Grâce à la digestion par micro-ondes et à sa capacité à chauffer rapidement et en toute sécurité à des températures élevées, le temps d'exécution par rapport aux techniques à récipient ouvert est significativement plus court. C'est parce que des températures plus élevées sont corrélées à des temps de digestion plus courts. Il y a plusieurs systèmes disponibles pour la digestion micro-ondes. Ceux-ci diffèrent dans la technologie et dans la configuration de la cavité utilisée, et fournit des niveaux de débit d'échantillons variables.
Digestion par micro-ondes
La digestion par micro-ondes est une méthode spéciale et efficace de préparation d'échantillons pour l'analyse élémentaire. Chaque fois que des échantillons doivent être analysés pour des éléments traces, ils doivent être transférés sous forme liquide afin d'être analysés par l'équipement analytique. Ce lien entre l'échantillon et l'analyse s'appelle la préparation de l'échantillon.
La technique de base derrière la préparation d'échantillons assistée par micro-ondes est la digestion acide, qui est l'une des techniques de préparation d'échantillons les plus importantes. Par digestion acide, un échantillon est détruit ou dissous par l'utilisation d'acides et seuls les métaux (en traces) restent en solution. Cela transfère des échantillons dans un liquide analysable, ce qui est essentiel car des solutions claires et sans particules sont nécessaires pour que l'équipement analytique puisse déterminer de faibles concentrations de métaux toxiques.
Les exigences pour la digestion par micro-ondes sont élevées – il doit s'agir d'une méthode hautement fiable afin de ne pas compromettre les données analytiques. [1] Grâce à un chauffage efficace par micro-ondes, un contrôle de réaction fiable et une tolérance élevée à la température et à la pression, l'analyse d'échantillons tels les aliments, le sol et les produits pharmaceutiques est possible, ce qui permet le succès de l'analyse élémentaire ultérieure.
Considérations générales sur la digestion par micro-ondes
L'importance de la digestion pour une analyse élémentaire réussie
Il y a eu une augmentation rapide de la demande de digestion micro-ondes et d'analyse élémentaire au cours des dernières décennies. La croissance exponentielle des réglementations et des normes, une population humaine croissante et la distribution mondiale des biens posent d'énormes défis pour la sécurité, la qualité et la preuve de l'authenticité de divers produits. Tout cela peut être étudié avec des techniques analytiques. Cependant, bien que les instruments analytiques continuent d'offrir une haute résolution, une analyse rapide, une robustesse, une miniaturisation et une portabilité, la réalisation d'analyses réelles avec ces instruments nécessite toujours une préparation d'échantillons extensive (c'est-à-dire, digestion par micro-ondes). Obtenir des résultats précis nécessite une préparation d'échantillon appropriée car les erreurs commises lors de l'échantillonnage, de la préparation de l'échantillon ou de l'introduction de l'échantillon (injection) ne peuvent pas être corrigées même par le système analytique le plus avancé.
Malgré de nombreuses avancées ces dernières années, la préparation des échantillons est encore souvent considérée comme le goulot d'étranglement dans le procédé de travail analytique, car elle représente plus de 60 % du temps nécessaire, de l'échantillonnage au résultat final (voir Figure 1).
Figure 1 : Temps de consommation dans le processus analytique
Qu'est-ce que la digestion acide?
