Le couplage GC-ICP-MS 

Séparation par GC Principe 

Une fois les espèces mercurielles dérivées afin qu‟elles soient plus stables thermiquement, l’échantillon est introduit sous forme liquide en tête de colonne par une micro-seringue qui va traverser le septum pour déposer l‟échantillon dans l‟injecteur. Cet injecteur est constitué d‟un liner situé en amont de la colonne. Le laboratoire LCABIE utilise un injecteur splitless (sur un GC Thermo Fisher). L’échantillon est vaporisé et mélangé dans le gaz porteur durant quelques secondes dans le liner avant d’être transféré à 95% dans la colonne. Les 5% restant sont évacués par l’ouverture de la vanne de fuite. Le laboratoire CIME utilise quant à lui un injecteur on-column (sur un GC Agilent), il n’y a donc pas d’étape de vaporisation. L’échantillon est directement mélangé au gaz vecteur et injecté à froid sur la colonne. Une fois volatilisés, les différents composés de l’échantillon vont être emportés par le gaz porteur (ou gaz vecteur) à travers la colonne et se séparer les uns des autres en fonction de leur affinité avec la phase stationnaire. La colonne capillaire utilisée par les deux équipes est une colonne apolaire MXT-1 (Restek) en acier inoxydable de 30 m de longueur, 0,53 mm de diamètre interne et recouverte d‟un film inerte Crossbond 100% diméthylpolysiloxane de 1 µm d‟épaisseur. Plus un composé a d’affinité avec la phase stationnaire, plus il mettra de temps à sortir de la colonne et donc plus son temps de rétention sera important. Dans le cas des espèces mercurielles, le MeHg éthylé ou propylé (MeEtHg, MePrHg) est moins Mise en place du couplage Partie II 90 lourd et moins volumineux que le iHg éthylé ou propylé (Et2Hg, Pr2Hg), il sortira donc avec un temps de rétention plus court. 

Points critiques et optimisation 

 Le principal point critique de la GC est le système d‟injection. Lors de l‟utilisation d‟un injecteur « on column », l‟ensemble de l‟échantillon est introduit à froid dans la colonne. Une injection à froid permet de limiter les pics « traînants » et améliore la répétabilité et la reproductibilité de l‟injection. Pour cela, la température dans l‟injecteur, au moment de l‟injection, doit être inférieure à la température d‟ébullition du solvant afin de concentrer la goutte de solvant en entrée de colonne. Le volume injecté est ensuite libéré en augmentant rapidement la température de l‟injecteur, en utilisant une grande vitesse d‟injection et une seringue de 10 µL pour injecter un volume de 1 µL afin d‟augmenter l‟ampleur du mouvement. Une injection rapide de l‟échantillon dans la colonne permet d‟éviter qu‟il s‟étale le long de la colonne. Le programme de montée en température du four utilisé au laboratoire LCABIE a été appliqué, soit un pallier de 60 °C pendant 1 min, suivi d‟une montée en température de 60 °C min-1 jusqu‟à atteindre 280 °C maintenus pendant 1 min. Par contre, la température initiale de l‟injecteur a été fixée à 75 °C afin que cette température soit inférieure à la température d‟ébullition du solvant (isooctane, Téb = 99 °C), puis un programme de montée en température est lancé avec une rampe de 120 °C min-1 (rampe maximale acceptée par l‟injecteur) jusqu‟à atteindre 280 °C, température finale de chauffe du four.

