Autres méthodes : barbotage, colorimétrie et chromatographie

Lorsque le gaz à analyser est un mélange complexe de diverses molécules, il est souvent inté- ressant de séparer les produits par famille. Le principe de barbotage est de fixer sélectivement les substances à doser sous forme d’une solution. Le piégeage par absorption se fait par dissolution dans un milieu absorbant suivi par une réaction chimique entre ce milieu et les composés ciblés du mélange gazeux. Le composé stable formé est ensuite analysé par des méthodes appropriées aux molécules.

La figure 3.9 schématise le principe du dispositif de piégeage par absorption dans le cas de la fumée de cigarette.

La pompe entraîne le gaz à travers des solutions de piégeage disposées en série. Dans notre cas, deux flacons laveurs ont été utilisés afin de s’assurer du piégeage complet des molécules. Un filtre a également été introduit après la cigarette pour limiter la présence des particules et de goudron, responsable d’une couleur jaunâtre de la solution. Le volume de solution influence directement la concentration de l’espèce cible et donc la sensibilité.

La méthode de spectrophotométrie UV/visible, ou de colorimétrie (cas particulier du domaine visible), caractérise le changement d’absorption de la lumière par un milieu, en fonction de la va- riation de la concentration d’un constituant. On déduit la concentration en comparant l’absorption obtenue à celle d’un échantillon de concentration connue (la référence). La figure 3.10 montre un schéma de la méthode utilisée. La source de lumière est suivie d’un monochromateur (prisme, réseau, ou filtre coloré) pour ajuster la longueur d’onde. Deux cuves sont souvent utilisées, l’une contenant

126 CHAPITRE 3. DÉTECTION ET QUANTIFICATION D’ESPÈCES . . .

FIG. 3.9 –Schéma de principe d’un dispositif de piégeage par absorption. Les flacons laveurs contiennent différentes solutions (NaOH, HCl, DNPH).

l’échantillons, l’autre le blanc (cuve+solvant) [236]. Cependant, l’utilisation d’une seule voie peut être suffisante en effectuant des mesures successives sur la référence et l’échantillon. La solution piégée contient les substances à doser et l’introduction d’un produit spécifique crée une coloration caractéristique à une longueur d’onde donnée dont l’absorbance dépend linéairement de la concen- tration. L’étalonnage se fait par une série de solutions de référence. En pratique, la longueur d’onde choisie sera celle qui correspond au maximum d’absorbance du produit à analyser.

FIG. 3.10 –Méthode de colorimétrie à double faisceau.

D’autres espèces présentes dans la solution de barbotage peuvent être détectées et quantifiées par la chromatographie en phase liquide. Il existe plusieurs types de chromatographie et ici, nous expliquons brièvement le principe fondamental de toutes les chromatographies liquides. La figure 3.11 schématise le principe.

Les séparations sont fondées sur la différence de distribution (ou de migration) des espèces entre deux phases non miscibles, l’une stationnaire (silice ou échangeur d’ions présents dans la colonne), l’autre mobile ou l’éluant (phase liquide constituée par un solvant pur ou le plus souvent par un mé-

FIG. 3.11 –Schéma de principe de la chromatographie liquide.

lange de solvants). La mobilité du solvant est assurée par une pompe. Chaque soluté injecté sur la colonne est soumis à deux effets antagonistes : un effet d’entraînement par la phase mobile dans la- quelle il est soluble, et un effet de rétention par la phase stationnaire avec laquelle il interagit. Chaque constituant d’un mélange présentant des caractéristiques de distribution différentes progressera dans la colonne à des vitesses différentes, l’effet retardateur exercé par la phase stationnaire étant d’autant plus prononcé qu’ils ont plus d’affinité pour celle-ci. Il en résulte que les solutés ont des vitesses de déplacement différentes et inférieures à celles de la phase mobile. Ils traverseront donc celle-ci en un temps plus ou moins long selon leurs interactions propres avec la phase stationnaire : c’est l’élution.

