MICROANALYSE CHIMIQUE

MICROANALYSE CHIMIQUE

La microanalyse, ou analyse de microéchantillons, se caractérise essentiellement par le faible ordre de grandeur des volumes de solutions (inférieurs à 1 ml), des masses de substances (inférieures à 10 mg) ou des surfaces de matériaux (inférieurs à 1 cm²) soumis à une analyse. Les préfixes micro-, ultramicro – et submicro-, souvent accolés au terme analyse pour mieux spécifier l’ordre de grandeur de l’échantillon, ne sont pas d’une utilisation recommandée, par manque de normalisation à l’intérieur d’un pays, au niveau international ou même au sein d’une même communauté scientifique.

La création de la microanalyse date de 1899; elle est attribuée à Friedrich Emich. Son œuvre et celle de ses successeurs portent sur ce qui fut appelé la microanalyse minérale , c’est-à-dire l’identification de cations, d’anions, d’éléments métalliques et d’autres hétéroéléments. Fritz Pregl est le fondateur de la microanalyse organique , c’est-à-dire du dosage des principaux constituants de la matière organique: carbone, hydrogène, oxygène, azote et soufre. Certains éléments, tels les halogènes, le soufre, le phosphore et même le bore ont été dosés sous l’une ou l’autre des appellations. Le développement de la chimie des composés organométalliques a contribué à la banalisation du terme microanalyse élémentaire, sans distinction entre les branches minérale et organique. De plus, le terme de microanalyse n’est plus exclusivement réservé au microdosage d’éléments; il est également utilisé pour le dosage de substances composant un microéchantillon.

1. Analyse et microanalyse

La microanalyse est un des aspects de l’analyse chimique, car les mêmes techniques de séparation et de mesure sont mises en œuvre. Cependant, elle n’est pas uniquement la transposition, à l’échelle microanalytique, des méthodes employées en analyse classique. Elle nécessite parfois des protocoles expérimentaux particuliers et, souvent, des équipements de dimensions adaptées à la manipulation des microéchantillons, pour leur prélèvement (microspatules, microseringues...), pour leur pesée (microbalances électroniques...), pour leur traitement (microbechers, microgodets...), ou encore pour leur mesure (microcellules en électrochimie ou spectrométrie...).

La première étape d’une analyse est l’échantillonnage, c’est-à-dire l’obtention d’un échantillon représentatif de l’objet. Cela est encore plus difficile à réaliser en microanalyse, lorsqu’il s’agit d’obtenir quelques milligrammes, et souvent moins, d’un échantillon représentatif et surtout homogène, afin que les résultats soient dignes d’intérêt et de confiance.

La seconde étape concerne le prélèvement analytique, c’est-à-dire l’extraction d’une quantité suffisante de l’échantillon pour effectuer une détermination et une pesée. Le choix du récipient pour ces opérations dépend de la nature de la substance, du dosage envisagé et de la méthode utilisée. Pour les microéchantillons solides, la nature du contenant est variée: des nacelles en platine, en argent, en aluminium ou en porcelaine de dimensions de l’ordre de 10 憐 5 憐 5 mm, des microgodets cylindriques à fonds plats d’un diamètre de 2 à 4 mm et d’une hauteur de 4 à 7 mm, des micromatras ou des microbechers de 60 à 100 ml, des petits carrés de papier filtre lavé et séché de 20 mm de côté, des capsules de méthylcellulose cylindriques de l’ordre de 5 mm de diamètre et de 10 mm de hauteur. Les substances pâteuses sont prélevées et pesées dans des nacelles. Pour les liquides non volatils, on ne rencontre pas de difficultés en employant des nacelles ou des microbechers. Par contre, pour les liquides volatils, il est nécessaire de disposer de récipients spéciaux: des capillaires en verre (pyrex) ou en aluminium scellés, des microcapsules scellées ou des sachets en terphane pliés puis soudés... Pour des substances instables à l’humidité ou à d’autres espèces de l’atmosphère ambiante, il faut effectuer les opérations de prélèvement dans des cloches sous atmosphère d’argon ou, mieux, dans des boîtes à gants maintenues sous atmosphère inerte.

Il y a très peu d’analyses possibles directement sur l’échantillon sans le recours à un traitement physique, à une mise en solution ou même à une attaque à haute température (voie sèche) ou par des réactifs (voie humide). Cette troisième étape, le traitement de l’échantillon, est destinée à le transformer en la forme la plus adéquate pour être mesurée par la technique choisie, avec ou sans séparation préalable des composants. Cette préparation est importante en microanalyse élémentaire, alors qu’en microanalyse moléculaire la réalisation de séparations efficaces pose plus de problèmes.