La digestion acide est la technique de préparation d'échantillons par micro-ondes en chimie humide la plus couramment utilisée. En utilisant des acides concentrés ou des mélanges de ceux-ci, les matrices d'échantillons organiques et inorganiques peuvent être totalement détruites ou dissoutes, et l'échantillon entier peut être mis en solution. Par la suite, la concentration des éléments ou des espèces peut être déterminée avec une technique analytique adéquate. Par exemple : AAS (spectroscopie d'absorption atomique), MIP-OES (spectrométrie d'émission optique à plasma induit par micro-ondes), ICP-OES (spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif), ICP-MS (spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif).[2]
Ci-dessous se trouve une liste des acides les plus couramment utilisés pour la digestion acide et leurs concentrations typiques :[3]
- Acide nitrique, HNO3 (65 %)
- Acide chlorhydrique, HCl (30-37 %)
- Acide fluorhydrique, HF (40-48 %)
- Acide sulfurique, H2SO4 (95-98 %)
- Acide perchlorique, HCIO4 (70-72 %)
- Acide phosphorique, H3PO4 (85 %)
- Peroxyde d'hydrogène, H2O2 (30 %)
- Eau régale, HCl + HNO3 (rapport volumique 3:1)
- Eau régale inverse, HCl + HNO3 (rapport volumique 3:1)
- Acide borique, H3BO3 (environ 5 %)
Qu'est-ce que la lixiaviation acide ?
La lixiviation acide est – comme la digestion acide – une méthode couramment utilisée dans la préparation d'échantillons assistée par micro-ondes. C'est un peu similaire à la digestion acide, mais cela ne détruit pas complètement ni ne dissout toute la matrice de l'échantillon. Parce que déterminer la (bio-)disponibilité des éléments est une question importante dans les études environnementales, la lixiviation acide est un choix populaire ici. Les acides typiques pour l'extraction des espèces de la matrice d'échantillon sont HCl et HNO3 – de préférence un mélange (dilué) (3:1, eau régale ou 1:3, eau régale inverse).
Pourquoi utiliser la digestion par micro-ondes pour la préparation d'échantillons?
Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques dans la plage de 300 MHz (0,3 GHz) à 300 GHz, avec une fréquence typique de 2.450 MHz pour les fours à micro-ondes domestiques et les équipements de laboratoire (voir Figure 2).[4]
Figure 2 : Le spectre des ondes électromagnétiques.
Les micro-ondes sont particulièrement bien adaptés aux tâches de préparation d'échantillons. Nous expliquons pourquoi ci-dessous.
Taux de chauffage rapides
Avec les micro-ondes, l'énergie électromagnétique est convertie en énergie thermique très efficace, ce qui entraîne des taux de chauffage extrêmement rapides. Ces taux de chauffage ne sont pas reproductibles avec un chauffage conventionnel. Avec le chauffage conventionnel, la chaleur vient de l'extérieur et pénètre dans le mélange réactionnel par des courants de convection (ce qui entraîne une paroi de récipient très chaude). En revanche, les micro-ondes traversent le mur du récipient (presque) transparent aux micro-ondes et chauffent le mélange réactionnel sur une base moléculaire – par interaction directe avec les molécules (Figure 3).
Figure 3 : Schémas simplifiés de la distribution de chaleur dans un mélange réactionnel chauffé de manière conventionnelle (a) et dans un mélange réactionnel chauffé au micro-ondes (b).
Activer et désactiver instantanément
Bien que le rayonnement micro-ondes puisse être instantanément activé et désactivé, le chauffage conventionnel ne le peut pas. Cela signifie que les vaisseaux continuent d'être chauffés même après que la source de chaleur a été éteinte. Cette capacité d'activation et de désactivation instantanés permet aux instruments de mettre en puissance lorsque nécessaire et d'éteindre le chauffage immédiatement lorsque requis (c'est-à-dire, en cas de dépassements de température ou de chauffage trop rapide).
Aucun contact avec le noyau de chauffage requis
En raison de la façon dont fonctionne le chauffage au micro-ondes (voir la Figure 2), aucun contact direct avec un noyau de chauffage n'est nécessaire. Cela vous permet de chauffer différentes tailles, formes et quantités de récipients avec le même système de micro-ondes. En plus de cela, le traitement parallèle est à la pointe de la technologie dans la digestion par micro-ondes, ce qui signifie que plusieurs échantillons et témoins peuvent être traités simultanément dans des conditions similaires.
Des températures et des pressions élevées peuvent être atteintes
Les systèmes modernes de préparation d'échantillons au micro-ondes vous permettent d'atteindre des températures allant jusqu'à 300 °C et des pressions allant jusqu'à 200 bars grâce à leur conception sûre et résistante à la corrosion. Cela vous permet de réaliser des digestions réussies qui ne pouvaient pas être effectuées à température ambiante ou en ne chauffant les mélanges acides qu'à leur point d'ébullition.
