Brevet FR2895514A1 — publié le 20070629

TITRE : DISPOSITIF DE PRÉLÈVEMENT La présente invention concerne, de façon générale, le domaine du prélèvement par micro-extraction, aussi connu sous le terme SPME pour micro-extraction en phase solide. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de prélèvement de composants chimiques comprenant . une chambre pour recevoir des gaz ayant des composants à prélever ; au moins un support de fibre de prélèvement ; au moins une fibre de micro-extraction pour le prélèvement de composants chimique montée mobile par rapport audit support entre une position protégée où la fibre est insérée dans le support, à distance de la chambre et une position de prélèvement où la fibre est introduite dans ladite chambre. Il est connu d'utiliser des fibres afin d'effectuer des micros prélèvements dans un environnement gazeux à analyser. Pour cela, on insère la fibre dans le gaz et certaines substances chimiques contenues dans ce gaz se fixent alors sur la fibre. Puis la fibre ainsi chargée de substances chimiques prélevées dans le gaz est placée dans une enceinte de chromatographe où l'on élève la température afin de libérer les substances chimiques portées par la fibre dans l'enceinte. Cette opération est couramment appelée opération de désorption. A l'aide du chromatographe, on étudie alors la nature des substances prélevées et libérées et éventuellement on évalue les natures, proportions et éventuellement quantités de ces substances libérées. Dans ce domaine on connaît par exemple le document US 2004/0025302 dont l'objet est de produire un dispositif destiné à réaliser une opération de désorption/nettoyage de la fibre afin de permettre sa réutilisation lors d'une analyse subséquente. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un dispositif de prélèvement de composants chimiques permettant d'améliorer la précision de l'analyse quantitative et qualitative de substances chimiques présentes dans les gaz étudiés. A cette fin, le dispositif de prélèvement de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de pression et de température et des moyens permettant de maîtriser la température et la pression des gaz situés dans ladite chambre. Il a été remarqué que la maîtrise de la pression et de la température des gaz dans la chambre durant le prélèvement est une condition permettant une reproductibilité de prélèvement de substances chimiques pour une fibre donnée. Cette condition permet ainsi d'avoir des données de calibration de fibre relativement précise en termes de nature et quantité de substances prélevées par cette fibre dans des conditions de prélèvement déterminées (pression et température). Ainsi on peut grâce à l'invention établir une relation entre le résultat de l'analyse chromatographique des substances prélevées (quantité et nature de ces substances) et la composition des gaz où le prélèvement a été effectué. On sait ainsi évaluer précisément la nature, la concentration et la quantité des substances dans le gaz étudié. D'autre part le fait de réaliser ce prélèvement dans l'enceinte de la chambre et de faire varier les conditions du gaz à l'intérieur de la chambre est un avantage car l'opérateur gérant la mesure reste éloigné du lieu de prélèvement. Un autre avantage du micro prélèvement est qu'il n'y a pas de prélèvement à proprement parler d'un échantillon de gaz à analyser mais plutôt un prélèvement d'une faible quantité de substances contenues dans ce gaz. On peut également faire en sorte que ladite fibre soit en silice fondue et soit revêtue sur au moins une portion de longueur de fibre d'un polymère adapté pour collecter des composants chimiques. Un tel polymère est par exemple du Polydiméthylsiloxane ou du Polyacrylate. On peut également faire en sorte que le dispositif comporte plusieurs supports de fibres et plusieurs fibres, chaque support de fibre portant une fibre et cette fibre étant adaptée pour se déplacer sélectivement entre une position de prélèvement et une position protégée. En position protégée, la fibre, et plus particulièrement le polymère/revêtement qui la recouvre est inséré dans un tube de protection appartenant au support de fibre de façon à l'éloigner de la chambre et à éviter que le polymère ne prélève des substances chimiques dans la chambre. En position de prélèvement, la fibre sort du tube de protection appartenant au support de fibre de telle manière que le revêtement polymère soit inséré dans la chambre et puisse ainsi collecter des substances chimiques dans la chambre. Préférentiellement, le tube dans lequel est placée la fibre est démontable du dispositif afin de permettre le transport de la fibre entre le dispositif de l'invention et par exemple le chromatographe où se réalise l'analyse du prélèvement. Dans ce mode de réalisation le tube sert de moyen de protection de la fibre et permet ainsi de garantir la conservation des caractéristiques de prélèvement de la fibre. On peut également faire en sorte que le dispositif soit adapté pour que chaque fibre puisse sélectivement adopter une position de prélèvement ou une position protégée indépendamment de la ou des positions