Brevet FR2773399A1 — publié le 19990709

La présente invention concerne un procédé de séparation et d'analyse directe et simultanée de cations et d'anions faiblement volatils contenus dans un échantillon. De nombreux laboratoires de contrôle, parmi lesquels on peut citer à titre d'exemple non limitatif les laboratoires chargés de l'analyse des eaux de distribution, souhaitent disposer de procédés simples et rapides permettant une analyse directe d'échantillons, sans nécessiter de préparation avant l'analyse ou de modification pendant celle-ci. Or, les spécialistes n'ont pas, jusqu'à présent, conçu de procédés de nature à satisfaire à ces différents impératifs, ce tout en donnant des résultats suffisamment précis et complets. La présente invention a pour objet de combler cette lacune en proposant un procédé du type susmentionné, caractérisé en ce qu' - on injecte l'échantillon dans un appareil de chromatogra phie en phase liquide coopérant avec au moins une phase stationnaire susceptible de retenir les cations et les anions contenus dans l'échantillon par compétition d'interactions avec la ou les phases stationnaires, - on élue les cations et les anions en faisant passer sur la ou les phases stationnaires au moins une phase mobile éva porable, et - on analyse directement les cations et les anions présents dans cette ou ces phase(s) mobile(s) à l'aide d'un détec teur évaporatif à diffusion de lumière (DEDL). La caractéristique essentielle de l'invention est liée à la mise en oeuvre d'un appareil de détection particulier, c'est-à-dire un détecteur évaporatif à diffusion de lumière tel qu'à titre d'exemple l'appareil commercialisé par la Société SEDERE sous l'appellation SEDEX. Cet appareil, qui est adapté à l'analyse d'effluents provenant notamment de colonnes de chromatographie, a pour avantage d'être universel, c'est-à-dire de permettre l'analyse de tous les composés non volatils en particulier les cations et anions minéraux ou organiques, ce sans préparation de l'échantillon ni traitement chimique par ticulier, sauf éventuellement la transformation de composés volatils en composés non volatils. Le principe de fonctionnement d'un tel appareil est le suivant : les composés à analyser sont transportés par une phase mobile liquide plus volatile qu'eux qui est, ensuite, évaporée à température relativement faible (pouvant être de l'ordre de 400C) de sorte que seules demeurent des microparticules résiduelles pouvant être détectées par diffusion de lumière. Par suite, on peut ainsi analyser directement des effluents provenant de colonnes de chromatographie, à la seule condition de choisir un éluant suffisamment volatil pour être directement utilisé en tant que phase mobile au niveau du détecteur évaporatif à diffusion de lumière. Selon l'invention, on fait en règle générale passer l'échantillon à analyser sur deux colonnes couplées l'une à l'autre, en particulier montées en série le cas échéant commutables automatiquement de manière à pouvoir les isoler l'une de l'autre, l'une de ces colonnes retenant les cations tandis que l'autre retient les anions ou sur une colonne remplie de deux phases stationnaires différentes éventuellement mélangées dont l'une retient les cations et l'autre les anions, ou encore sur une colonne remplie d'une phase stationnaire unique retenant les cations et les anions. On a pu vérifier qu'un tel procédé permet d'analyser simultanément des mélanges de cations et d'anions avec une bonne sensibilité (quelques ppm en direct). Conformément à l'invention, la phase stationnaire qui retient les cations est, en règle générale, un échangeur de cations. On peut avantageusement utiliser, à cet effet, un échangeur de cations fort SCX (Strong Cation Exchanger, c'est-à-dire une résine dont les groupes actifs sont des groupes SO3 , telle qu'à titre d'exemple la résine SCX commercialisée par la Société WHATMAN sous la dénomination PARTISIL. On peut, toutefois, également envisager de mettre en