Mai 2007 - n°9
L’oxycombustion induite par micro-ondes
(MOC)
Par Anton Paar France S.A.S
La combustion de matériaux organiques sous oxygène constitue
une méthode très répandue pour préparer
des échantillons en vue de l’analyse de traces. Or, le
développement de systèmes de combustion à usage
commercial ne s’est pas déroulé au même rythme
que l’évolution spectaculaire des méthodes de mesure
analytiques. La société Anton Paar est parvenue néanmoins
à transposer la méthode traditionnelle d’oxycombustion
sur le système de réaction assisté par micro-ondes
Multiwave 3000®. Les atouts des deux procédés sont
ainsi réunis sur un système de préparation d’échantillons
novateur et très performant.
Introduction
De nombreuses méthodes sont actuellement disponibles pour minéraliser
des échantillons qui présentent une teneur élevée
en matrice organique risquant de perturber sensiblement la détermination
consécutive des éléments. Parallèlement
à la minéralisation sur des plaques chauffantes, la minéralisation
sous pression induite par des micro-ondes s’est de plus en plus
imposée au cours des dernières années comme un
moyen efficace de préparer des échantillons. Dans les
deux cas, les constituants matriciels sont décomposés
par un mélange à base d’acides minéraux concentrés.
Ce mode d’action se traduit par des blancs (valeurs manquantes)
élevés d’une part, par la nécessité
de diluer les solutions obtenues pour parvenir à la compatibilité
appropriée avec les appareils d’analyse d’autre part.
Ces deux contraintes ne vont pas non plus sans augmenter les seuils
de détection.
La combustion d’échantillons organiques sous oxygène
présente une alternative performante à la minéralisation
par voie chimique humide. Cette méthode se prête très
bien à la détermination consécutive des matériaux
non métalliques (notamment les halogènes, le soufre et
le phosphore), mais aussi à l’analyse de métaux.
Pour inspecter des matières solides et des liquides combustibles
suite à l’oxycombustion préalable, il existe d’innombrables
méthodes normalisées (EPA, ASTM, DIN). Des systèmes
de combustion d’échantillons classiques sont déjà
commercialisés depuis des années, au nombre desquels il
convient de citer les bombes de combustion en acier, la fiole de Schöniger
ou le brûleur de Wickboldà fonctionnement continu.
Ces systèmes souffrent, hélas, de quelques inconvénients,
tels que le risque de contamination accru par des surfaces métalliques,
un débit d’échantillon moindre (vitesse de passage
plus lente) ou une manipulation quelque peu compliquée.
Pour allier les avantages de la minéralisation sous pression
à l’aide de micro-ondes par voie chimique humide à
ceux de l’oxycombustion, la société Anton Paar a
mis au point une technologie de combustion totalement novatrice qui
permet d’accroître énormément les prouesses
du célèbre système de préparation d’échantillons
par micro-ondes Multiwave 3000® : l’oxycombustion induite
par micro-ondes.
Principe de fonctionnement de l’oxycombustion
induite par microondes
Les échantillons solides à examiner sont d’abord
comprimés sous forme de pastilles et ainsi placés sur
un filtre en papier spécialement imprégné qui se
trouve dans des supports d’échantillon spéciaux
en quartz. Les supports d’échantillon sont insérés
au moyen d’un crochet également en quartz dans les récipients
à réaction qui sont remplis de la solution absorbante
appropriée.
Résistants à la pression, ces récipients à
réaction aussi employés pour réaliser la minéralisation
sous pression par voie chimique humide sont composés de quartz
et fermés par un joint d’étanchéité
à lèvres élaboré à base de PTFE-TFM
(polytétrafluoroéthylènetétrafluorométhoxylate)
très pur.
Ces deux matériaux garantissent la pureté et l’inertie
chimique qui sont absolument requises par l’analyse de traces
minutieuse.
Après que les récipients ont été fermés
et placés dans le rotor, ce dernier est également fermé.
