Digestion par micro-ondes pour analyse ICP

L'ICP-OES et l'ICP-MS sont des techniques courantes pour l'analyse élémentaire. Pour des résultats précis, une haute reproductibilité et de bons taux de récupération, vous devez préparer vos échantillons de manière appropriée. La méthode de préparation d'échantillons la plus couramment utilisée pour l'analyse ICP-OES et ICP-MS est la digestion par micro-ondes. Bien que nous présentions des informations plus détaillées dans "Un guide du chimiste pour la préparation des échantillons" (que vous pouvez obtenir gratuitement ici), certains des paramètres les plus importants pour cette méthode sont présentés ci-dessous.
 

1. Mélange d'acide
2. Température de digestion
3. Poids d'échantillon et temps de chauffage
4. Système de minéralisation micro-ondes

Vous n'avez besoin que de quelques acides différents ou mélanges d'acides pour effectuer avec succès une digestion par micro-ondes pour l'analyse ICP. Le type d'acide que vous choisissez dépend du type d'échantillon.

Les échantillons organiques ont principalement besoin d'acide nitrique (HNO₃) pour la digestion. L'acide nitrique oxyde tous les liaisons carbone-hydrogène pour former CO₂ et H₂O ainsi que des gaz nitreux selon l'équation suivante :

(CH₂)_n + 2n HNO₃ → nCO₂↑+ 2n NO↑ + 2n H₂O

Dans certains cas spéciaux, vous pourriez également avoir besoin d'autres acides:
 

• Acide chlorhydrique (HCl): Parfois, cela doit être ajouté pour stabiliser les analytes dans la solution, surtout si vous souhaitez analyser des éléments comme Hg, Pb, Cd et Fe. Sinon, ils ont tendance à s'adsorber à la paroi du récipient, ce qui entraîne des taux de récupération trop faible. 
   
• Acide hydrofluorique (HF): Ceci est utilisé si les échantillons contiennent des silicates. HF est le seul acide capable de dissoudre des silicates, donc l'ajout de petites quantités de HF ou de dérivés pourrait être nécessaire pour digérer complètement ces échantillons.
   
• Acide perchlorique (HClO₄): Cela introduit encore plus de pouvoir oxydant si HNO₃ est trop faible  et l'échantillon ne peut pas être détruit. Il est utilisé pour des échantillons comme le graphite, le charbon et certains types de carburant.

Les échantillons inorganiques nécessitent souvent des mélanges de différents acides. Les mélanges les plus courants sont les suivants :

• Eau régale: Vous pouvez utiliser un mélange de 3:1 HCl:HNO₃ pour digérer des alliages ou certains métaux nobles comme l'or ou le platine, mais il ne peut pas digérer tous les métaux nobles. L'eau régale est également fréquemment utilisée pour le lessivage (c'est-à-dire, l'extraction d'éléments solubles dans l'acide à partir d'échantillons environnementaux).
   
• Eau régale inversée: Cela correspond à un mélange de 1:3 HCl:HNO₃ et est moins corrosif pour l'équipement en usage. Pour de nombreuses applications, vous pouvez remplacer l'eau régale par l'eau régale inversée.
   
• Mélange de quatre acides: Surtout pour les échantillons géologiques et miniers, vous pouvez utiliser un mélange de HCl, HNO₃, HClO₄, et HF pour digérer totalement les minéraux.

De plus, l'ajout d'acide sulfurique ou phosphorique peut également aider à digérer certains échantillons inorganiques comme les céramiques et les oxydes (H₂SO₄) ou les métaux et alliages (H₃PO₄). 

Parfois, il peut être difficile de trouver le mélange d'acide approprié. Ainsi, les systèmes de digestion micro-ondes modernes pour l'analyse ICP disposent de bibliothèques de méthodes complètes à l'écran, qui suggèrent déjà des mélanges d'acides et d'autres paramètres nécessaires pour la digestion d'échantillons individuels. 

La température est un facteur crucial dans la digestion par micro-ondes avant l'analyse ICP, principalement pour deux raisons.

Bien que le point d'ébullition limite la température dans un système de récipient ouvert, la température qui peut être atteinte dans un système de récipient fermé – idéalement un système de digestion par micro-ondes – peut être beaucoup plus élevée et n'est limitée que par l' instrumentation qui a été utilisée.

Différents échantillons nécessitent des températures différentes pour une digestion complète au micro-ondes. Voici quelques exemples:
 

• Échantillons organiques
  Les hydrocarbures aliphatiques (y compris les hétéro atomes) nécessitent des températures allant jusqu'à 200 °C.
  Les hydrocarbures aromatiques (y compris les atomes hétéro) nécessitent des températures allant jusqu'à 250 °C.
   
• Échantillons inorganiques 
  Ceux-ci nécessitent souvent des conditions encore plus sévères : jusqu'à 280 °C pendant une ou deux heures.

Lors de la digestion par micro-ondes pour l'analyse ICP avec de grandes quantités d'un échantillon réactif, un comportement exothermique pendant la digestion peut entraîner des explosions si l'instrument ne peut pas contrôler l'augmentation immédiate de la pression. C'est pourquoi les conceptions modernes de récipients prévoient des mécanismes de libération de surpression (Technologie SmartVent) pour empêcher les pièces de se casser, tout en vous permettant d'utiliser des quantités d'échantillons plus élevées. 