oeuvre un échangeur de cations faible WCX (Weak Cation Exchanger), dans lequel les groupes SO3 sont remplacés par des groupes COO . De même, la silice peut être remplacée par un support polymérique ou recouverte de polymère. Dans ces résines, les groupes SO3 ou COO attirent les ions chargés positivement, c'est-à-dire retiennent les cations. La phase stationnaire qui retient les anions, peut, quant à elle, être constituée par un échangeur d'anions fort ou le cas échéant faible (SAX ou WAX) tel qu'à titre d'exemple la résine SAX commercialisée sous l'appellation SHIMADZU IC A1s. On a, également pu mettre en oeuvre à cet effet une phase stationnaire particulière en carbone graphitisé poreux (CGP) telle que celle commercialisée par la société HYPERSIL sous la dénomination HYPERCARB3. Il a été établi que cette phase stationnaire, dont la structure et le mode d'action ne sont actuellement pas connus avec précision, présente au moins autant d'interactions hydrophobes que les silices apolaires classiques (Cl8) et parallèlement des interactions électroniques probablement consécutives aux électrons It de la structure graphitique ; par suite, elle peut être utilisée dans les mêmes domaines que les silices apolaires et également pour la rétention de solutés polaires et même ioniques. On a ainsi vérifié, conformément à l'invention, que les anions inorganiques peuvent être bloqués sur cette phase stationnaire par simple percolation d'eau puis être ensuite débloqués en mettant en oeuvre un éluant volatil n'ayant qu'une force ionique relativement faible, susceptible d'être directement utilisé en tant que phase mobile dans le cadre de l'analyse ultérieure par diffusion de lumière. Il est également à noter que de manière surprenante on a pu conformément à l'invention séparer à la fois les cations et les anions en mettant en oeuvre une phase stationnaire unique constituée par un polymère fonctionnalisé du type dit PRPX 200 initialement conçue en tant qu'échangeur de cations : on s'est en effet rendu compte que sur une telle phase stationnaire et en choisissant un éluant adapté les anions peuvent être élués non pas ensemble en vo lume mort, mais avec une certaine rétention et séparément, c'est-à-dire avec une certaine sélectivité. Compte tenu de ce qui précède, le procédé conforme à l'invention permet donc de bloquer, sur une ou deux phases stationnaires, les anions et/ou les cations contenus dans un échantillon et de les éluer sélectivement, en vue de leur détection avec le DEDL. La caractéristique essentielle du procédé conforme à l'invention est toutefois liée au fait qu'il permet d'effectuer une analyse directe et simultanée des anions et des cations en faisant passer sur la ou les deux phases stationnaires une phase mobile éluant les cations ou les anions, puis immédiatement une phase mobile éluant les anions ou les cations ou encore une phase mobile éluant simultanément les cations et les anions de façon sélective, ctest-à-dire sans coélution d'espèces différentes. La mise en oeuvre de ce procédé implique donc le choix de phases mobiles éluantes pour les anions et pour les cations identiques ou compatibles, et parallèlement suffisamment volatiles pour pouvoir être directement utilisées en tant que phases mobiles lors de l'analyse utilisant le DEDL. Il est à noter que ces phases mobiles éluantes doivent, en outre, contenir des ions (anions et cations) susceptibles d'interagir en compétition avec les anions et les cations à analyser vis-à-vis des sites actifs des phases stationnaires. Conformément à l'invention, on a pu mettre en oeuvre des phases mobiles éluant les cations et des phases mobiles éluant les anions constituées par des solutions de compositions différentes mais compatibles avec le DEDL, c'est-à-dire volatiles telles que des mélanges ou non d'acides (HCOOH, CH3COOH, CF3COOH) et de bases (NH4OH, Et3N, pyridine, éthylène diamine) ou de sels volatils (carbonates et carbamates d'ammonium). Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la phase mobile éluant les cations et la phase mobile éluant les anions sont constituées préférentiellement par des solutions de même composition mais ayant des concen trations différentes en ions mais aussi par des solutions de compositions différentes à des concentrations identiques ou différentes. On a, avantageusement, pu mettre en oeuvre à cet effet des solutions aqueuses d'acide formique et d'ammoniaque. Selon une autre caractéristique de l'invention, après injection des cations et des anions à analyser dans l'appareil de chromatographie, on fait passer, sur la ou les deux phase(s) stationnaire(s), une solution aqueuse d'acide formique et d'ammoniaque de faible concentration, de sorte que les cations restent bloqués tandis que les anions sont élués, puis une solution aqueuse d'acide formique et d'ammoniaque de concentration plus élevée de façon à éluer les cations. A titre d'exemple, la solution de faible concentration peut contenir entre 20 et 40 mM/l d'acide formique et entre 10 et 30 mM/l d'ammoniaque, et la solution de concentration plus élevée, entre 80 et 120 mM/l d'acide formique et entre 70 et 95 mM/l d'ammoniaque. Il est essentiel de faire passer sur la ou les colonne(s) d'abord la phase mobile de faible concentration puis celle de concentration plus élevée afin de ne pas éluer simultanément les cations et les anions ; ou seulement certains d'entre eux. Il est à noter que, conformément à une autre caractéristique de l'invention, on peut envisager d'insérer une ou plusieurs phases stationnaires dans la boucle d'injection de l'appareil de chromatographie de façon à effectuer une préconcentration pouvant être sélective ou non (cations, anions ...). De tels systèmes de préconcentration, qui peuvent être utilisés en ligne ou hors ligne, permettent d'effectuer l'analyse de faibles concentrations (inférieures au mg x 1 ). Il est également à noter qu'à lélution simultanée des cations et des anions peut supplémentairement s'ajouter celle des molécules neutres sans modification des éluants ou en leur additionnant un modificateur organique tel que ceux utilisés en chromatographie à polarité de phases inversée. Les caractéristiques du procédé qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux exemples ci-dessous Exemple l : Analyse des cations sur un échangeur de cations On a analysé un mélange de monocations (Na, K) et de dications (Mg, Ca) sur une colonne PARTISILs SCX 10 /m (4,6 X 100 mm). Après injection de ce mélange, on a fait passer sur cette colonne une phase mobile constituée par une solution renfermant 100 mM/l d'acide formique et 87,6 mM/l d'ammoniaque, ce avec un débit de 1 ml/min.. On a analysé l'éluant à la sortie de la colonne avec un DEDL. Le chromatogramme obtenu est représenté sur la figure 1 sur laquelle le premier pic correspondant à un temps de rétention de 1,308 min. représente les anions qui sont élués instantanément, tandis que les pics suivants correspondant respectivement à des temps de rétention de 2,31 + + 2,708 ; 4,941 et 6,061 min. représentent les ions Na , K ++ ++ Mg , Ca Cet exemple montre que l'analyse d'un tel mélange est possible par le procédé conforme à l'invention. Exemple 2 : Analyse d'anions sur un échangeur d'anions On a analysé un mélange de chlorure, nitrate et sulfate sur une colonne SHIMADZU IC A10 (4,6 X 100 mm). Après injection de ce mélange, on a fait passer sur cette colonne une phase mobile constituée par une solution renfermant 10 mM/l de CF3COOH, ce avec un débit de 1 ml/min.. On a ensuite analysé l'éluant à la sortie de la colonne avec le DEDL. Le chromatogramme obtenu est représenté sur la figure 2 sur laquelle le premier pic correspondant à un temps de rétention de 1,22 min. représente les cations qui sortent en volume mort, tandis que les pics suivants, correspondant respectivement à des temps de rétention de 3,23 ; 4,20 et 6,12 min., représentent les chlorures, les nitrates et les