mesurée dépend cependant de tous les ions de l'éluat, et donc aussi bien de ceux de l'éluant choisi par l'utilisateur que des analytes qui sont normalement à faible concentration. Comme 1 l'éluant est souvent une solution d'un acide fort ou d'une base forte, la contribution des ions de l'analyte au signal peut être difficile à discerner et à mesurer avec précision. Cela explique qu'on préfère souvent adjoindre un réacteur 5 de suppression de la conductivité de l'éluant, appelé aussi de neutralisation, entre la colonne de séparation 4 et le détecteur 6, comme il est schématisé à la figure 2. L'objet de ce réacteur 5 est de réduire la conductance due aux ions de l'éluant émergeant de la colonne de séparation tout en exaltant celle des espèces ioniques de l'analyte par des réactions d'échange d'ions et de neutralisation acido-basique.On obtient de meilleures valeurs du rapport signal-sur-bruit. Dans le cas d'analytes cationiques, on utilise normalement une solution d'un acide fort comme éluant, une colonne chromatographique garnie d'un échangeur d'ions à groupements fonctionnels anioniques, et un réacteur de suppression d'un genre déjà traditionnel qui comprend une colonne de suppression garnie d'un solide échangeur d'ions à groupements fonctionnels cationiques auxquels des ions hydroxyde sont associés au départ. Quand l'éluat entre dans la colonne de suppression, les anions qu'il contient et qui ont une affinité pour les groupements fonctionnels plus forte que les ions hydroxyde permutent avec ces derniers, lesquels viennent se combiner aux ions hydrogène de la solution pour former de l'eau. Les anions qui accompagnent les ions de l'analyte permutent eux aussi avec les ions hydroxyde de l'échangeur.Les ions de l'analyte émergent donc de la colonne de suppression, accompagnés par une quantité ionique équivalente d'ions hydroxyde, en solution dans de l'eau. Mais ce système présente l'inconvénient que la capacité de suppression est limitée par le volume de la colonne de suppression et la capacité d'échange du solide. On emploie donc encore des systèmes de suppression plus efficaces, dans lesquels la colonne de neutralisation est remplacée par un dispositif de suppression à membrane. Pour en décrire le principe, nous considérons que ce dispositif est constitué d'une canalisation divisée en deux compartiments par une membrane échangeuse d'anions se présentant sous forme d'un film mince. L'effluent chromatographique circule d'un côté de la membrane tandis que de l'autre côté s'écoule, à contre-courant, une solution aqueuse de régénération de la membrane, contenant une base forte. Nous désignerons par compartiment (ou circuit) analytique et compartiment (ou circuit) régénérant les canaux dans lesquels circulent respectivement l'effluent chromatographique et la solution régénérante. La membrane est perméable aux anions : les ions hydroxyde de la solution rénégérante traversent la membrane et se combinent aux ions hydrogène de l'effluent chromatographique pour donner de l'eau. Simultanément, les anions de l'effluent chromatographique sont éliminés par passage en sens inverse, transformant partiellement la base régénérante en son sel. Les anions accompagnant les cations de l'analyte permutent eux aussi avec les ions hydroxyde. L'effet obtenu sur l'effluent chromatographique est le même que précédemment. Le problème à la source de l'invention consiste en ce que les membranes ne sont pas parfaitement sélectives, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas entièrement imperméables aux autres ions du réactif régénérant (aux cations de la base dans l'exemple considéré). Ces ions peuvent donc eux aussi pénétrer dans l'effluent chromatographique, accompagnés par une quantité ionique équivalente d'ions de neutralisation (ions hydroxyde dans l'exemple considéré), cette fuite de réactif régénérant dans le compartiment analytique ayant une influence sur la valeur du signal mesuré. Or les résultats expérimentaux des inventeurs ont conduit ces derniers à la conclusion que la concentration du réactif régénérant ayant ainsi diffusé dans l'effluent chromatographique pouvait être fonction de la concentration de l'analyte dans cette solution.Ces observations ont été interprétées par les inventeurs comme résultant d'un couplage entre le flux de réactif régénérant vers le circuit analytique et un flux de molécules d'eau s'exerçant en sens opposé, par effet d'osmose, lequel serait assujetti à la concentration de l'analyte dans l'effluent. Voici une présentation plus précise du fonctionnement de ce système chimique. Si on se réfère à la figure 3, où la membrane a été désignée par la référence 1, le circuit analytique par la référence 2 et le circuit régénérant par la référence 3, les évolutions des concentrations des produits formés sont données en ordonnées par les fonctions représentées. Les circulations sont à contre-courant, vers la droite pour ltéluat et vers la gauche pour la solution régénérante. On reste dans le cas où l'éluant est une solution d'acide fort de formule HX et où l'espèce ionique à analyser est un cation M+ présent sous forme de sel MX à l'état dissocié. La solution régénérante est une solution d'une base forte de formule BOH.On a choisi ici un cas où les ions étaient de charge unitaire, mais l'application à d'autres situations serait immédiate. Les indices a et r indiquent que les ions auxquels ils se rapportent existent dans le circuit analytique ou dans le circuit régénérant. En circulant