Des milliards pour détecter

2007/03/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Quand ils observent l'eau, les yeux humains voient un liquide transparent. Mais si nous regardons avec les petits yeux des chimistes tout change. L'eau n'est pas de l'eau, mais un mélange complexe de millions de produits chimiques. De même, le vin n'est pas du vin, un morceau de fromage n'est pas du fromage et un sportif n'est pas un sportif. Ce sont des mélanges de beaucoup de molécules.

Le cas de l'eau est indiqué, par exemple, sur l'étiquette des bouteilles d'eau. En plus de l'eau, le liquide contient des ions chlorure, sulfates, nitrates, etc., et de nombreuses autres substances qui ne sont pas spécifiées sur l'étiquette. Et parfois aussi sont représentés les ions qui ne sont pas considérés dans l'eau. "Eau sans sodium". Que signifie cela ? Qu'il n'y a aucun ion de sodium? Normalement non, cela signifie que le sodium, s'il existe, n'est pas détectable. En pratique, c'est la même chose, ce qui ne peut être détecté n'existe pas. Mais le problème est peut-être la technique utilisée pour l'analyse.

Les produits chimiques ne détectent pas une seule molécule. Ils ne peuvent pas. Ni deux molécules ; ou dix ; ou mille. Ils doivent contenir au moins un milliard de molécules pour détecter une substance. Il semble un milliard, mais c'est une bêtise si nous parlons de molécules. Il y a beaucoup plus de molécules dans presque n'importe où.

Petits et nombreux

Un exemple est un essai rempli d'eau. La molécule d'eau est petite, mais très abondante. Pour pouvoir visualiser les molécules d'eau, nous devrions multiplier la session par dix millions de fois, de dix centimètres à mille kilomètres au minimum. Si l'une des extrémités d'un programme de cette taille était à Bilbao, par exemple, l'autre serait à Cadix, environ. Si les molécules d'eau augmentaient dans la même proportion, elles auraient une longueur de deux millimètres. Oui, il serait difficile de séparer les molécules parce qu'elles se déplaceraient très vite. Mais il sert à faire une idée : il pense combien de molécules de deux millimètres entrent dans un essai de mille kilomètres de longueur.

Le physicien Amadeo Avogadro a trouvé la quantité: 18 millilitres d'eau à 6,023 x 10 23 molécules, presque un quadrillion. Un million a six zéros et un milliard a douze zéros, tandis que le nombre d'Avogadro, arrondi, a vingt-trois zéros. C'est un très grand nombre ; si on élimine une goutte d'un milliard de molécules, il semble que le changement ne serait pas remarqué (dans une goutte d'eau il y a environ dix-sept molécules de trillion).

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La vérité est que la molécule d'eau est très petite, les molécules organiques sont beaucoup plus grandes et pourtant il en va de même: si une tranche de jambon est enlevée un milliard de molécules, le propriétaire ne serait pas conscient de ce qui est perdu. En ce sens, la détection d'un milliard de molécules semble un miracle.

Séparation des molécules

En suivant le même exemple d'eau, vous pouvez analyser le problème de la limite de détection. Imaginez que dans cette forêt de molécules d'eau se mélangent des atomes de plomb, c'est-à-dire que l'eau est contaminée à une concentration de 50 ppm (50 grammes de plomb dans un million de grammes d'échantillon). Connaissant les poids de l'eau et du plomb, on peut estimer qu'il y a environ 231.100 molécules d'eau par atome de plomb. En outre, les molécules d'eau sont plus grandes que les atomes de plomb. Par conséquent, la détection de plomb semble presque impossible. Comment pouvez-vous faire?

Il est clair que voir des molécules n'est pas la méthode de détection appropriée - et s'il existe des techniques de visualisation -, car dans ce cas, en plus de localiser des atomes de plomb, il faudrait savoir combien de molécules d'eau correspondent à chacune d'elles.

Mais vous pouvez aussi faire autre chose: avant de commencer à détecter, diviser les molécules en groupes. Cela dépend de la taille, de la charge électrique, du comportement chimique, etc. Une fois les molécules divisées en groupes, chaque groupe aura moins de molécules à identifier et une détection plus détaillée pourra être effectuée qu'avec l'échantillon initial.