sulfates. Cet exemple montre que le procédé conforme à l'invention peut également être mis en oeuvre pour effectuer l'analyse d'un tel mélange. Exemple 3 : Analyse d'anions sur une résine en carbone sra- Dhitisé poreux On a analysé une eau minérale (de l'eau de Perrier) sur une colonne HYPERCARBs 5 ym (4,6 X 100 mm). Après injection de l'eau à analyser, on a fait passer sur cette colonne une phase mobile constituée par une solution renfermant 30 mM/l d'acide formique et 20 mM/l d'ammoniaque, ce avec un débit de 0,5 ml/min.. On a analysé l'éluant à la sortie de la colonne sur DEDL. Le chromatogramme obtenu est représenté sur la figure 3 sur laquelle le premier pic correspondant à un temps de rétention de 2,482 min. représente les cations qui sortent quasi instantanément tandis que les pics suivants correspondant respectivement à des temps de rétention de 3,372 ; 3,978 et 5,777 min. représentent les chlorures, les sulfates et les nitrates. Cet exemple montre que le procédé conforme à l'invention permet aussi d'effectuer une telle analyse. Exemple 4 : Préconcentration d'anions sur une résine en car bone graphitisé poreux Cet exemple a été mis en oeuvre avec des conditions d'analyse identiques à celles de l'exemple 3. On a fait passer, sur 200 mg d'une résine HYPERCARBe 10 ml d'une solution renfermant 5 ppm d'ions SO4 et on a débloqué le concentrat d'anions sulfate retenu sur cette résine avec 1 ml de solution éluante renfermant de l'acide formique et de l'ammoniaque ; on a ensuite analysé cet éluant à l'aide du DEDL en sortie de colonne. Le chromatogramme obtenu est représenté sur la figure 4A dans laquelle le pic correspondant à un temps de rétention de 3,837 représente les ions SO4 dont la concentration est d'environ 37 ppm. Dans un but comparatif, on a analysé des solutions étalons de sulfate de sodium ayant des concentrations de 30 et 40 ppm en sulfate, ce toujours dans les mêmes conditions que celles choisies dans l'exemple 3. Les chromatogrammes obtenus sont représentés sur les figures 4B et 4C dans lesquelles le premier pic correspondant à un temps de rétention de 2,233 ou 2,25 min. repré- sente le sodium tandis que le second pic correspondant à des temps de rétention de 3,94 ou 3,958 min. représente l'ion sulfate. Il est à noter qu'une préconcentration de 100 % revient à doser 50 ppm de S04 alors que l'on n'en a obtenu que 37 ppm, ce qui signifie que l'on a eu 74 % de préconcentration. Exemple 5 : Analvse des anions en présence ou en l'absence des cations associés On a analysé une solution étalon renfermant 25 ppm de Na2 SO4 dans des conditions identiques à celles choisies dans l'exemple 3. Le chromatogramme ainsi obtenu est représenté sur la figure 5A sur laquelle le premier pic correspondant à un temps de rétention de 2,23 min. représente le sodium tandis que le second pic correspondant à un temps de rétention de 4,368 min. représente l'ion sulfate. On a recommencé cette analyse en ayant percolé préalablement l'échantillon à analyser sur une cartouche échangeuse de cations. Le chromatogramme qui a été obtenu est représenté sur la figure 5B, dans lequel l'unique pic qui correspond à un temps de rétention de 4,205 min. représente l'ion sulfate. On met ainsi en évidence que le couplage de la résine HYPERCARBs avec un échangeur de cations permet de faire disparaître le pic correspondant au sodium. Dans le cas d'une analyse des seuls anions, mêmes les anions très peu retenus pourront être dosés sans être gênés par l'élution, voire la coélution des cations. Exemple 6 : Analvse simultanée d'anions et de cations tar couplage de deux phases stationnaires différentes en utilisant un éluant de composition donnée à deux concentrations différentes On a analysé plusieurs échantillons sur deux phases stationnaires constituées par l'association d'une silice PARTISIL SCXs similaire à celle mise en oeuvre dans l'exemple 1 et d'une résine HYPERCARB3 similaire à celle mise en oeuvre dans l'exemple 3. Après