dans le compartiment analytique, l'effluent chromatographique est tout d'abord progressivement débarrassé de son acide par permutation des ions X avec les ions OH de la solution de régénération, selon la réaction Xa + OH o Xr + OH (1) et par neutralisation des ions H+ selon Ensuite, entre les sections d'abscisse 10 et li du dispositif de suppression, l'effluent est le siège d'une simple permutation entre les ions X accompagnant l'analyte M+ et les ions OH de la solution de régénération, représentée par la réaction (1). Après la section d'abscisse 11, le sel MX est totalement converti en la base forte MOH correspondante.Les ions X apparus dans le circuit régénérant ressortent de ce dernier à l'état de sel BX totalement dissocié. la concentration de ce composé augmente vers la gauche de la figure. S'ajoutent à cette évolution souhaitée de la composition des deux solutions, d'une part, une diffusion d'ions B+ et OH à travers la membrane 1 sur toute sa longueur, selon la réaction Br + OHÇ B: + OH (3) et, d'autre part, un transport de molécule d'eau s'exerçant en sens opposé à partir de la section d'abscisse 11, selon HOa HOr Admettant que le flux de molécules d'eau diminue lorsque la concentration de l'analyte augmente (du fait de la diminution de la différence de pression osmotique entre les deux solutions de part et d'autre de la membrane), les inventeurs en déduisent une augmentation corrélative du flux de BOH vers le circuit analytique et donc une élévation, avec la concentration de l'analyte, de la concentration de la base BOH dans l'effluent chromatographique. Cette fuite de réactif régénérant, bien que déjà exposée dans la littérature spécialisée (ainsi dans les articles de Dasgupta parus dans Analytical chemistry en 1984, n056, p.96 à 103, et en 1985, n057, p.253 à 257), a pourtant toujours été négligée dans les calculs. Le transport opposé de solvant et ses effets sur l'intensité de la fuite de réactif régénérant n'ont, quant à eux, jamais été évoqués. Les formules théoriques reliant la conductivité mesurée à la concentration de l'analyte sont alors obtenues au prix d'hypothèses simplificatrices qui les rendent peu utiles. Un brevet précédent de la même équipe d'inventeurs (FR-A-2 638 528) a montré comment une formule exacte pouvait être obtenue et effectivement appliquée pour donner la concentration exacte d'analyte dans une situation un peu différente, où le système était dépourvu de réacteur de suppression à membrane. Il n'a donc pas d'intérêt ici, malgré son but semblable d'obtenir de meilleures déterminations pour les échantillons très dilués et d'accroître le degré d'automatisation de la méthode d'analyse. Pour nous résumer, l'invention est relative sous sa forme la plus générale à un procédé de détermination par une méthode conductométrique de la concentration d'une espèce ionique dans un effluent chromatographique contenant aussi un composé éluant dissocié en ions, l'effluent chromatographique s'écoulant, avant de pénétrer dans le détecteur, dans un canal partiellement ou totalement délimité par une membrane échangeuse d'ions, canal à l'extérieur duquel s'écoule à contre-courant une solution d'un réactif régénérant dissocié en ions de neutralisation du composé éluant et en ions supplémentaires de même signe que l'espèce ionique à quantifier, la membrane étant perméable aux ions de neutralisation et aux ions de même signe contenus dans l'effluent chromatographique et, dans une moindre mesure, aux ions supplémentaires et aux molécules d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation de la concentration des ions supplémentaires dans l'effluent chromatographique pour calculer la contribution des ions supplémentaires dans un signal donnant la conductivité de l'effluent chromatographique. Et cette invention est illustrée par les figures 1, 2 et 3, qui représentent respectivement comme on l'a vu un pic d'élution, un dispositif chromatographique avec suppression et un réacteur de suppression à membrane. Nous allons maintenant donner le détail de la solution retenue dans le cas déjà évoqué d'analytes présents sous une forme cationique dissoute dans un acide monoprotique fort neutralisé par une base monoprotique forte, les extensions à d'autres situations étant évidentes. Nous nous placerons cependant dans une situation un peu plus générale d'un analyte monochargé ou polychargé se présentant sous forme de cations Mon+. Nous appellerons CB la concentration de l'ion B+ à la sortie du circuit analytique et CM la concentration de l'analyte, à savoir la grandeur à déterminer.L'expérience prouve que CB varie en fonction de CM selon une loi qui doit être déterminée expérimentalement mais qui est souvent linéaire, à savoir = = + O M nC,, C où n est la charge du cation métallique Mn+, oM un facteur d'accroissement linéaire et CB la concentration de l'ion B+ dans la solution en l'absence d'analyte. La dissociation de l'eau est régie par la formule (5) Ke = [H+] [OH-] (5), et la conservation de l'électro-neutralité dans la solution est donnée par la formule (6) 1 H ] = CB + [H+] + nCM (6). On peut alors déduire l'expression de la concentration des ions hydrogène par la formule (7) Quand un calibrage permettant d'obtenir les coefficients C0B et oM a été entrepris, la concentration des ions H+ ainsi que celle des ions OH et B+ grâce aux formules précédentes peuvent être obtenues en fonction de la seule inconnue CM, et le signal théorique du détecteur conductométrique est donné par la