Si les quantités injectées sont suffisamment faibles, des pics symétriques et gaussiens sont observés en sortie de colonne sur le détecteur, plus ou moins séparés sur le chromatogramme. Ces temps sont caractérisés par leur temps de rétention, temps auquel les pics apparaissent [236], [237], [238]. Un échantillon de référence est injecté en concentration connue. Le temps de rétention permet d’identifier les espèces et la comparaison des surfaces des pics permet de connaître la concentration.

3.6.2.1 Mesure de l’acide cyanhydrique par colorimétrie

Pour mesurer la quantité de HCN, les anions CN⁻sont absorbés dans une solution de NaOH (0,1 N ou 0,1 mol/L) par barbotage, puis dosés par la méthode colorimétrique.

(HCN)g+ (N aOH)l N a⁺+CN⁻+H₂O

D’autres acides sont également piégés par une réaction similaire (anionique). Le volume de NaOH

128 CHAPITRE 3. DÉTECTION ET QUANTIFICATION D’ESPÈCES . . . dans chaque barboteur est de 20 mL. Des réactions entre le CN⁻ et la chromanine T, pyridine et pyrazolone produisent une coloration bleue de la solution (réaction ci-dessous) [239].

Le dérivé formé présente une coloration caractéristique dont l’intensité dépend de la concentra- tion gazeuse initiale en CN⁻. L’absorbance est mesurée par un spectromètre UV-visible à 612 nm et la concentration est déduite à partir de mélanges calibrés. Une masse de 13,4 µg a été obtenue par cette méthode. Cette valeur est faible par rapport à la mesure de 158,9 ± 8,3 µg obtenue par la spectroscopie THz. Cette différence semble être attribuée à la méthode chimique où il existe des interférences négative lors de la coloration entre les autres espèces de la fumée et les réactifs, proba- blement entre d’autres acides et la pyridine. Pour confirmer cette hypothèse, nous avons introduit une quantité connue de CN⁻dans la solution colorée (CN⁻issu de la cigarette + réactifs) ainsi que dans une solution de référence. Par dosage, nous n’avons pas retrouvé cette concentration dans la solution colorée alors que la présence de ces anions est détectées dans l’échantillon de référence. Dans la suite, nous considérons que la masse de 13,4µg est une limite inférieure de la masse de HCN contenue dans la fumée de cigarette puisque seule une partie des anions ont réagi avec les réactifs. Les mesures par spectroscopie THz semblent plus efficaces pour la détection directe et la quantification de molécules fortement polaires comme HCN dans un mélange complexe comme la fumée de cigarette. D’autres mesures et expériences seront nécessaires pour valider cette première conclusion.

3.6.2.2 Mesure du formaldéhyde par chromatographie liquide haute performance.

Pour mesurer la concentration du formaldéhyde, une méthode standard de mesure d’aldéhydes et de cétones a été utilisée [216]. Cette méthode est basée sur la réaction des cétones et aldéhydes en phase gaz avec le 2,4-dinitrophenylhydrazine (2,4-DNPH) en phase liquide par barbotage en milieu acide. La réaction est montrée ci-dessous avec R₁et R₂qui sont des groupements alkyles, aromatiques (cas des cétones) ou un hydrogène (cas des aldéhydes).