Les techniques de mesure sont les mêmes en microanalyse et en analyse: méthodes chimiques (gravimétrie, titrimétrie...), électrochimiques (potentiométrie, ampérométrie, coulométrie, polarographie...), spectrométriques (atomiques en absorption ou émission, moléculaires dans diverses régions de l’ultraviolet, visible, infrarouge, rayons X...), spectrométries de masse, de R.M.N. (résonance magnétique nucléaire), méthodes calorimétriques...

2. Microanalyse élémentaire

Tous les éléments du tableau périodique sont dosables dans des microéchantillons, à condition de disposer des équipements adaptés.

La microanalyse «organique» comporte deux phases. La première, dite de minéralisation, consiste, par une attaque par voie sèche le plus souvent, à obtenir quantitativement une espèce chimique, C², H²O, CO, ² et S², représentative de l’élément à doser, carbone, hydrogène, oxygène, azote et soufre. La seconde étape consiste à mesurer par coulométrie, catharométrie, absorptiométrie dans le domaine de l’infrarouge, ou par d’autres méthodes, les espèces ainsi formées. Les techniques utilisées ont été automatisées, en raison de la croissance rapide des demandes. Cette automatisation, qui implique l’obtention de mesures finales par enregistrement ou comptage, n’est possible que parce que ces dernières sont proportionnelles aux quantités des espèces chimiques. La précision obtenue est très bonne pour de 0,1 à quelques milligrammes d’échantillons analysés.

Selon les techniques analytiques utilisées, la microanalyse «minérale» nécessite un traitement physique ou chimique du microéchantillon. L’analyse par activation ou par spectrométrie de fluorescence X exige respectivement une présentation sous forme de pastille ou de perle. Un traitement chimique est indispensable pour pratiquer les spectrométries atomiques d’absorption ou d’émission, les polarographies, la chromatographie ionique... Ces traitements chimiques peuvent correspondre à des attaques en milieux acides (avec des combinaisons d’acides minéraux HCl, H³, HCl⁴, HF, H²S⁴), à des attaques par l’eau oxygénée seule ou avec des additifs, à des fusions alcalines ou encore à des attaques plus spécifiques. Parfois, il est recommandé d’effectuer une séparation des éléments en solution avant leur mesure; toutes les techniques disponibles en analyse sont utilisables.

3. Microanalyse et analyse de traces

La microanalyse est pratiquée lorsque les quantités d’échantillons disponibles sont très faibles: des prélèvements biologiques à partir du corps humain; des échantillons biochimiques synthétisés après de multiples étapes, longues, difficiles et à faibles rendements; des matériaux précieux ou ultrapurs obtenus dans des conditions difficiles et coûteuses; des objets rares à expertiser comme des tableaux, des pièces de musée ou des tapisseries... L’analyse sur des microéchantillons permet aussi l’emploi de techniques très automatisées, celui de faibles quantités de réactifs parfois très coûteux, l’utilisation d’équipements de taille réduite et l’obtention de réactions rapides et complètes. Il ne faut pas confondre microanalyse et analyse de traces. La première concerne la quantité d’échantillon soumise à une analyse pour une détermination quantitative ou un examen qualitatif, alors que la seconde concerne le niveau de quantité des espèces à doser dans l’échantillon. Les teneurs de ces constituants sont exprimées en concentrations, c’est-à-dire en quantité de constituant par unité d’échantillon, exprimée en masse, volume ou mole. Une microanalyse et une analyse de traces posent des problèmes très différents.

Doser 10 ng de plomb dans 1 mg d’échantillon et doser 10 猪g de ce même élément dans 1 g du même échantillon, c’est donner 10 p.p.m. (parties par million) de plomb. Les deux dosages sont possibles, mais les conditions sont totalement différentes au niveau du choix des techniques, des protocoles expérimentaux, des équipements comme au niveau de la qualité du manipulateur. L’analyse de traces dans des microéchantillons est une opération délicate; elle nécessite souvent des conditions de travail exceptionnelles: une salle blanche pour éviter les contaminations par l’atmosphère, des manipulateurs qualifiés et d’une grande technicité, de la vaisselle spéciale en Téflon ou polypropylène et des produits chimiques de qualité suprapure, éventuellement repurifiés et non conservés d’un jour à l’autre.

L’analyse de microéchantillons est un art difficile, souvent une affaire de spécialistes.

Encyclopédie Universelle. 2012.