Ils sont alors remplis d’oxygène à une pression
de 20 bars à l’aide du système de remplissage usuel
des récipients à réaction. Cette opération
s’effectue au moyen d’un propre poste de remplissage qui
peut être raccordé simplement à des bouteilles de
gaz ou à la conduite d’alimentation en oxygène aménagée
dans le laboratoire.
Contrairement à l’oxycombustion traditionnelle, l’inflammation
est déclenchée par l’émission de microondes.
Le filtre en papier disposé à l’intérieur
du tube à réaction s’enflamme, ce qui provoque la
combustion de l’échantillon sous atmosphère d’oxygène
à haute pression.
Durant la combustion, la matrice organique est détruite et les
substances à analyser (analytes) sont dégagées
dans la phase gazeuse, avant d’être recueillis dans la substance
absorbante. Les anions, tels que les halogènes ou les sulfates,
se mélangent normalement au même éluant qui est
aussi utilisé en vue de l’analyse consécutive par
chromatographie ionique, tandis que les métaux sont absorbés
de préférence dans des acides dilués. Selon la
matrice de l’échantillon en présence, une brève
minéralisation supplémentaire peut être nécessaire
pour assurer une récupération aussi complète que
possible.
Dans le cas d’échantillons contenant des silicates, le
processus peut éventuellement aboutir à des taux de récupération
moindres, étant donné que le recours à des acides
dilués ne permet pas de minéraliser intégralement
les particules silicatées et que les substances à analyser
(analytes) incorporées ne peuvent être détectées
de ce fait.
Les solutions peuvent être employées en général
directement dans l’analyse sans phase de dilution additionnelle.
La combinaison de la réduction drastique des blancs (valeurs
manquantes) due à un ajout minimal de réactifs avec la
pureté élevée de l’oxygène utilisé
se traduit par un seuil de détection nettement plus bas au regard
des méthodes de minéralisation classiques.
Applications
En principe, l’oxycombustion induite par micro-ondes s‘avère
idéale pour préparer des échantillons constitués
de matières solides, combustibles. L’analyse consécutive
d’halogènes, de soufre et de phosphore par chromatographie
ionique représente l’une des principales applications,
mais cette méthode convient aussi très bienà la
détermination des métaux.
Si l’oxycombustion induite par microondes offre une alternative
intéressante pour les échantillons qui ne peuvent être
que difficilement décomposés par le procédé
de minéralisation sous pression, elle fait encore l’objet
d’études approfondies, non achevées.
Il existe de multiples matières et matériaux d’échantillon
appropriés : du charbon et du coke jusqu’aux résidus
solides en passant par le papier et le bois, des denrées alimentaires
et des fourrages jusqu’aux composés organiques et aux matières
plastiques en passant par les échantillons biologiques. Il s’est
avéré avantageux de comprimer les échantillons
sous forme de pastilles. Les échantillons dispersés en
vrac brûlent souvent intensément et d’une manière
inégale, ce qui peut entraîner une combustion incomplète.
Les prises d’essai en vue de l’oxycombustion induite par
micro-ondes varient entre 100 et 500 mg selon le type d’échantillon
et le volume d’oxygène impliqué.
Il n’est pas recommandé d’appliquer cette méthode
aux échantillons qui peuvent réagir spontanémentà
l’oxygène, donc également sans inflammation.
Avantages
Comparée aux autres systèmes d’oxycombustion disponibles
dans le commerce, l’oxycombustion induite par micro-ondes exploitée
sur l’appareil Multiwave 3000® offre d’énormes
avantages.
Garantie par l’emploi de quartz et de PTFE-TFM, la résistance
aux agents chimiques des récipients à réaction
permet la combustion même de matériaux très corrosifs,
tels que des échantillons chlorés sans devoir recourir
à des éléments d’insertion auxiliaires ni
à des matériaux spéciaux. Vu qu’aucune pièce
métallique ne se trouve à l’intérieur des
récipients à réaction, le risque de contamination
est fortement réduit.