Le volume de barbotage est de 20 mL par flacon en utilisant deux flacons laveurs pour augmenter la sensibilité. La forme obtenue, dérivé d’hydrazone coloré stable, est analysée par une chromatogra- phie liquide haute performance (HPLC) avec un volume injecté de 10µL dans une colone (ALTIMA C18 5 250 mL X4,6) et un détecteur ultraviolet à 360 nm [236], [237]. La phase mobile a été préparée à partir de mélange d’acétonitrile et d’eau (60 :40) avec un flux de 0,8 mL/min. En comparant à des échantillons de références, une masse de 103,7±2,0µg de formaldéhyde par cigarette a été mesurée, ce qui est en accord avec notre limite inférieure de 2,5µg calculée par spectroscopie THz. Wang et al. ont obtenu par la même méthode une masse de formaldéhyde de 101,9±2,3µg, valeur en accord avec nos mesures [216]. Par comparaison à d’autres échantillons de référence, la détection et des me- sures de concentrations de plusieurs aldéhydes ont été réalisées, notamment la masse d’acétaldéhyde (C₂H₄O) calculée qui est de 9,5 µg. Cependant cette mesure est en contradiction avec l’expérience de Wang qui détermine une masse de 631,4±5,5 µg [216]. Cette différence n’a pas été expliquée.

L’acroléine (C₃H₄O) ou/et l’acétone (C₃H₆O) ont été détectés mais les temps de rétention sont trop proches pour faire une identification fiable. Nous ne nous sommes pas attardés sur ces molécules puisqu’elles n’ont pas été détectées dans l’infrarouge lointain. Il est cependant possible de résoudre et d’identifier plus rigoureusement ces deux espèces.

130 CHAPITRE 3. DÉTECTION ET QUANTIFICATION D’ESPÈCES . . . 3.6.2.3 Mesure de l’ammoniac par chromatographie ionique.

Pour mesurer la quantité d’ammoniac, NH₃, présent dans la fumée de cigarette, les cations NH⁺₄ sont piégés dans une solution de HCl (0,1 N) par barbotage de 20 mL selon la réaction

(N H₃)g+ (HCl)l(Cl⁻)l+N H₄⁺

La solution obtenue est ensuite analysée par chromatographie ionique avec un détecteur mesurant la conductivité (en Siemens). La phase stationnaire est une échangeuse d’ions (résine CS DIONEX 12 A 4 X250 mL) [237], [238]. Le volume injecté est de 25µL. L’utilisation de solutions étalons, nous permet de connaître les temps de rétention. L’ion ammonium n’a pas été détecté dans la solution de barbotage. Nous avons également augmenté la concentration en NH⁺₄ en consumant trois cigarettes consécutives et la présence de ce cation n’a pas non plus été détectée. A partir des échantillons de référence, la limite de détection est estimée à 0,06 ppmv pour un signal de 0,01 Siemens. Cette valeur nous permet de connaître la limite inférieure de 0,4µg de NH₃présent dans la fumée d’une cigarette.

Ce résultat permet de valider une des hypothèses émise précédemment : la quantité de NH₃ présente dans la cigarette est trop faible pour être détecté par notre spectromètre. Un avantage de cette méthode chimique est qu’elle permet également de détecter le sodium, potassium, magnésium et calcium si- multanément.

Le tableau 3.3 donne également la quantité de chaque composé mesurée par des autres groupes spécialisés dans le tabac avec différentes techniques. A part la mesure de H₂CO par diode laser, la comparaison des mesures des autres groupes à celles réalisées par spectroscopie THz révèle que les résultats concordent malgré les différences entre les protocoles utilisés. En effet, les conditions ex- périmentales des autres laboratoires sont celles imposées par la FTC d’Amérique (American Federal Trade Commission) qui indique les conditions standards sous lesquelles une cigarette doit être fumée par des bouffées de 2 secondes de 35 mL de volume à des intervalles de 60 secondes [217]. Dans nos conditions, la cigarette est totalement consumée en quelques secondes et la totalité de la fumée est étudiée en statique. Ce protocole n’a pas pour but de respecter l’inhalation d’un fumeur mais de connaître la composition de la fumée. Dans notre expérience, la combustion complète d’un cigarette nécessite environ 30 secondes ce qui est rapide par rapport aux conditions FTC. Le protocole utilisé ne respecte pas la vraie inhalation d’un fumeur : le processus s’est déroulé à un débit estimé à plus de 5 litres/minute en continu alors que celui de l’homme est de 10 litres/minute mais de façon discontinue.