adoptées par la ou les autres dites fibres. Grâce à cette caractéristique, il est possible de faire plusieurs prélèvement simultanés ou différés les uns par rapport aux autres pour par exemple comparer entre eux les résultats de prélèvements réalisés avec différentes fibres toutes utilisées dans les mêmes conditions de prélèvement, ou par exemple pour faire plusieurs prélèvements à des instants différents et ainsi évaluer l'évolution de la composition des gaz présents dans la chambre. On peut également faire en sorte que le dispositif comporte des moyens de commande automatique adaptés pour déplacer automatiquement ladite fibre dans une ou l'autre de ses positions. Cette caractéristique permet une automatisation des prélèvements par exemple en fonction de critères temporels et/ou de conditions de pression de gaz et/ou de conditions de température de gaz. Ceci évite la présence d'un opérateur à proximité du lieu de prélèvement ce qui peut être un avantage dans des environnements à risque. Les moyens de commande comportent préférentiellement un piston commandé électriquement et/ou pneumatiquement et relié à la fibre de façon à exercer sur cette fibre une force axiale de coulissement dans le support de fibre. On peut également faire en sorte que les moyens de commande automatique soient reliés audits moyens de mesure de pression et de température et que les moyens de commande automatique soient adaptés pour commander automatiquement le déplacement de ladite fibre lorsque des conditions de pression et de température prédéterminées et préenregistrées dans une mémoire de programmation ont été détectées par les moyens de mesure de pression et de température dans la chambre. On peut également faire en sorte que la chambre comprenne une entrée et une sortie respectivement obturées sélectivement par des vannes. Ce mode de réalisation permet de confiner le gaz dans la chambre pour, par exemple, lui appliquer un chauffage et/ou le comprimer sans modifier le milieu extérieur à la chambre. On peut également faire en sorte que les moyens 25 permettant de maîtriser la température comportent une résistance électrique chauffante. On peut également faire en sorte que les moyens permettant de maîtriser la pression comportent un compresseur adapté pour compresser des gaz dans la 30 chambre. On peut également faire en sorte que le dispositif comporte un boitier en forme de valise dans lequel sont disposés la chambre, la ou les fibres et le ou les supports, permettant ainsi le transport du dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue schématique du dispositif selon l'invention la figure 2 représente un diagramme démontrant l'influence de la température des gaz lors du prélèvement sur les résultats de l'analyse de ces gaz et démontrant ainsi l'intérêt du dispositif de l'invention ; la figure 3a représente une fibre dans son support en position de prélèvement, c'est-à-dire au moins partiellement sortie du tube de protection ; la figure 3b représente une fibre dans son support en position protégée, c'est-à-dire rentrée dans le tube. Le dispositif de prélèvement 1 de l'invention, dans le mode de réalisation présenté sur la figure 1, comporte un boitier de protection 14 doté d'une poignée de transport 15 disposée sur le dessus du boîtier. Ce boitier permet au dispositif de prélèvement 1 d'être transportable pour effectuer des prélèvements en différents lieux de façon autonome tout en protégeant les fibres. Ce boîtier 14 est préférentiellement transparent pour permettre de visualiser depuis l'extérieur du boîtier la position de chaque fibre de micro-extraction 5. Une structure permet de fixer à l'intérieur du boîtier 14 chacun des six supports de fibres 4 ainsi que la chambre 2. La chambre 2 à la forme d'un tube aux extrémités 5 duquel sont fixées des vannes 13a et 13b d'obturation sélective de la chambre. Les supports de fibres sont assemblés de façon étanche le long de la chambre, de manière à éviter que du gaz ne s'échappe de la chambre par lesdits supports 10 de fibres 4 lorsque la pression dans la chambre varie. Chaque support de fibre possède un tube de protection 12 dont une extrémité débouche à l'intérieur de la chambre par une perforation adaptée. Ce tube de protection est préférentiellement prévu 15 pour être démonté du support de fibre afin de transporter la fibre qu'il contient. Comme représenté sur les figures 3a et 3b, la fibre comporte une partie centrale en silice dont une extrémité est recouverte d'un polymère adapté pour 20 prélever des composants tels que des solvants du butanol, acétate de butyle, éthylbenzène, m-p-xylène, o-xylène, buthylglycol, solvesso 100. Chaque tube de protection possède un diamètre intérieur tel que la fibre de prélèvement dite fibre 25 SPME et en particulier sa partie polymérisée puisse coulisser à l'intérieur du tube sans être dégradée et tel qu'une fois la fibre en position protégée, la partie polymérisée de la fibre soit en contact sur toute sa circonférence contre la paroi interne du tube. Ainsi, en 30 position protégée, le polymère est relativement isolé du gaz présent dans la zone de chambre 2, au bout du tube de