Le nombre de molécules d'un verre d'eau est un nombre de vingt-quatre chiffres.

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C'est ce qui est fait dans les méthodes de détection les plus précises existantes aujourd'hui : mélanger l'échantillon avec un liquide ou un gaz et l'introduire dans un chromatographe. Le chromatographe est un outil de séparation moléculaire dans lequel les molécules doivent effectuer un parcours plein de "entraves"; quelques molécules forment le parcours rapidement et d'autres sont coûtées. À la sortie du parcours, les molécules sont divisées en groupes en fonction du temps qu'elles ont dû compléter le parcours. L'installation d'un détecteur dans cette sortie permet d'effectuer des analyses à chaque groupe au fur et à mesure du départ.

Liquide ou gaz

Plus la distribution est grande, plus l'analyse postérieure est précise. Il s'agit de savoir quel chromatographe fera la meilleure séparation. Le doute se produit entre le chromatographe des gaz et des liquides. On pense que le mélange de l'échantillon avec le gaz et la gazéification de l'échantillon lui-même est meilleur choix que le mélange avec le liquide. En bref, un échantillon d'un volume donné contient moins de molécules s'il s'agit de gaz.

Mais, comme en tout, il peut y avoir des problèmes. Toutes les molécules ne sont pas aptes à être dans un état gazeux, par exemple si elles sont très grandes. De plus, pour la transformer en gaz, il est nécessaire de chauffer l'échantillon et toutes les molécules ne dépassent pas ce processus : elles se dégradent bien avant l'évaporation. En ce sens, le liquide est plus utile. Une solution est simple lorsque vous sélectionnez le solvant approprié.

Par conséquent, selon la substance à détecter, la distribution est effectuée par un chromatographe ou un autre. Il en va de même pour les détecteurs. Choisissez le plus approprié en fonction de la substance à détecter. Certains détecteurs sont très spécialisés, ils servent à détecter une certaine substance, mais avec d'autres ils ne sont pas précis ou ne servent pas.

Dans le classement de détection des plus petites quantités de substances, il faut actuellement citer trois: FID, ECD et spectromètre de masse. Derrière ces noms se trouvent les détecteurs les plus précis au monde, les meilleurs détecteurs qui existent pour rechercher des traces moléculaires. Les trois sont utilisés conjointement avec des chromatographes gazeux. Mais pas toujours. Le couple formé par le spectromètre de masse et la chromatographie liquide atteint également un grand succès ces derniers temps.

Dans le même volume, un liquide contient plus de molécules qu'un gaz. Cela affecte la détection : il est difficile de détecter de petites quantités de molécules dans les liquides, car elles sont perdues dans un mélange d'autres molécules.

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Inexact

Quatre méthodes offrent des résultats étonnants. Pour différentes raisons, il est difficile de comparer les quatre, mais si nous devions choisir le plus frappant serait le chromatographe à gaz/couple ECD. Le détecteur ECD est un détecteur extrêmement précis : il ne peut détecter que quelques piccogrammes d'une substance (un pycogramme est un milliard d'un gramme). Si, par exemple, nous l'utilisions pour détecter le chlorure de vinyle, environ un milliard de molécules suffiraient pour détecter l'ECD.

Les couples qui forment le FID et le spectromètre de masse avec chromatographe à gaz sont moins précis. Les nanogrammes "seulement" sont détectés, par exemple, ils ont besoin d'un milliard de molécules pour trouver les traces du chlorure de vinyle.

Et quel succès a le chromatographe liquide? Normalement, au lieu de donner le poids que le chromatographe peut détecter, les vendeurs donnent la concentration. Les données les plus optimistes sont surprenantes: certains équipements sont capables de trouver des concentrations de 500 granulomes par litre, c'est-à-dire en gardant l'exemple du chlorure de vinyle, ils détecteraient dix millions de molécules dans un litre de dissolution.

Version utilisateur

Difficile ou facile ? Le vert est le seul des centaines de billes, l'objectif de la détection est de trouver ce seul. La couleur aide à détecter mais le nombre d'autres billes rend difficile leur détection.