formule suivante (8) où AG désigne la différence en microsienmens entre la conductance de la solution contenant l'analyte et celle de la solution exempte d'analyte, les conductivités équivalentes limites en siemens.cm2/mole des ions considérés à la température de l'expérience et kc la constante de cellule du détecteur en inverse de centimètre.Si les Ai sont donnés pour une température de 250C par exemple, ils peuvent être calculés pour d'autres températures selon la relation (Ai ()25[l + O 01825(t - 25)j. Enfin, les termes entre crochets, tels que A[B+], désignent les variations de concentration des ions correspondants par rapport à la composition de la solution sans analyte. La formule suivante (9) obtenue en aménagenant la formule précédente, montre que le signal peut être exprimé sans qu'on doive calculer les concentrations d'ions hydroxyde et de la base. Les seules inconnues restent CM et A[H+]. Cette formule, en liaison avec la formule précédente donnant la concentration d'ions hydrogène dans l'éluat, permet de calculer immédiatement CM pour peu que CB et O > M soient connus. C'est cette procédure de calibration qui va maintenant être détaillée. En l'absence d'analyte, le signal conductométrique est donné par la formule suivante qui donne, en appliquant les relations précédentes, la formule a = (#B + #OH )(#B - #H ) b= kcGE (2#B + # OH - # H) 1000 et c = (kcGE) - kc(#H + #OH ) 1000 CB peut donc être obtenu. Pour déterminer #M, on injecte une quantité connue de l'analyte Mn+ considéré et on mesure le signal expérimental correspondant pour plusieurs points du pic d'élution de l'analyte.On fixe oM à une valeur hypothétique, puis, en appliquant les formules (7) et (9), on calcule la fonction de signal théorique AG=f(CM) correspondante, après quoi, par comparaison avec les signaux expérimentaux, on calcule les concentrations de l'analyte en chacun des points du pic. On calcule ensuite la quantité totale d'analyte estimée en additionnant les produits des concentrations CM calculées et des volumes d'éluat écoulés entre deux mesures. L'estimation de CM et oM est exacte si la quantité d'analyte estimée est égale à la quantité réelle injectée. En pratique, CM et > M seront estimés par des approximations successives qui convergeront vers l'estimation exacte. Un tel calcul peut être accompli par un ordinateur. Une seule calibration peut suffire, bien qu'il soit préférable d'en mener plusieurs pour une meilleure précision et qu'il vaille mieux les recommencer quand les conditions concrètes changent, par exemple quand on remplace la membrane. Une quantité d'analyte convenable donnera une concentration CM comprise entre 10-7 et 10-6 mole par litre au sommet du pic d'élution. Si l'expérience concerne un soluté de concentration inconnue, les formules précédentes sont appliquées après que le soluté a été identifié grâce aux caractéristiques du pic d'élution (notamment les volumes d'éluat au début, au sommet et à la fin du pic). L'identification permet de choisir les coefficients oM et g des formules à partir de tables. Ce procédé peut être mis en oeuvre en exploitant un logiciel de traitement automatique du signal. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination par une méthode conductométrique de la concentration d'une espèce ionique dans un effluent chromatographique contenant aussi un composé éluant dissocié en ions, l'effluent chromatographique s'écoulant, avant de pénétrer dans le détecteur, dans un canal partiellement ou totalement délimité par une membrane échangeuse d'ions, canal à l'extérieur duquel s'écoule à contre-courant une solution d'un réactif régénérant dissocié en ions de neutralisation du composé éluant et en ions supplmentaires de même signe que 1'espèce ionique à quantifier, la membrane tant perméable aux ions de neutralisation et aux ions de même signe contenus dans l'effluent chromatographique et, dans une moindre mesure, aux ions supplémentaires et aux molécules d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation de la concentration des ions supplémentaires dans l'effluent chromatographique pour calculer la contribution des ions supplémentaires dans un signal donnant la conductivité de l'effluent chromatographique. 2. Procédé de détermination de la concentration d'une espèce ionique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'estimation est obtenue au moyen d'une relation expérimentale entre la concentration des ions supplémentaires et la concentration de l'espèce ionique. 3. Procédé de détermination de la concentration d'une espèce ionique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la relation expérimentale est une fonction linéaire. 4. Procédé de détermination de la concentration d'une espèce ionique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation de la concentration des ions hydrogène en fonction de la concentration de l'espèce ionique comme seule inconnue, du coefficient de la relation expérimentale, de la concentration des ions supplémentaires dans l'effluent chromatographique en l'absence d'analyte, et du coefficient de dissociation de l'eau. 5. Procédé de détermination de la concentration d'une espèce ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal de conductivité est exprimé par une formule en fonction de la concentration de l'espèce ionique et d'une variation de la concentration des ions hydrogène par rapport à une composition de l'effluent chromatographique en l'absence de l'espèce ionique comme seules inconnues.