La capacité exceptionnelle du système à brûler
simultanément jusqu’à huit échantillons permet
d’accroître considérablement le débit (la
vitesse de passage) des échantillons. Très puissant, le
système de refroidissement réduit considérablement
le temps de
préparation.
Enfin, l’oxycombustion induite par micro-ondes sur l’appareil
Multiwave 3000® se caractérise par un maniement très
convivial et sûr. La manipulation des réacteurs est nettement
plus rapide et plus simple que l’emploi d’une bombe de combustion
en acier. Le raccordement fastidieux de connexions électriques
et de câbles d’allumage est totalement supprimé.
Le système de préparation d’échantillons
Multiwave 3000® est le seul modèle à disposer des
deux sigles d’homologation ETL et GS, car la sécurité
de l’utilisateur figure au premier rang de nos priorités.
Résultats d’analyse
Pour éprouver toute les performances de l’oxycombustion
induite par micro-ondes, divers matériaux de référence
certifiés (plante aquatique (BCR 60, BCR 61), poudre de lait
(BCR 63, BCR 151), feuilles de pêcher (BCR 100) et rein de cochon
(BCR 186) ont été examinés par le centre commun
de recherche de la Commission européenne de l’Institut
des matériaux et mesures de référence (IRMM) en
Belgique [1,2].
Pour analyser des métaux dans la poudre de lait, la combustion
a été associée à un programme de minéralisation
bref (20 mn à une puissance de 1400 W pour une durée de
refroidissement de 15 mn). Il a été fait usage d’une
solution absorbante, composée de
4 ml d’eau, de 1 ml de HNO3 et de 0,5 ml de HCl. Selon l’élément
considéré, la détermination s’est déroulée
en appliquant différentes techniques ICP-OES (spectrométrie
d’émission optique par plasma à couplage inductif),
ICP-MS (spectrométrie de masse avec ionisation par plasma à
couplage inductif) ou CVAAS (spectrométrie d’absorption
atomique à vapeur froide). Les concentrations d’éléments
se sont situées alors dans une plage comprise entre 0,1 et 50
ppm. Les taux de récupération ont varié de 96 à
103 % avec une dispersion de 0,6-11 % La détermination des matériaux
non métalliques (Cl et S) dans des matériaux de référence
a été réalisée à l’aide de
la chromatographie ionique. Une solution tampon au carbonate (9 mmol•L
1) a servi à l’absorption, d’où l’économie
d’un programme de minéralisation supplémentaire.
Suivant l’échantillon, les concentrations sont de 1,5-10
g•kg 1 (Cl) ou 2-5 g•kg 1 (S),
moyennant quoi les taux de récupération tant du chlore
(93-104 %, dispersion 5-13 %) que du soufre (91-101%, dispersion 4-13
%) ont attesté à merveille de l’aptitude analytique
de cette méthode.
Conclusion
En exploitant l’oxycombustion induite par micro-ondes sur son
appareil Multiwave 3000®, la société Anton Paar a
réussi à redéfinir une méthode classique
pour l’appliquer à la préparation d’échantillons
organiques. Il en découle ainsi un procédé de combustion
très performant en vue de l’analyse consécutive
de métaux et de matériaux non métalliques. L’utilisateur
dispose aussi d’une véritable solution de rechange à
la minéralisation sous pression par voie chimique humide, qui
se distingue par d’innombrables atouts, tels que des seuils de
détection réduits ou un débit d’échantillon
supérieur.
Le rééquipement des configurations Multiwave 3000®
existantes est par ailleurs réalisable sans solliciter de grands
moyens.
Références
[1] E.M.M. Flores, J.S. Barin, J.N.G. Paniz, J.A. Medeiros,
G. Knapp: Anal. Chem. 76 (2004), S. 3525-3529.
[2] E.M.M Flores, J.S. Barin, B. Maichin, M. Zischka, G. Knapp: Improvements
of a new microwave assisted combustion technique for trace element analysis,
in preparation.