Cours de Chimie Analytique

1. Cours de Chimie Analytique Jean-Luc Vialle jluc.vialle@gmail.com 2009-2010

2. Objectifs • Maitriser les techniques utilisées dans les domaines: - De l’agroalimentaire (lipides, glucides, protides) - Connexes à la production (environnement, culture, élevage) • Approfondir quelques techniques majeures et discriminatives

3. Panorama des techniques La Quantification et l’Echantillonnage La Chromatographie L’HPLC et La CPG L’ Absorption Atomique et L’ Absorption Moléculaire Sommaire

4. Déroulement - Contrôle • 5 Interventions: Cours • 1,5 TD + 0,5 TD Projet • 1 Projet (TP) • 1 contrôle • Claroline: Chimie Analytique • Documents (cours + Power-Point) • Forum (Questions)

5. Chapitre N°1 Panorama des techniques analytiques

6. Sommaire • Introduction Les environnements Recherche, R&D, Production • Contraintes des analyses Personnel, Matériel, Normatives, Economiques • Classifications des techniques Propriétés, Etat, Seuil, Cibles

7. I°) Introduction • Objectifs: Adéquation entre un‘produit’ et un cahier des charges et/ouunelégislation. • Moyens: Quantifications +/- précises de différentsparamètres • Paramètres: Sensoriels, Physiques, Chimiques µ biologiquesliés à la matrice, à la molécule

8. Représentativité: Analyse, Echantillonage, Extraction, Conservation. • Adaptation de la méthode au résultat attendu • Ciblage des paramètres en fonction des objectifs et de l’environnement - Recherche - Recherche et Développement - Production

9. 11 L’environnement Recherche • Objectifs: Structurale / Evolution • Mots Clefs: Liés au produit Nature, Origine, Matrice, Etat, Pureté • Moyens: Techniques Lourdes disponibles en Centre de Recherche ou en externalisation • Obligations de moyens: Pas / peu de contraintes économiques et temporelle

10. 12 L’environnement R&D • Objectifs: Quantification 2 phases: • Centréesur le produit + Niveau de détection • Transposition en production : Contraintesnormatives • Moyens plus softs • Techniques globales / discriminatives

11. 13 L’environnement Production • 3 mots clefs: Simplicité - Durée - Coût • Nouvelles contraintes: Obligations - Références - Externalisation - Qualification • Techniques mises en œuvre : Liées à la valeur ajoutée du produit: Faible  Globale Elevée  Discriminative

12. II°) Contraintes des analyses • Liées au personnel • Liées au matériel • Liées aux méthodes • Liées à l’aspect économique et à l’aspect délai

13. 21 Personnel compétent • Production : Faibles compétences  Analyses simples (globales)  Automatisation • Laboratoire d’analyse: Niveau de compétence + élevé  Analyses discriminatives  Automatisation • Laboratoire de recherche: Niveau de compétence très élevé  Interprétation des analyses

14. 22 Contraintes matérielles • Coût d’investissement: - Routine (Production) : 15.000 Euros - Analyse discriminative: 15.000 Euros par ligne d’analyse - Analyse structurale: Quelques centaines de milliers d’Euros par technique. • Coût de fonctionnement et de maintenance

15. 23 Contraintes Normatives et Légales • Normes ISO, Afnor, Din, Asae… font références et sont incontournables si obligations légales • Méthodes officielles: AOAC pallient l’absence de normes • Méthodes interprofessionnelles Ex: Test de sédimentation de Zélény, saccharimétrique dans l’industrie sucrière, MS chez la pomme de terre. • Méthodes internes (propres à l’entreprise)

16. 24 Contraintes économiques et temporelles • Liées à l’aspect légal ou marketting de l’analyse. • Liées à l’impact sur la production (Immobilisation) • Internalisation / Externalisation de l’analyse  Impact sur le délai et sur le coût • Liées au volume d’activité de l’entreprise et à la valeur ajoutée de la production

17. C < 15 Euros , D < 3 jours MS, pH, Gravimétrie, Brix, tests simples • 15 < C < 50 Euros, D < 3 jours Titrimétrie, Complexiométrie, AA, Absorption moléculaire • 100 > C > 50 Euros, D < 3 jours Techniques chromatographiques internalisées, simples • C > 100 Euros, D > 1 semaine Analyse thermiques, structurales, analyses chromatographiques externalisées

18. III°) Classifications des techniques • Selon les propriétés du soluté (matrice). • Selon le caractère ‘destructif’. • Selon l”état de la matière. • Selon le seuil de détection • Selon le caractère discriminant de l’analyse • Selon la ‘cible’ visée dans la molécule

19. Propriétés du soluté (matrice) Chimiques et µbiologiques - Physiques - Mécaniques - Thermiques - Optiques - Electriques - Magnétiques - Physico chimiques - Energétiques - Fragmentation • Caractère destructif / non destructif MEB, RX, RMN du solide, Near FTIR • Etat de la matière: S, L G • Seuil de détection: • 0,1% (1000 ppm) Titrimétrie - Thermiques - IR - RMN - Gravimétrie • 1 ppm: AA, AM ,Chromatographie… • Global / Discriminant: Titrimétrie / Séparatives