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Les nombres doivent être pris très soigneusement. Ces données sont des données des vendeurs qui indiquent les limites de détection de la méthode. Mais la réalité est toujours plus complexe.

Chaque méthode fournit des limites de détection dans certaines conditions. Et en mesurant certaines molécules. Le détecteur ECD est très bon avec des substances halogénées (c'est pourquoi le chlorure de vinyle est un bon exemple pour sa teneur en chlore). De son côté, le FID détecte des molécules carbonées (beaucoup sont mais beaucoup ne contiennent pas de carbone).

Cependant, vous pouvez également dire le contraire. Les techniques actuelles répondent au besoin social de précision dans la détection des substances.

Détecteurs plus spécifiques

ECD (Electron Capture Detector)

Ce détecteur bombarde des électrons aux molécules à détecter et les capture. Moins d'électrons restent libres, plus de molécules existent.

FID (Flame Ionization Detector)

La FID détecte les molécules carbonées. Mélangez et brûlez des molécules avec de l'hydrogène. Cette combustion ionise les molécules, c'est-à-dire leur donne la charge électrique. Les molécules ionisées sont recueillies par une électrode. Contrairement plus de potentiel dans cette électrode, plus grand nombre de molécules présentes dans l'échantillon.

Spectromètre de masse

Dans cette méthode, l'idée de base est la détection des ions. Pour cela, le spectromètre transforme les molécules à analyser en ions, bombardées par un faisceau d'électrons. L'énergie très élevée est le choc, car de nombreuses molécules se cassent. En perdant un électron et en brisant certains, les molécules sont introduites dans un champ magnétique. Chaque molécule effectue un parcours particulier dans la zone en fonction de sa masse et de sa charge. Le spectromètre de masse mesure la proportion entre masse et charge. Cette donnée est suffisante pour connaître les masses - et leurs fragments - des molécules initiales.

(Photo: G. Roa)

Un outil pour tout

(Photo: G. Roa)

Roland Wensink est un expert en techniques de chromatographie liquide/spectrométrie de masse qui travaille chez ThermoFisher Scientific. Installation et mise en service d'équipements partout dans le monde, donc en plus des dernières technologies, vous connaissez les applications des techniques de détection.

En ce qui concerne la technologie, il est courant d'ajouter plus d'outils au couple chromatographe/spectromètre. The mass spectrometry can be more devices, as a new mass spectromètre.

« Collabore à l'identification des molécules », déclare Wensink. "Le second peut confirmer le résultat supposé du premier spectromètre. D'autre part, le premier peut agir comme un filtre, c'est-à-dire nourrir un ion spécifique qu'il a détecté dans le second et obtenir plus d'informations sur cette molécule ».

En outre, des techniques plus complexes peuvent être utilisées que la simple combinaison d'outils. Par exemple, celui qui sort du spectromètre de masse peut être fait réagir avec un gaz.

Un chromatographe à gaz (devant) attaché à un spectromètre de masse (derrière).

(Photo: ThermoFisher Scientific)

"Dans la réaction seront formés de nouvelles molécules qui permettent d'analyser le résultat en incluant dans un second chromatographe de gaz. Selon les produits de réaction, vous pouvez savoir ce qu'il y avait dans l'échantillon original."

Ces techniques sont très utiles pour l'analyse de mélanges complexes. Par exemple, si on analyse le sang, il y a un mélange de beaucoup de protéines; même si on utilise un chromatographe spécifique, le résultat du spectromètre de masse est un mélange de milliers de signaux. Le problème n'est pas que le nombre d'une molécule donnée soit petit, mais que son signal est perdu dans une jungle.

"Ils sont également utilisés pour mesurer la pureté d'une substance, car les équipements les plus chers sur le marché sont utilisés pour savoir si dans une réaction il ya eu un produit latéral. Et comme ils mesurent la masse des molécules avec une grande précision, ils servent également à séparer les isotopes. Par exemple, ils sont capables de mesurer les proportions de molécules avec du carbone-13 en molécules organiques."