protection. Idéalement l'extrémité de la fibre possède une zone étanche prévue pour que lorsque la fibre est en position protégée, cette zone étanche vienne en contact le long du tube de protection et forme une étanchéité empêchant le passage de gaz 3 de la chambre 2 vers l'intérieur du tube de protection 12. Le dispositif comporte un thermomètre 7 et une sonde de pression 6 qui sont disposés pour mesurer les pressions et températures à l'intérieur de la chambre. Idéalement les vannes 13a et 13b sont disposées pour autoriser ou non le passage progressif de gaz vers ou en dehors de la chambre. Ainsi en associant un compresseur en entrée de chambre, il est possible de maîtriser la pression de gaz dans la chambre, puis une fois la pression voulue atteinte, on ferme alors les vannes 13a et 13b pour conserver les conditions dans la chambre. Une résistance électrique est disposée autour de la chambre 2 pour permettre de chauffer cette dernière et une gaine d'isolation thermique est placée pour entourer la résistance électrique et la chambre afin de réduire les transferts thermiques entre l'intérieur de la chambre et l'extérieur du dispositif. La figure 2 représente différentes analyses chromatographiques de prélèvements effectués à l'aide d'une fibre dite SPME dans un échantillon homogène de gaz contenant 74 mg/m3 de substances chimiques. La seule variable entre les différents prélèvements analysés est la température à laquelle a été effectué le prélèvement. Sur cette figure, on retrouve les résultats d'analyses de 5 prélèvements effectués en portant l'échantillon de gaz à respectivement, 30 C, 40 C, 50 C, 75 C et 100 C. On s'aperçoit que chaque résultat d'analyse montre la présence dans le prélèvement de 7 composants chimiques qui sont nommément du butanol, de l'acétate de butyle, de l'éthylbenzène, du m-p-xylène, du o-xylène, 5 du buthylglycol, et du solvesso 100. On s'aperçoit qu'entre 30 et 100 C, plus la température de l'échantillon de gaz lors du prélèvement est faible et plus la quantité de substances prélevées par la fibre est importante. 10 Sur cette même plage de températures, on s'aperçoit que plus la température de prélèvement augmente et moins les proportions respectives des composants chimiques prélevés sont représentatives de la réalité des proportions de ces composants dans 15 l'échantillon de gaz étudié (la composition exacte de ce gaz étant connue). Ainsi pour un gaz tel que celui étudié, il est préférable pour avoir un résultat d'analyse représentatif de la composition réelle du gaz, en terme 20 de proportions des composants et en terme de quantité de ces composants, de fixer la température du gaz lors du prélèvement. Une analyse de l'influence de la pression sur la qualité des prélèvements par fibre démontre également 25 l'intérêt de maîtriser la pression du gaz lors du prélèvement. Toutefois l'influence de la pression sur la qualité du prélèvement est moindre que l'influence de la température. On cherchera à l'aide du dispositif de l'invention à maîtriser avant tout la température mais 30 aussi préférentiellement la pression du gaz dans la chambre. Avantageusement, on peut mettre en oeuvre un procédé de prélèvement utilisant le dispositif de l'invention. Ce procédé consiste dans un premier temps à 5 admettre dans la chambre un gaz à analyser pour y prélever des substances chimiques. Dans un second temps, on peut éventuellement fermer les vannes 13a, 13b de la chambre 2 afin d'en faire un espace clôt, ce qui facilite la maîtrise des 10 conditions de prélèvement dans la chambre. Cette étape n'est applicable que lorsque le dispositif 1 comporte des vannes 13a, 13b. Après avoir admis les gaz 3 et éventuellement fermé chacune de ces vannes 13a, 13b, on fait varier la 15 pression et la température du gaz dans la chambre jusqu'à ce qu'une condition de pression et de température de gaz soit atteinte. Lorsque cette condition de pression et température est détectée par les moyens de mesure 6, 7, alors le 20 passage d'au moins une fibre 5 en position de prélèvement (comme sur la figure 3a) est commandé. Après écoulement d'un temps de prélèvement prédéterminé et préenregistré dans une mémoire, le passage de cette fibre 5 de sa position de prélèvement 25 vers sa position protégée (comme sur la figure 3b) est alors commandé. Grâce au procédé utilisant le dispositif de l'invention on obtient une fibre chargée de composants chimiques prélevés dans des conditions de température et 30 de pression maîtrisées et éventuellement sur un temps de prélèvement prédéfini (10, 20 à 30 minutes). Grâce au dispositif 1 de l'invention, il est donc possible de paramétrer les conditions de prélèvement et également de les reproduire à volonté. Ce même procédé de prélèvement peut être déclenché pour chaque fibre, à un instant propre à chaque fibre afin de permettre un suivi de l'évolution du gaz dans la chambre. Par exemple si l'on place le dispositif de l'invention sur une canalisation d'acheminement de gaz et si de façon régulière et automatisée on réalise le même procédé de prélèvement, mais avec une fibre différente, on peut alors obtenir six prélèvements à six instants