Considérations générales sur les phénomènes de migration, d’ajustement des concentrations et de dispersion en électrophorèse capillaire
Les méthodes de préconcentration en CE s‟appuient sur les propriétés de vitesse des analytes entre différentes zones, d‟affinité des composés pour des pseudo-phases et d‟ajustement de leur concentration, régulé par la fonction de Kohlraush (KRF).
Densité de courant et champ électrique
En CE, le capillaire de séparation rempli par un électrolyte (Background Electrolyte, BGE) d‟une certaine conductivité (κ) est soumis à un champ électrique longitudinal (E). La densité de courant liée (J) s‟exprime selon l‟équation (1) :
J = κE (1)
Dans le cas où le capillaire est rempli de plusieurs zones de conductivités différentes, la densité de courant étant constante dans tout le capillaire, alors les champs électriques locaux varient, de telle sorte que dans une zone de haute conductivité règne un champ faible. A l‟inverse, dans une zone de faible conductivité règne un champ fort. Certaines méthodes de préconcentration jouent sur ces variations de champs électriques qui influencent les différentes vitesses électroosmotique et électrophotétique régissant le mouvement des analytes dans le capillaire.
L’écoulement électroosmotique (EOF)
A l‟interface solide-liquide entre le capillaire et l‟électrolyte de séparation, une double couche de charges électriques se forme, du fait des propriétés acido-basiques des groupements silanol présents en surface de la silice (pKa ~5-6). Une partie des charges fixes de la surface du solide est compensée par des charges de signe opposé fournies par des ions excédentaires situés à l‟intérieur d‟une première couche de solution au contact du solide (couche compacte). Le restant de ces charges est compensé par des ions excédentaires se trouvant dans une seconde couche de solution, plus épaisse et plus éloignée de la surface solide (couche diffuse). Lors de l‟application d‟un champ électrique tangentiel à l‟interface, les ions excédentaires situés dans la couche diffuse migrent, selon leur charge et l‟orientation du champ, donnant naissance par friction à un transport non sélectif des molécules du solvant.
D‟un point de vue expérimental, l‟écoulement électroosmotique peut être modifié en jouant sur la force ionique de l‟électrolyte (µEO augmente quand la force ionique diminue), sa viscosité et son pH (car la densité de charges à la surface du capillaire dépend du pH de l‟électrolyte). Cet écoulement peut aussi être contrôlé en modifiant la surface du capillaire par greffage ou adsorption de polymères neutres (l‟écoulement devient alors nul) ou chargés (écoulement anodique ou cathodique en fonction de sa charge).
Le profil de vitesse de l‟EOF est plat, ce qui entraine une dispersion réduite puisque la répartition en vitesse des analytes est uniforme. Lorsque le capillaire contient, par exemple, deux zones de compositions différentes (pH, viscosité, force ionique), localement selon la loi d‟Helmholtz-Smoluchowski, les mobilités électroosmotiques sont différentes. Or, comme il ne peut y avoir qu‟une seule vitesse d‟écoulement globale dans tout le capillaire à cause de l‟incompressibilité des liquides, un effet piston à la frontière des deux zones est créé, entrainant une déformation du profil plat de vitesse de l‟EOF. Ce dernier devient alors parabolique. Ce profil parabolique entraine un élargissement des pics, ce qui peut, dans certains cas, avoir un impact néfaste sur les méthodes de préconcentration [26,27]. On peut considérer l‟EOF comme une pompe, puisque, de par ses propriétés, il entraîne de manière non sélective aussi bien les anions, les cations et les composés neutres. Cette pompe va permettre d‟accélérer ou de freiner le transport global des analytes dans le capillaire, ce qui conduit à la notion de vitesse apparente (vapp), somme vectorielle de la vitesse électroosmotique et de la vitesse électrophorétique.
La vitesse électrophorétique
En régime stationnaire, une particule i soumise à un champ électrique uniforme E se déplace par migration électrique à une vitesse électrophorétique linéaire constante vi donnée par la relation :
vi = µiE (3)
avec µi la mobilité électrophorétique (grandeur algébrique) de la particule i [23,24,25]. Dans des conditions expérimentales données, elle est appelée mobilité électrophorétique effective de l‟espèce i. Dans le cas de composés aux propriétés aicido-basiques ou accepteur/donneur de ligands, la mobilité effective est reliée à la mobilité absolue, µi0 , des diverses formes par une relation faisant intervenir le coefficient de dissociation du composé. Par la suite, µi0 est reliée à la mobilité absolue à dilution infinie, µi∞ , par un facteur correctif faisant intervenir la force ionique de l‟électrolyte ; µi0 diminue en valeur absolue quand la force ionique augmente .
Vitesse d’un soluté en présence d’une phase micellaire
Pour résoudre certains problèmes analytiques liés à la séparation de molécules neutres, Terabe et col. ont introduit un nouveau mode de séparation, la chromatographie électrocinétique micellaire (MEKC), faisant intervenir une pseudo-phase dans l‟électrolyte : un tensioactif à une concentration supérieure à sa concentration micellaire critique (cmc) [29,30]. On définit un facteur de rétention k, comme en chromatographie, comme étant le rapport des quantités de soluté présentes respectivement dans la phase micellaire et dans la phase aqueuse (qui peut être hydro-organique).