Mais il y a encore des poids d'échantillon maximum et des temps de chauffage à respecter. Découvrez cet épisode Lab Time pour voir ce qui se passe dans un four à micro-ondes de cuisine (sans dispositifs de sécurité et contrôle de pression) avec une surpression dans un récipient. 

Avec cette vidéo en tête … vous devez optimiser le poids de l'échantillon et le profil de chauffage. En général, il y a une règle simple : Si vous n'êtes pas sûr du comportement de réaction de l'échantillon, commencez par :

• Un poids d'échantillon très faible (100 mg à 300 mg)
• Une gradient de chauffage fixe (par exemple, chauffer à la température cible en 20 minutes à 30 minutes)
• Température cible plus faible
• Et avec de petites quantités d'eau distillée (0,5 mL à 2 mL) ajoutées au mélange d'acide

Étant donné qu'il y a tant de paramètres différents à prendre en compte pour que la digestion par micro-ondes pour que l'analyse ICP soit réalisée avec succès, les systèmes modernes de digestion par micro-ondes disposent de bibliothèques de méthodes préinstallées ou en ligne, qui fournissent les réglages de paramètres dont vous avez besoin, en fonction de votre échantillon.

Pour de nombreuses tâches analytiques, il existe des méthodes standard, telles que ASTM, ISO / EN ISO, EPA et USP.^[2] Les laboratoires, chargés de la responsabilité de produire des données utilisées à des fins réglementaires (par exemple, dans la protection de l'environnement ou pour des applications médicinales), doivent adopter ces méthodes standard.

De telles méthodes passent par un long processus de discussion et de validation, et contiennent de nombreuses règles pour leur application. La bonne norme doit être utilisée correctement et être en accord avec la tâche analytique à accomplir. 

Des méthodes standard communes peuvent être réalisées avec succès dans des systèmes de digestion par micro-ondes. En raison de cela, les bibliothèques préinstallées et les bibliothèques en ligne disposent de méthodes standard qui sont entièrement conformes aux normes respectives.

Cliquez ici pour parcourir un grand nombre de rapports d'application et d'analyses d'échantillons pour la digestion micro-ondes pour l'analyse ICP.

Vous pouvez trouver des informations détaillées sur la façon de commencer avec la digestion par micro-ondes dans le livre "Un guide du chimiste pour la préparation des échantillons" ainsi que sur ce site web.

Il y a quelques échantillons faciles à digérer et des tâches analytiques simples pour lesquelles il suffit de faire bouillir les échantillons dans de l'acide dans un dispositif à récipient ouvert. Cependant, la grande majorité des échantillons nécessite des températures plus élevées entre 160 °C et 280 °C. Ils sont généralement digérés dans des instruments de digestion micro-ondesdédiés.

Voici un résumé des avantages les plus importants de la digestion acide par micro-ondes :

• Avec le chauffage au micro-ondes, vous pouvez atteindre rapidement la température requise. Parce que vous pouvez allumer et éteindre le micro-ondes instantanément, vous pouvez contrôler précisément la température de digestion. Ceci est particulièrement pertinent pour gérer en toute sécurité les réactions exothermiques instantanées.
• Les systèmes de digestion par micro-ondes sont conçus pour résister à des pressions et des températures élevées (jusqu'à 200 bar et 300 °C). Cela garantit une efficacité maximale et une qualité de digestion optimale. Lorsque les digestions sont terminées, les systèmes de digestion par micro-ondes refroidissent activement les récipients afin que vous puissiez les manipuler en toute sécurité.
• Puisque les températures élevées augmentent le potentiel d'oxydation des acides, la qualité de la digestion et de l'analyse est considérablement améliorée. Moins de carbone résiduel provenant d'échantillons organiques réduit les interférences spectroscopiques.
• Dans presque tous les cas, il y a une exigence de digestion de plusieurs échantillons (et blancs) en parallèle. En raison des systèmes de type rack ou rotor, vous pouvez digérer plusieurs échantillons et blancs en même temps.
• Les systèmes de digestion par micro-ondes dédiés disposent d'une bibliothèque de méthodes intégrée qui suggère le poids de l'échantillon, le mélange d'acides et un programme de température/temps pour digérer avec succès divers échantillons.

Tout cela réduit l'effort, le temps et le coût de l'étape de préparation des échantillons et conduit à des résultats analytiques plus rapides et plus précis. Cliquez ici pour des détails sur les instruments de digestion par micro-ondes.

Le contenu énuméré ci-dessus est également valable pour la préparation d'échantillons pour l'analyse AAS ainsi que pour divers types d'échantillons. 

[1] Stadler, A., Michaelis, M. (2021). Guide du chimiste pour la préparation d'échantillons, 3^e Édition Anton Paar Publishing, Graz : page 21, https://www.anton-paar.com/corp-fr/un-guide-pour-chimistes-sur-la-preparation-des-echantillons/

[2] Les méthodes standard les plus courantes pour la digestion et le lessivage par micro-ondes sont énumérées dans l'annexe de : Stadler, A., Michaelis, M. (2021). A Chemist’s Guide to Sample Preparation Anton, 3rd Edition, Anton Paar Publishing, Graz,  https://www.anton-paar.com/corp-fr/un-guide-pour-chimistes-sur-la-preparation-des-echantillons/