différents, ce qui permet une analyse temporelle du gaz transitant dans la chambre. Pour cela le dispositif comporte des moyens de mesure du temps qui sont reliés aux moyens de commande automatique et le déplacement de chaque fibre vers une de ses positions est commandé à un instant prédéterminé permettant ainsi un échantillonnage dans le temps des composés chimiques présents dans la chambre. Le dispositif de l'invention peut également être 20 utilisé pour mettre en œuvre un procédé de calibration de fibres 5. Ce procédé de calibration, consiste à utiliser le dispositif de l'invention pour réaliser un prélèvement à l'aide d'une fibre 5 donnée dans un échantillon de gaz 3 25 dont la quantité de composés chimiques est connue. On réalise ce prélèvement dit de calibration dans des conditions de prélèvement prédéfinies en terme de pression, température et temps de prélèvement, puis on analyse, par exemple à l'aide d'un chromatographe, la 30 nature et la quantité de substances prélevées par la fibre durant le prélèvement dans l'échantillon. On enregistre les résultats de cette analyse dite de calibration et on réalise une table de correspondance entre les résultats de l'analyse de calibration et des données propres à l'échantillon de gaz, permettant ainsi de caractériser la fibre dans des conditions de prélèvement données. Après avoir analysé les substances chimiques prélevées par la fibre, on décharge alors cette fibre des substances prélevées qu'elle pourrait encore contenir, par exemple en la chauffant au-delà d'une température de dégradation ou de vaporisation des substances. La fibre 5 ainsi analysée puis nettoyée et caractérisée est alors à nouveau disponible pour réaliser un nouveau prélèvement destiné à étudier un gaz contenant des substances chimiques en quantité et/ou concentration inconnue(s). Après avoir réalisé ce nouveau prélèvement dans des conditions de pression, température et temps de prélèvement préférentiellement identiques à celles du prélèvement de calibration, on analyse alors la nature et la quantité de substances prélevées par la fibre durant ce nouveau prélèvement. En comparant les résultats de l'analyse de ce nouveau prélèvement fait dans un gaz de composition inconnue avec les résultats de l'analyse de calibration, on quantifie alors les substances chimiques contenue dans le gaz de composition inconnue permettant ainsi une analyse quantitative et qualitative de ce gaz. Revendications 1) Dispositif de prélèvement (1) de composants chimiques comprenant - une chambre (2) pour recevoir des gaz (3) ayant des composants à prélever ; -au moins un support (4) de fibre de prélèvement (5) ; - au moins une fibre (5) pour le prélèvement de composants chimique montée mobile par rapport audit support (4) entre une position protégée où la fibre est insérée dans le support (4), à distance de la chambre (2) et une position de prélèvement où la fibre est introduite dans ladite chambre (2), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de pression (6) et de température (7) et des moyens permettant de maîtriser la température (8) et la pression des gaz situés dans ladite chambre (2). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fibre (5) est en silice fondue et est revêtue sur au moins une portion de longueur de fibre d'un polymère (10) adapté pour collecter des composants chimiques. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs supports de fibres (4) et plusieurs fibres (5), chaque support de fibre portant une fibre et cette fibre étant adaptée pour se déplacer sélectivement entre une position de prélèvement et une position protégée. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est adapté pour que chaque fibrepuisse sélectivement adopter une position de prélèvement ou une position protégée indépendamment de la ou des positions adoptées par la ou les autres dites fibres. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande automatique adaptés pour déplacer automatiquement ladite fibre dans une ou l'autre de ses positions. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande automatique sont reliés audits moyens de mesure de pression (6) et de température (7) et en ce que les moyens de commande automatique sont adaptés pour commander automatiquement le déplacement de ladite fibre (5) lorsque des conditions de pression et de température prédéterminées et préenregistrées dans une mémoire ont été détectées par les moyens de mesure de pression et de température dans la chambre (2). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre comprend une entrée et une sortie respectivement obturées sélectivement par des vannes (13a, 13b). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant de maîtriser la température comportent une résistance électrique chauffante. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant de maîtriser la pression comportent un compresseur adapté pour compresser des gaz dans la chambre. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (14) en forme de valise dans lequel sont disposés la chambre, la ou les fibres (5) et le ou les supports, permettant ainsi le transport du dispositif.