Ainsi, lorsque des micelles sont présentes dans l‟électrolyte, la vitesse apparente des analytes est fonction de leur affinité pour elles ; ces interactions sont d‟ordre hydrophobe et électrostatique. Ainsi il est possible de jouer sur les vitesses des analytes au sein d‟un capillaire en agissant sur ces interactions, propriétés qui sont utilisées dans certaines méthodes de préconcentration.
Fonction de régulation de Kohlrausch
Un paramètre important intervenant dans les phénomènes de préconcentration est l‟ajustement des concentrations entre deux zones dont la valeur de la fonction de régulation de Kohlrausch (KRF) est différente [31]. Il a été montré que pour un électrolyte fort mono ou polyvalent ou pour un électrolyte faible monovalent en milieu de pH compris entre 3 et 10 .
L‟information importante de cette formule est que la valeur w(x) est une constante localement invariante en un point donné x dans le temps. Ainsi, si la valeur de la KRF pour l‟électrolyte de séparation dans le capillaire est supérieure à celle d‟une zone injectée d‟échantillon de faible concentration, alors les analytes sont concentrés quand ils passent la frontière existante entre ces deux zones afin de respecter la KRF. Bien que l‟expression de la KRF ainsi donnée ne soit pas applicable à tout type d‟électrolyte, elle permet néanmoins d‟expliquer les phénomènes d‟ajustement des concentrations des analytes lors des différentes méthodes de préconcentration (pour les expressions dans les différents cas possibles, voir [32]). En effet, même si les phénomènes de préconcentration peuvent être expliqués de manière simplifiée par un simple changement de vitesse résultant de variations d‟équilibre chimique ou de champ électrique, les lois qui dirigent ces phénomènes sont dictées par la KRF.
La constante de temps du détecteur, les inhomogénéités locales de l‟EOF, l‟homogénéité des micelles…) et l0 la longueur de la zone injectée. La longueur de la zone injectée est donc une source de dispersion importante et celle-ci dépend des paramètres de séparation, c‟est-à-dire le nombre de plateaux théoriques qu‟on est accepte de perdre. En générale, pour que reste σi2 négligeable devant σ2 , le volume maximal injectable est aux alentours de 1 % du volume du capillaire. Ainsi la longueur qu‟occupent les analytes, suite aux phénomènes de préconcentration, ne doit pas excéder cette valeur. Toutefois, comme le montre l‟équation (8) d‟autres effets parasites sont à prendre en compte à savoir plus particulièrement :
– la diffusion moléculaire, qui résulte des inévitables gradients locaux de concentration. Cette diffusion dépend de la nature de l‟espèce à travers son coefficient de diffusion et son temps de séjour dans le capillaire (plus celui-ci est long plus la dispersion augmente) [24,25].
– la convection, qui est la conséquence des gradients de densité, eux-mêmes résultant des gradients de température qui apparaissent dans le milieu de séparation du fait de la production de chaleur par effet Joule et de sa dissipation incomplète. Les méthodes de préconcentration sont limitées par ce paramètre lorsque l‟effet Joule devient trop important, à la suite d‟un champ électrique local trop élevé. Toutefois, en contrôlant au mieux les conditions opératoires (tension appliquée et conductivité des différentes zones remplissant le capillaire) ce phénomène peut-être minimisé [24,25].
– les effets pistons résultant des différences locales entre les mobilités électroosmotiques de zones adjacentes. Comme expliqué précédemment, cette déformation du profil entraine un élargissement des bandes d‟analytes concentrés. Il s‟agit donc d‟un effet parasite. Toutefois, il peut être éliminé en travaillant soit avec des zones ayant le même EOF quand cela est possible, soit en travaillant dans des conditions sans EOF (milieux très acides ou capillaire neutre) [26,27].
– la dispersion par amplification de champ « destacking » ; il s‟agit de l‟effet inverse du « stacking ». Lorsqu‟une zone d‟analytes rencontre une zone où règne un champ électrique plus élevé et dans laquelle la KRF est plus faible, leurs vitesses augmentent brutalement ce qui entraine un élargissement provoquant l‟abaissement de leurs concentrations. Il faut donc être attentif à contrôler au mieux les conditions opératoires pour éviter ce phénomène, en jouant sur les conductivités et les valeurs de KRF des différentes zones électrolytes.
Ainsi, des phénomènes dispersifs parasites peuvent apparaître lors de la mise en œuvre des méthodes de préconcentration. Toutefois, ils peuvent être significativement réduits en maîtrisant et contrôlant les différents paramètres opératoires, à savoir la conductivité et le pH des électrolytes, la tension appliquée et l‟utilisation de capillaires sans charge de surface.