20. Classification selon la ‘cible’ • Molécule =  atomes et ou de groupes fonctionnels liés entres eux par des électrons. • Atome =  noyau + électrons • Propriétés physiques , chimiques +/- spécifiques et des Propriétés physico-chimiques spécifiques  Techniques Séparatives

21. Possibilité de la casser par apport d’énergiemécanique (chimique)  analyse élémentaire , Spectrométrie de masse. • Possibilité de modification de la molécule par apport d’énergie sous forme thermique  ATD, ATG, DSC, Fusion… • Possibilté d’action sur les molécules et ses atomes constitutifs par apport d’énergie sous forme lumineuse E = h = hc /  En fonction de l’énergie apportée, on agit sur des cibles différentes: SAA, IR, Absorption moléculaire

22. µ onde et ondes radio3 106 nmModification de la matrice • Infra-Rougede 2500 à 1000 nmVibration des atomes constitutifs des liaisons • Visible de 800 à 400 nmExcitation des electrons constitutifs des liaisons (les plus mobiles).Excitation des electrons atomiques • UV de 350 à 200 nmExcitation des électrons constitutifs des liaisons (les moins mobiles) • RX et rayons  < 3 nmArrachage des electrons constitutifs

28. Chapitre N° 2 La quantification

29. Sommaire • Introduction Les calculs d’incertitudes • Les méthodes ‘Absolues’ Methodes directes Dosages chimiques • Les méthodes comparatives Etalonnage interne et externe Les ajouts dosés • Conclusion

30. I°) Introduction • Analyse = Quantification • Structurale = Identification • Rappels sur les incertitudes Incertitudes absolues  n x Incertitudes relatives  x /x

31. II°) Les méthodes ‘absolues’ • Mesure de paramètre physiques Exemple Taux de cendres NF V 18-101 • Méthodes basées sur l’application d’une loi simple Exemple ; L’amidon (3ème directive du JO du 23/11 1980) • Méthodes basées sur des réactions chimiques

32. Acido-basique • Rédox • Complexiométrie - Précipitation • Conservation du nombre d’équivalents échangés • Méthodes à point final • Méthode directe: (NF T 60-204) • Méthode en retour (NF V 18-100)

33. III°) Méthodes comparatives • Etalonnage externe • Etalonnage interne • Méthode des ajouts dosés

34. 31 Etalonnage externe • Pas de dépendance d’un facteur extérieur • Application au dosage du phosphore soluble dans les terres (NF X 31-161) • Etalonnage • Exploitation des résultats • Avantages et inconvénients

35. 32 Méthode de l’étalonnage interne • Domained’utilisation • Principes • Application à l’analyse des FAME (NF T 60-234) • Avantages et inconvénients • Choix de l’étalon interne

36. 33 Méthode des ajouts dosés • Analyse de traces • Application en absorption atomique • Application en chromatographie • Avantages et inconvénients

37. Chapitre N° 3 Introduction à la Chromatographie

38. Sommaire • Introduction • Aspect thermodynamique • Aspect cinétique • Facteurs liés à la chromatographie

39. I°) Introduction • Technique séparative • Dualité Analytique / Préparative Lié à la valeur ajoutée • Les différents états de la matière solide – liquide – gaz – critique • Classification des techniques séparatives - Suivant les forces mises en jeu - Suivant l’état de la matière

42. Un peu d’histoire… • Khrômatos = Couleur Graphikos = Tracé • 1903 Tswett: CaCO3 Colonne ouverte • 1940 Martin et Synge : Théorie de la partition • 1950 Snyder: Théorie de l’adsorption • 1950 Martin et James CPG • 1960 CCM • 1970 HPLC et phase inverse • 1975 CPG Capillaire • 1985 HPLC en phase supercritique

43. Glossaire • Soluté: Espèce à séparer / à doser • Solvant: Solubilise le soluté • Eluant: Phase mobile • Eluat: Phase mobile (+ soluté) • Phase stationnaire: Phase immobilisée dans le système chromatographique

44. Schéma d’un chromatographe

45. Classification des techniques chromatographiques • Suivant la technologie: Surface / Volume • Suivant la nature des phases: Phase mobile: Liquide ou Gazeuse (Critique) Phase stationnaire: Solide ou Liquide immobilisé

46. Récapitulatif

47. II°) Aspect ThermodynamiqueThéorie des plateaux • Un soluté P qui se distribue entre les deux phases stationnaire et mobile = Equilibre K = [P]stat / [P]mob • K varie avec la force des interactions • Objectif: Multiplication du nombre d’équilibre : n • Ecoulement discontinu ; 1 plateau = 1 équilibre • y = fraction de P (stat) et x = fraction de P (mob) k’ = y/x = cste x + y = qo = 1

48. Evolution du soluté P