injection de l'échantillon à analyser, on a fait passer sur les colonnes, pendant 4 min. (c'est-à-dire entre les temps 0 et 4 min.) une première phase mobile constituée par une solution renfermant 30 mM/l d'acide formique et 20 mM/l d'ammoniaque, ce avec un débit de 0,4 ml/min. puis, pendant les 16 min. suivantes (c'est-à-dire entre les temps 4 et 20 min.) une seconde phase mobile constituée par une solution renfermant 100 mM/l d'acide formique et 87 mM/l d'ammoniaque. On a analysé l'éluant à la sortie de la colonne sur DEDL. Les chromatogrammes obtenus sont représentés sur les figures 6A, 6B et 6C. La figure 6A correspond à l'analyse d'un mélange de NaCl et de MgCl2. Le premier pic correspondant à un temps de rétention de 5,267 min. représente l'ion Cl tandis que les deux pics suivants, qui correspondent à des temps de rétention de 7,76 et 11,62 min., représentent respectivement + ++ les ions Na et Mg La figure 6B correspond à l'analyse d'une eau minérale (eau de Perrier&commat;). Les pics successifs, qui correspondent à des temps de rétention de 4,717 ; 4,988 ; 5,95 7,358 ; 11,858 et 12,758 min., représentent respectivement les ions Cl-, SO4--, NO3-, Na+, Mg++ et Ca++. Il est à noter que le petit pic intermédiaire entre les pics correspondant à des temps de rétention de 7,358 et 11,858 min. correspond à l'ion K à faible concentration. La figure 6C correspond à l'analyse d'une eau de distribution. Les pics successifs, qui correspondent à des temps de rétention de 5,748 ; 6,008 ; 7,097 ; 7,715 ; 8,616 12,243 et 13,103 min. correspondent respectivement aux ions + + ++ ++ Cl , SO4 , NO3 , Na , K , Mg , et Ca Cet exemple a donc permis de mettre en évidence que le procédé conforme à l'invention permet de réaliser l'analyse directe et simultanée des anions et des cations renfermés dans un échantillon, avec par ordre d'élution les anions puis les cations. Exemple 7 : Analvse simultanée d' anions et de cations par couplage de deux phases stationnaires différentes en utilisant un éluant de comPosition donnée dont on a fait varier la concentration On a analysé une eau minérale (de l'eau de VOLVIC&commat;) sur deux phases stationnaires constituées par l'association d'une colonne HYPERCARBs 7 pm (4,6 x 100 mm) et d'une colonne LICHROSILs 5 ym (4,6 x 100 mm) c'est-à-dire un échangeur de cations fort. Après injection de 75 microlitres de l'échantillon d'eau à analyser on a fait passer sur les colonnes différentes concentrations d'une phase mobile constituée par une solution renfermant 100 mM/l d'acide formique et 60 mM/l d'ammoniaque ayant un pH de 3,71, ce dans les conditions suivantes Débit = 0,8 ml. min-1; TD = 45 C ; b = 2,1 bars ; PM = 10 Plus précisément, après injection de l'échantillon à analyser, on a fait passer sur les colonnes, pendant 7 min (c'est-à-dire entre les temps 0 et 7 min) cette même phase mobile à une concentration de 25 %, puis pendant les 8 min suivantes (c'est-à-dire entre les temps 7 et 15 min) la phase mobile susmentionnée en faisant constamment varier sa concentration de 25 % à 100 %, puis enfin, pendant les 10 min suivantes (c'est-à-dire pendant les temps 15 à 25 min), la phase mobile à une concentration de 100 %. On a analysé l'éluant à la sortie des colonnes sur DEDL. Le chromatogramme obtenu est représenté sur la figure 7. Les pics successifs sont identifiés sur le tableau ci-dessous. Temps de ré- Composé Efficacité Largeur à mi tention hauteur (sec.) 3,85 non identifié 4,77 Chlorure 5022 9,5 6,11 Sodium 9156 9,02 7,08 Sulfate 3806 16,2 7,99 Potassium 20130 16,4 9,64 Nitrate 6809 16,5 16,42 Magnésium 27242 14,1 19,99 Calcium 14559 23,4 Cet exemple a donc permis de mettre en évidence que conformément à l'invention on peut éluer simultanément les cations et les anions de façon sélective, c'est-à-dire sans coélution d'espèces différentes et alternativement pour les cinq premiers élués soit Cl- puis Na+ puis SO4-- puis K+ et enfin NO3 Les deux exemples 6 et 7 démontrent qu'en choisissant