Le concept FIA (système d’analyse par injection en flux continu) a été introduit pour la première fois en 1974 par Ruzicka et Hansen de l’université du Danemark. Différente de celles employées traditionnellement, cette méthode se caractérise par sa précision, sa rapidité et sa souplesse ; ses principes de base sont les suivants :
- - flux continu, non segmenté,
- - injection de l'échantillon après la pompe d'alimentation,
- - contrôle de la dispersion.
Après avoir décrit le matériel, nous donnerons des exemples de dosage de l’azote, des nitrates et des nitrites dans l'eau.
Le matériel Fiastar Tecator
Ce matériel comprend :
- — une unité centrale FIA 5020, un système d’injection, un « chemifold », des flacons de réactifs,
- — un détecteur avec une imprimante,
- — un passeur d’échantillons.
L'unité centrale est équipée d'un système, connu et employé dans le monde entier, comportant deux pompes péristaltiques indépendantes multivoies, ce qui présente des avantages importants, un ou plusieurs canaux (au maximum 4 par pompe) pouvant être utilisés.
Ces pompes peuvent distribuer ou aspirer les différents liquides à tester. De plus, le débit de chaque canal peut être choisi en sélectionnant le diamètre des tubes alimentant les pompes, dont le temps de marche et d’arrêt peut être programmé indépendamment.
[Photo : Le système Fiastar Tecator.]
Leurs rotors sont équipés de 8 galets chacun, et la vitesse de rotation (40 tours par minute) est constante, ce qui n'entraîne que des pulsations à fréquence élevée et de faible amplitude dont l’effet est négligeable sur la régularité du débit.
Situé après la pompe, le système d'injection est utilisé pour introduire un volume défini d’échantillon dans le liquide réactif (ou vecteur) dont le mouvement continu ne doit pas être perturbé. Il est équipé d’une vanne avec by-pass. Le volume des échantillons injectés peut être choisi dans une gamme de 30, 100 ou 250 µl.
La partie de l’équipement dans laquelle se réalise la chimie proprement dite, le chemifold (de divers modèles), permet le mélange des différents flux ; son remplacement, qui ne pose aucun problème, s’opère en quelques minutes, temps de rinçage inclus.
Divers types de détecteurs peuvent être couplés avec l'appareil : photomètre, spectrophotomètre, fluorimètre... Dans le cas relaté ci-après et pour éviter une trop grande dispersion, nous avons utilisé un photomètre avec un volume de cuve à circulation inférieur à 40 µl.
Le système d'injection, les pompes, le chemifold et le système de détection sont accessibles et contrôlés par un thermostat placé dans une circulation d’air.
Enfin, un microprocesseur assure plusieurs fonctions :
- — gestion du détecteur : mise en mémoire de l’étalonnage (linéaire ou non linéaire suivant Lagrange), et mesure de la hauteur, surface ou largeur des pics du signal et conversion en unités désirées ;
- — repérage des injections périodiques de réactifs ;
- — liaison avec un système informatique externe.
Dosage de l’azote
Le principe de cette analyse est l'injection d'un échantillon aqueux contenant des ions ammonium dans un liquide vecteur. Après mélange avec de la soude, il y a formation d’ammoniac gazeux :
NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O (gazeux)
Le gaz ainsi formé se diffuse à travers une paroi poreuse et réagit avec notre indicateur coloré suivant la formule :
NH₃ + (H⁺, I⁻) → NH₄⁺ + I⁻
La concentration en I⁻ va donc augmenter ; il en résulte un changement de couleur qui peut être mesuré photométriquement.
Emploi du matériel et des réactifs
Le système comprend (figure 1) :
- — une unité FIA 5020 avec un injecteur, une voie à volume variable et le chemifold V,
- — un détecteur 5023,
- — une imprimante.
Les réactifs mis en jeu sont les suivants :
- — de la soude (réactif R₁),
- — de l'eau distillée (liquide vecteur C),
- — notre indicateur coloré (réactif R₂).
[Photo : Schéma du dispositif de dosage de l'azote.]
Les échantillons d’azote ammoniacal sont directement introduits dans le système sans préparation préalable ; ceux d’azote total sont préparés dans des blocs appropriés par minéralisation et par voie humide en présence d’acide sulfurique et d’un catalyseur. Des échantillons aqueux colorés peuvent aussi être utilisés.
Les petites particules, éventuellement présentes dans l’échantillon, n’ont aucun effet sur l’analyse aussi longtemps qu’elles n’entraînent pas le colmatage de la membrane.
Un minimum de quatre standards est utilisé et les résultats sont évalués selon la hauteur des pics, ainsi qu’on peut le voir sur la figure 2.
[Photo : Résultats des opérations de dosage de l’azote.]
Il y a lieu d’apporter les précisions suivantes :
- — l'échantillon doit être complètement neutralisé pour permettre la conversion de tous les ions ammonium en ammoniac, d’où la nécessité de doser la concentration de soude selon le type de préparation d’échantillon utilisé : en effet, si celui-ci contient beaucoup de sels ou autres composants, la composition de notre indicateur doit être ajustée afin de diminuer la différence de pression osmotique entre les deux compartiments de la cellule de diffusion gazeuse ;
- — la reproductibilité est bonne (1 % d’erreur standard relative) et la cadence de passage des échantillons est élevée : il est en effet possible de pratiquer avec cet appareil une centaine de dosages à l'heure.
[Photo : Schéma du dispositif de dosage des nitrites.]
Dosage des nitrites et des nitrates
La détermination des nitrites est basée sur la réaction sulphanilamide-naphtyl-éthylène diamine. Dans une solution acide, les nitrites réagissent avec le sulphanilamide pour former le composé diazonium suivant :
NO₂⁻ + NH₂C₆H₄SO₂NH₂ + 2 H⁺ → N≡NC₆H₄SO₂NH₂ + 2 H₂O
Le sel de diazonium produit est couplé avec le N (1-naphthyl-éthylène diamine dihydrochloride) :
N≡NC₆H₄SO₂NH₂ + C₁₀H₇NHCH₂CH₂NH₂ → NC₆H₄SO₂NH₂ + H⁺ NC₁₀H₆NHCH₂CH₂NH₂
L’intensité de la coloration du composé obtenu, qui est fonction de la concentration des nitrites, est mesurée à 540 nm.
On utilise le même matériel que dans l'opération précédente à cela près que le chemifold V est remplacé par un chemifold II.
Le montage est celui porté sur la figure 3.
Les produits chimiques nécessaires sont peu nombreux : sulphanilamide, N (1-naphthyl) éthylène diamine hydrochloride, nitrite de sodium, eau distillée.
[Photo : Résultats des opérations de dosage des nitrites.]
Dans le cas du dosage des nitrates, on ajoute simplement une colonne de cadmium qui permet la réduction des nitrates en nitrites.
Contrairement à de nombreux systèmes d’analyse, souvent onéreux, à longs temps de réponse et consommant beaucoup de réactifs, l'équipement présenté offre les avantages suivants :
- — mise en route et stabilisation aisées,
- — rapidité d’obtention des résultats (30 secondes),
- — faible consommation de réactifs (0,3 à 1 ml/min),
- — facilité d’adaptation des méthodes de référence (normes AFNOR par exemple),
- — passage rapide d'une analyse à une autre,
- — maintenance peu onéreuse.
Il permet d’autre part de nombreuses autres applications : mesure de l’alcalinité, des phosphates, de la silice, de l’aluminium, etc.
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