En conclusion, il est à noter qu‟en jouant sur les différents paramètres opératoires (conductivité, viscosité et pH des électrolytes, affinité pour une phase micellaire, présence de solvant organique) il est possible d‟ajuster la vitesse apparente (somme vectorielle de vEO et de vi) des analytes. Si cette vitesse est différente entre deux zones adjacentes et si les concentrations en ion sont correctement choisies (cf KRF) alors il est possible de concentrer les analytes, permettant ainsi d‟injecter des quantités plus élevées et donc d‟abaisser les limites de détection (LOD). Les différentes méthodes de préconcentration tirant parti de ces propriétés sont exposées ci-dessous.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I- ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Liste des abréviations
I.1. Introduction
I.2. Considérations générales sur les phénomènes de migration, d‟ajustement des concentrations et de dispersion en électrophorèse capillaire
I.2.1 Densité de courant et champ électrique
I.2.2 L‟écoulement électroosmotique (EOF)
I.2.3 La vitesse électrophorétique
I.2.4 Vitesse d‟un soluté en présence d‟une phase micellaire
I.2.5 Fonction de régulation de Kohlrausch
I.2.6 Les phénomènes dispersifs en CE
I.3. Préconcentration par amplification du champ électrique
I.3.1 Préconcentration par amplification du champ électrique avec injection hydrodynamique
I.3.2 Préconcentration par amplification du champ électrique avec injection d‟un très grand volume d‟échantillon
I.3.2.1 Préconcentration par amplification du champ électrique avec injection d‟un très grand volume d‟échantillon avec changement de polarité
I.3.2.2 Préconcentration par amplification du champ électrique avec injection d‟un très grand volume d‟échantillon sans changement de polarité
I.3.3 Préconcentration par amplification du champ électrique et injection électrocinétique
I.3.3.1 Amplification du champ électrique en tête de capillaire avec une injection électrocinétique
I.3.3.2 Amplification du champ électrique pendant l‟injection électrocinétique de l‟échantillon après introduction d‟une grande zone de faible conductivité éliminée par l‟écoulement électroosmotique
I.3.3.3. Amplification du champ électrique à l‟injection avec de longues injections électrocinétiques
I.3.3.4 Déplétion provoquée par les longues injections électrocinétiques
I.3.4. Préconcentration par amplification du champ électrique et médiation du pH
I.3.5. Préconcentration par isotachophorèse capillaire
I.4. Préconcentration par déplacement d‟équilibres chimiques
I.4.1. Préconcentration par changement du degré d‟ionisation par changement de pH
I.4.2. Préconcentration par extraction dynamique par une phase micellaire
I.4.3. Préconcentration par déplacement d‟un équilibre de distribution micellaire par un changement de composition hydroorganique
I.5. Conclusions sur l‟application des méthodes de préconcentration
I.6. Couplage des méthodes de préconcentration
I.6.1 Couplage du FESI avec la t-ITP
I.6.2. Couplage du FESI avec le sweeping
I.6.2.1. Mécanisme du FESI-Sweep-MEKC
I.6.2.2. Applications du FESI-Sweep-MEKC
I.7. Conclusion générale sur la bibliographie
I.8. Références
PARTIE II- STABILITE DES CAPILLAIRES GREFFES AVEC DU POLYACRYLAMIDE LINEAIRE EN MILIEU ACIDE, HYDRO-ORGANIQUE, EN PRESENCE DE SURFACTANT EN VUE DE LEUR UTILISATION POUR LA PRECONCENTRATION ELECTROCINETIQUE IN-SITU
II. INTRODUCTION
Article- Stabilité et efficacité des capillaires greffés par du polyacrylamide linéaire pour la suppression de l‟écoulement électroosmotique dans des milieux acides en présence de solvants organiques et de surfactants
II.1. Abstract
II.2. Introduction
II.3. Materials and methods
II.3.1. Chemicals and solutions
II.3.2. Apparatus and software
II.3.3. Experimental procedures
II.3.4. Data analysis
II.4. Results and discussion
II.4.1. Stability of the LPA coating under acidic conditions
II.4.2. LPA coating effectiveness under acidic conditions
II.5. Concluding remarks
II.6. References
II. CONCLUSION
PARTIE III- PRECONCENTRATION ELECTROCINETIQUE IN-SITU PAR COUPLAGE DE L’AMPLIFICATION DE CHAMP ELECTRIQUE AVEC UNE INJECTION ELECTROCINETIQUE ET LE SWEEPING : ETUDE DU MECANISME ET APPLICATION
III. INTRODUCTION
CHAPITRE I-Article-Elucidation de l‟impact des paramètres influençant le couplage de la préconcentration électrocinétique in-situ par amplification de champ électrique avec une injection électrocinétique et le sweeping
III.I.1. Abstract
III.I.2. Introduction
III.I.3. Materials and methods
III.I.3.1. Chemicals and solutions
III.I.3.2. Apparatus and software
III.I.3.3. Experimental procedures
III.I.4. Design of experiments
III.I.4.1. Choice of the responses and factors
III.I.4.2. Choice of the experimental design
III.I.4.3. Factor levels
III.I.4.4. Matrix of experiments
III.I.4.5. Determination of the effects
III.I.5. Results and discussion
III.I.5.1. Setup of the MEKC separation
III.I.5.2. Investigation on HCB composition
III.I.5.3. Influence of the experimental factors
III.I.6. Conclusion
III.I.7. References
CONCLUSION GENERALE
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