correctement les deux colonnes à coupler tous les ordres d'élution entre anions et cations sont envisageables, et ce sans coélution d'espèces différentes. Concernant les dosages des anions et des cations dans les eaux, il suffit d'utiliser les courbes d'étalonnage, comme cela se fait avec n'importe quel détecteur. REVENDICATIONS 10) Procédé de séparation et d'analyse directe et simultanée de cations et d'anions faiblement volatils contenus dans un échantillon, caractérisé en ce qu' - on injecte l'échantillon dans un appareil de chromatogra phie en phase liquide coopérant avec au moins une phase stationnaire susceptible de retenir les cations et les anions contenus dans l'échantillon par compétition d'interactions avec la ou les phases stationnaires, - on élue les cations et les anions en faisant passer sur la ou les phases stationnaires au moins une phase mobile éva porable, et - on analyse directement les cations et les anions présents dans cette ou ces phase(s) mobile(s) à l'aide d'un détec teur évaporatif à diffusion de lumière. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lon fait passer l'échantillon sur deux colonnes couplées l'une à l'autre, en particulier montées en série, l'une de ces colonnes retenant les cations tandis que l'autre retient les anions, ou sur une colonne remplie de deux phases stationnaires différentes éventuellement mélangées dont l'une retient les anions tandis que l'autre retient les cations, ou encore sur une colonne remplie d'une phase stationnaire unique retenant les cations et les anions. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la colonne qui retient les cations et la colonne qui retient les anions sont commutables automatiquement. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la phase stationnaire qui retient les cations est un échangeur de cations. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la phase stationnaire qui retient les anions est un échangeur dansions. 60) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la phase stationnaire qui retient les anions est du carbone graphitisé poreux. 70) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la phase stationnaire unique qui retient les anions et les cations est un polymère fonctionnalisé du type dit PRPX 200 . 80) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on fait passer, sur la ou les deux phase(s) stationnaire(s), une phase mobile éluant les cations ou les anions puis une phase mobile éluant les anions ou les cations, ou encore une phase mobile éluant simultanément les cations et les anions de façon sélective, c'est-à-dire sans coélution d'espèces différentes. 90) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la phase mobile éluant les cations et la phase mobile éluant les anions sont constituées par des solutions de même composition mais ayant des concentrations différentes. 100) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les phases mobiles sont des solutions aqueuses d'acide formique et d'ammoniaque. 110) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que après injection des cations et des anions à analyser dans l'appareil de chromatographie, on fait passer, sur la ou les deux phase(s) stationnaire(s), une solution aqueuse d'acide formique et d'ammoniaque de faible concentration, de sorte que les cations restent bloqués tandis que les anions sont élués, puis une solution aqueuse d'acide formique et d'ammoniaque de concentration plus élevée de façon à éluer les cations. 120) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la phase mobile éluant les cations et la phase mobile éluant les anions sont constituées par des solutions de compositions différentes à des concentrations identiques ou différentes. 130) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on insère au moins une phase stationnaire dans la boucle d'injection de l'appareil de chromatographie de façon à effectuer une préconcentration pouvant être ou non sélective.