Quels paramètres sont importants dans la digestion micro-ondes ?
Température
Le paramètre le plus important pour la digestion acide et la lixiviation acide est la température. La haute température a deux fonctions importantes. Tout d'abord, pour accélérer la réaction de digestion. Deuxièmement, pour améliorer la qualité de la digestion en raison du potentiel d'oxydation accru du mélange d'acides utilisé.
Temps
Selon l'équation d'Arrhenius,[5] une augmentation de la température entraînera une diminution du temps de réaction (Figure 4). Il existe plusieurs raisons pour lesquelles les micro-ondes raccourcissent les temps de digestion, y compris leur effet de chauffage très rapide, leur capacité à être activés et désactivés instantanément, et leur processus d'opération optimisé.
Figure 4 : Équation d'Arrhenius et calcul théorique de la température-temps utilisant la « règle de pouce ».
Qualité de la digestion
Une température plus élevée augmente également le potentiel d'oxydation des acides, ce qui a un effet positif sur la qualité de la digestion car une augmentation de la température entraîne une diminution de la quantité de carbone résiduel. La teneur résiduelle en carbone est un bon paramètre pour caractériser la performance de digestion, car de faibles valeurs de carbone résiduel entraînent moins d'interférences lors de l'analyse élémentaire. La figure 5 montre la teneur en carbone résiduel en fonction de la température de digestion : Plus la température est élevée, plus la teneur en carbone résiduel est faible.
Figure 5 : L'influence de la température sur la performance de la digestion micro-ondes.
Cela peut également être observé dans la Figure 6 : Le lubrifiant a été digérée à différentes températures en utilisant la même matrice de digestion et le même temps de digestion. Alors que l'échantillon a été complètement digéré (ce qui a donné une solution claire) à 260 °C, 170 °C n'était pas suffisant pour une digestion complète (de grandes quantités de carbone résiduel sont visibles à partir de la couleur de la matrice de digestion).
Figure 6 : Digestion par micro-ondes de lubrifiants à différentes températures (même temps de chauffage).
Poids de l’échantillon
Pour atteindre des températures élevées au-delà du point d'ébullition des acides utilisés, vous devez sceller les récipients de digestion. Cela entraîne des pressions élevées en raison de la pression de vapeur accrue des acides chauffés. En plus de la pression de vapeur, la réaction de digestion contribue également à la pression accumulée à l'intérieur du récipient. Selon la nature de l'échantillon qui doit être digéré, des produits plus ou moins gazeux se forment pendant la digestion selon l'équation de la Figure 7.
Figure 7 : Schéma général de réaction d'un échantillon organique étant digéré avec de l'acide nitrique. Pression totale dans le récipient scellé = pression de vapeur de l'acide + pression de réaction de l'échantillon
Puisque la pression de réaction est corrélée à la quantité de matière digérée, le poids de l'échantillon est un facteur important dans la digestion par micro-ondes. Des poids d'échantillon élevés limitent la température atteignable dans des systèmes de vaisseaux complètement fermés. Cette courte vidéo explique la corrélation entre la température et le poids de l'échantillon dans un tel système.
Afin de surmonter cette limitation de température avec des poids d'échantillon plus élevés, la technologie SmartVent est utilisée dans certains systèmes de digestion par micro-ondes. Cette technologie vous permet de libérer en toute sécurité les gaz de réaction pendant la digestion afin que vous puissiez maintenir des niveaux de température plus élevés pour une meilleure qualité de digestion.
Instruments pour la digestion micro-ondes
La cavité est la partie d'un système à micro-ondes où le récipient de digestion à micro-ondes est placé et irradié/chauffé. C'est la partie centrale de chaque système de digestion micro-ondes. Selon la conception de l'instrument, il existe différents modes d'irradiation.