 Interface entre le GC et l’ICP-MS

Les premiers travaux d‟analyse en spéciation par le couplage GC-ICP-MS ont été publiés au milieu des années 80 (Van Loon et al., 1986). Les applications dans ce domaine et à partir de ce couplage connaissent depuis une popularité croissante et exponentielle. De nombreuses interfaces ont été développées qui connectent la sortie de la colonne du GC à l‟entrée de la torche de l‟ICPMS. La condition de base que doit absolument respecter une interface est que les analytes soient maintenus sous forme gazeuse pendant le transport de la colonne du GC à l’ICP, afin qu‟il n‟y ait pas de condensation dans l’interface. Ceci est le plus souvent réalisé par chauffage permanent de la ligne de transfert afin d’éviter la formation de points froids. Néanmoins, il est à noter que certaines interfaces ont été conçues avec un transporteur d’aérosol comme l‟explique Bouyssiere et al. (2002) dans une revue consacrée au couplage GC-ICP-MS et ses applications en spéciation. Partie II 91 Principe : Le couplage GC-ICP-MS se divise en trois parties comme le montre la figure 6, soit le GC, l‟interface et l‟ICP-MS. Figure 6: Schéma du couplage GC-ICP-MS (http://www.speciation.net/Public/Document/2007/08/11/2930.html) Le GC est relié à la torche de l‟ICP-MS par une ligne de transfert en acier inoxydable de longueur pouvant varier de 0,5 m à 1 m (0,85 m pour le couplage GC-ICP-MS de CIME, ligne commerciale, Thermo Fisher). Cette ligne de transfert est enveloppée d‟un manteau thermostaté maintenu par un bloc chauffant à une température égale à la température la plus haute du programme de chauffe du four du GC. Un débit de gaz d‟appoint dit gaz « make up » (argon (Ar), 300-350 ml min-1 ) est introduit en sortie de colonne afin de s‟additionner au débit de gaz porteur (hélium (He), 25 ml min-1 ) pour assurer le transport des analytes gazeux du GC vers la torche. La figure 7 illustre ce montage. Figure 7 : Photographie du four du GC en couplage GC-ICP-MS Port d‟injection Ligne de transfert Colonne Arrivée gaz make up Colonne de garde Début manteau chauffant 1 2 a b c Partie II 92 Les consommables en acier inoxydable utilisés pour le couplage sont passivés et traités silcosteel ou sulfinert (restek) afin de limiter les sites actifs. Les analytes sont injectés dans la colonne, vaporisés puis transportés par l‟He le long de la colonne à des vitesses variables selon l‟espèce. Ils traversent une première connexion (notée 1 sur la figure 7) qui relie la colonne à une colonne de garde MXT (restek) en acier inoxydable, de longueur variable selon la longueur de la ligne de transfert, de 0,28 mm de diamètre interne et 0,53 mm de diamètre externe. Cette colonne de garde est située après la colonne de séparation pour deux raisons. Premièrement, il n‟existe pas à ce jour de pièce « T » (connexion 2 de la figure 7) proposant deux entrées de diamètre 1/16″ (connexion avec la ligne de transfert (point 2c) et l‟arrivée du gaz make up (point 2b)) et une entrée de diamètre suffisant pour connecter la colonne MXT-1. Par contre, Restek propose un « T » avec deux entrées de 1/16″ et une entrée de 0,53 mm (point 2a). Deuxièmement, la colonne s‟encrasse rapidement au niveau de la ligne de transfert. La colonne de garde traverse la connexion « T » et se termine un peu avant la fin du manteau chauffant. A cet endroit, l‟He et le gaz make up s‟additionnent et les analytes sont poussés dans la torche à plasma. Points critiques et optimisation : La formation de points froids dans la ligne de transfert peut provoquer la condensation des analytes à cet endroit. L‟interface entre le GC et la torche doit donc être constamment et suffisamment chauffée, sans dégrader les analytes par action thermique. La colonne de garde est connectée à la sortie de la colonne et traverse la ligne de transfert. Elle s‟arrête à quelques centimètres avant la fin du manteau chauffant afin que le gaz porteur, suppléé par le gaz make up, transporte les analytes jusqu‟au plasma. Une représentation schématique de l‟interface entre le GC et l‟ICP-MS est présentée en figures 8 et 9. Figure 8 : couplage GC-ICP-MS ICP-MS GC Interface Partie II 93 Figure 9 : Interface du couplage GC-ICP-MS La distance entre la fin de la colonne de garde et la fin de la ligne de transfert peut être optimisée afin d‟améliorer la sensibilité de la détection et la forme des pics. Plus cet espace est grand, plus le mélange perd en puissance en raison des pertes de charges et plus la sensibilité du couplage baisse. Pour conserver des conditions correctes d‟analyse, la colonne de garde doit s‟arrêter entre 5 à 8 cm avant la fin du manteau. Le débit du gaz make up est également un facteur influençant la sensibilité de l‟analyse. Plusieurs débits allant de 25 à 300 ml min-1 (25, 100, 200, 250, 300 ml min-1 ) ont été testés. Pour des débits inférieurs à 200 ml min-1 , la sensibilité du couplage est insuffisante pour détecter les espèces Hg. Les chromatogrammes obtenus pour une solution standard naturellement enrichie en MeHg et iHg de 2 µg kg-1 pour des débits de gaz make up de 200, 250 et 300 ml min-1 sont présentés en figures 10 à 12. Figure 10 : Débit de gaz make up de 200 ml min-1 Pic de solvant iHg MeHg Partie II 94 Figure 11 : Débit de gaz make up de 250 ml min-1 Figure 12 : Débit de gaz make up de 300 ml min-1 Lorsque le débit de gaz make up augmente, une disparition de la fluctuation de la ligne de base sous l‟action de la perturbation du plasma lors de la combustion du solvant (notée « pic de solvant » sur les figures) est observée. De plus, une importante augmentation des hauteurs de pics est observée car le couplage devient plus sensible. Sur la figure 12 est constatée avec l‟augmentation de la sensibilité du couplage, l‟apparition d‟un pic inconnu de faible intensité entre le MeHg et le iHg. Son temps de rétention étant différent des temps de rétention des espèces étudiées, il ne perturbe pas l‟intégration des pics. Il s‟agit probablement d‟un résidu évacué de la colonne ou d‟un artéfact d‟éthylmercure dans la solution standard ou le réactif de dérivation. La sensibilité atteinte avec un débit de gaz make up de 300 ml min-1 est satisfaisante pour une bonne intégration des pics de Hg, toutefois des débits plus élevés n‟ont donc pas été testés. Néanmoins, nous avons constaté par la suite que des débits pouvant atteindre jusqu‟à 400 ml min-1 peuvent être utilisés pour l‟analyse d‟échantillons possédant de très faibles concentrations en Hg.