Systèmes micro-ondes monomodes
Créée par un magnétron simple, l'énergie micro-ondes est dirigée à travers un guide d'ondes [6] vers le mélange réactionnel (voir Figure 8). On produit ainsi une « onde stationnaire », et le récipient réactionnel est situé dans un point chaud où il est possible de chauffer efficacement de petits volumes. Les réacteurs à micro-ondes monomodes ont un design compact, mais ils ne peuvent digérer qu'un seul échantillon à la fois.
Figure 8 : Illustration schématique d'une cavité monomode.
Réacteurs micro-ondes multimode
Dans les systèmes micro-ondes multimodes, un ou deux magnétrons sont utilisés pour créer une irradiation micro-ondes. Deux magnétrons créent un rayonnement micro-ondes. Celui-ci est dirigé directement jusque dans la cavité à travers un guide d’ondes puis distribué à l'aide d'un répartiteur d'ondes. Les micro-ondes sont reflétées par les parois et interagissent ainsi avec le mélange réactionnel de manière aléatoire. De plus, la rotation du ou des récipients réactionnels dans la cavité empêche les hétérogénéités de température et la formation de points chauds.
Ce mode vous permet de chauffer des volumes plus importants (>20 mL) de mélanges de réaction et de digérer plusieurs échantillons simultanément (jusqu'à 64 échantillons).
Figure 9 : Illustration schématique d'une cavité multimode.
Directed Multimode Cavity (DMC)
Le DMC combine les avantages des réacteurs monomodes et multimodes. Comme dans un système monomode, les micro-ondes sont dirigées vers l’échantillon, garantissant un chauffage extrêmement efficace dans un système peu encombrant. Mais, comme dans un système multimode, jusqu'à 12 échantillons peuvent être traités en un seul lot d'échantillons (voir Figure 10).
Figure 10 : Illustration schématique d'une CMD (cavité monomodale dirigée).
Cavité de digestion pressurisée (PDC)
Dans ces systèmes, l'énergie micro-ondes est créée par un seul magnétron et dirigée vers la PDC (Cavité de Digestion Pressurisée, Figure 11). Un revêtement en PTFE, rempli d'une solution de charge, est placé dans la cavité et est chauffé avec le milieu de réaction. Chauffer une solution de charge au lieu d'un récipient spécifique garantit une distribution de température optimisée et compense les réactions exothermiques. La température de digestion est contrôlée en permanence par un capteur de température au fond du PDC. Cela vous permet d'utiliser un (mais jusqu'à 28) flacon de digestion à paroi fine (en quartz, en verre ou en fluoropolymère) fermé par des bouchons simples sans volume de remplissage minimum requis. La "scellement" des flacons fonctionne avec un gaz inerte sous pression qui est rempli dans la cavité avant le chauffage. Cela empêche l'ébullition et l'évaporation du mélange de réactifs.
Ces systèmes ont une empreinte plus grande. Mais ce sont des systèmes couramment utilisés pour la digestion par micro-ondes en raison de leur flexibilité en ce qui concerne les différents types d'échantillons, les poids d'échantillons, les volumes de digestion et les matrices.
Figure 11 : Illustration schématique d'une chambre de digestion sous pression (CDP).
Liens utiles
- Trouver des systèmes disponibles pour la digestion micro-ondes.
- Parcourir les méthodes de digestion pour la digestion au micro-ondes.
Références
- Cammann, K. (2010). Chimie analytique instrumentale. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg.
- Bulska, E., Matusiewicz, H. (2018). Analyse des éléments traces inorganiques : Analyse et spéciation des éléments traces, De Gruyter, Berlin.
- Harris, D. C. (2014). Manuel d'analyse quantitative. 8e édition, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 796.
- Wikipedia, (2023). https://fr.wikipedia.org/wiki/Micro-onde
- Meyer, H., et E. Riedel. 2018. Chimie générale et inorganique. 12e édition, De Gruyter, Berlin, 180.
- Techopedia, (2023). https://www.techopedia.com/definition/722/waveguide
