La chimie analytique verte est un domaine qui explore les concepts de la chimie verte dans le contexte de la chimie analytique. Son but est donc de caractériser et d'identifier des substances chimiques dans différentes matrices tout en respectant l’environnement, en minimisant les risques ainsi que le coût. Dans cette optique, on s'efforce d'utiliser des solvants alternatifs (moins toxiques que les solvants usuels), des techniques d’extraction avec réduction de solvant voire sans solvant, ainsi que des prétraitements et traitements des échantillons exigeant moins de ressources.
Histoire
Depuis les années 1990 environ, le mouvement de la chimie verte promeut des moyens de réduire les risques d’utilisation de produits chimiques pour les humains et l’environnement. L’objectif de ce mouvement est de développer des composés chimiques plus respectueux de l’environnement. Un domaine relativement peu étudié de la chimie verte est la chimie analytique.
La chimie analytique verte repose sur certains principes de la chimie verte qui sont principalement: recherche d'alternatives aux solvants polluants (par exemple usage de solvants moins polluants: heptane plutôt qu'hexane lorsque les conditions le permettent, ou utilisation de procédés sans solvants), prévention de la pollution à la source, méthode de synthèses moins toxiques, conception de produits chimiques plus sûrs.
Le concept de la chimie analytique verte est apparu à la fin du . Le terme “chimie analytique verte” n’a pas été employé dans les revues et livres scientifiques jusqu’à que le chimiste polonais Jacek Namiesnik publie un journal en 2001 dans lequel il y fait référence. La chimie analytique verte développe des méthodes permettant d’étendre les techniques d’analyses en réduisant la production de déchets et l’utilisation de solvants toxiques pour la santé humaine et l’environnement, ou encore en améliorant des appareils d'analyse (tels que les spectromètres UV-Visible ou les chromatographes pour HPLC) afin de les rendre compatibles avec d'autres solvants ou d'autres méthodes d'analyse.
Pré-traitement et traitement des échantillons
Le traitement initial des échantillons est important pour obtenir des résultats fiables dans les analyses. Traditionnellement, cette étape peut être longue, générer beaucoup de déchets et utiliser des produits potentiellement nocifs.
Cependant, des méthodes plus respectueuses de l'environnement ont été développées. L'objectif est de remplacer, réduire ou éliminer l'utilisation de produits chimiques toxiques, tout en préservant ou en améliorant le traitement des échantillons.
Deux voies de progrès classiques sont la miniaturisation des techniques (pour limiter la quantité de matière et de solvant), et le remplacement des solvants par d'autres choix moins toxiques ayant des propriétés similaires. De plus, des méthodes d'extraction sans solvant ont vu le jour, et l'utilisation de technologies comme les micro-ondes et les ultrasons sont explorées pour rendre le processus plus efficace et moins néfaste pour la planète.
Réduction des quantités de solvant avec des techniques d'extraction miniaturisées Cette approche vise à minimiser l'utilisation de solvants en adoptant des techniques qui nécessitent des volumes plus faibles. Les méthodes miniaturisées peuvent être plus précises et permettre une réduction significative de la consommation de solvants.
Utilisation de solvants alternatifs aux solvants organiques classiques Le remplacement des solvants organiques traditionnels par des alternatives plus respectueuses de l'environnement contribue à réduire l'impact écologique du processus. Des solvants plus sûrs et durables sont explorés pour effectuer le traitement des échantillons.
Suppression des solvants grâce aux nouvelles techniques d'extraction sur support solide Les méthodes d'extraction sur support solide visent à éliminer complètement l'utilisation de solvants. Cela peut être réalisé en utilisant des supports solides spécifiques qui capturent l'analyte sans nécessiter de solvants liquides.
Techniques d'extraction assistées par micro-ondes et ultrasons L'utilisation de micro-ondes et d'ultrasons permet d'améliorer l'efficacité du processus d'extraction, réduisant ainsi le temps nécessaire et potentiellement la quantité de solvant requise. Ces techniques peuvent également contribuer à améliorer la sélectivité de l'extraction.
Techniques d'extraction avec réduction de solvant ou sans solvant L’extraction est une méthode qui consiste à extraire sélectivement un ou plusieurs composés d’un mélange par un solvant. Cette technique est basée sur les propriétés chimiques ou physiques des composés et du solvant. Dans le cas de la chimie analytique verte on peut distinguer deux types d’extractions: l’extraction avec réduction de solvants ainsi que l’extraction sans solvants.
Les techniques d’extraction avec réduction de solvants
L’extraction liquide-liquide
L’extraction liquide-liquide est une méthode qui est basée sur le transfert de matière entre deux phases liquides non miscibles.Traditionnellement les extractions sont réalisées avec des quantités importantes (de l’ordre de la dizaine de millilitres) qui peuvent être toxiques et chronophages. Des alternatives ont été mises en place à l’exemple de la micro-extraction liquide-liquide (LPME) ainsi que la micro-extraction sur goutte.
La micro-extraction sur goutte SDME est une méthode d’extraction qui consiste à mettre en contact une goutte de solvant organique de quelques microlitres au bout d’une microseringue avec la phase aqueuse contenant le produit d’intérêt, dont l’extrait est injecté dans un système chromatographie.
La micro-extraction sur fibre (HF-LPME)
Le principe est d’extraire le produit d’intérêt d’un échantillon aqueux par l’intermédiaire d’une fibre creuse poreuse en polypropylène, l’extraction est effectuée par quelques dizaines de microlitres de solvants organiques contenues dans les pores de la fibre, puis l’analyse est ensuite effectué par chromatographie ou électrophorèse capillaire.
La micro-extraction en milieu dispersif (DLLME)
Le principe est d’utiliser quelques microlitres de solvants d’extraction non miscible avec l’échantillon liquide contenant le produit d’intérêt auquel est ajouté un solvant dispersif, miscible avec le solvant d’extraction et l’échantillon. La dispersion du solvant d’extraction dans le milieu favorise les échanges et permet de réduire les temps d’extraction. Le solvant d’extraction contenant le produit d’intérêt est prélevé par une microseringue après centrifugation.
Les techniques d’extraction sans solvant
L’extraction sur phase solide
Étant une des techniques les plus répandues, le principe de l’extraction sur phase solide repose sur la distribution du produit d’intérêt entre l’échantillon liquide et une phase solide adsorbante, généralement un polymère, à travers laquelle passe l’échantillon. Les composés d’intérêt piégés sur la phase liquide sont extraits avec un rendement proche de 100% ou peuvent être couplés avec un système chromatographique.
À partir de ce principe d’extraction plusieurs techniques moins nocives ont été développées tel que la micro-extraction sur phase solide (SPME) ou la micro-extraction sur barreau (SBSE).
La micro-extraction sur phase solide (SPME)
Le principe de cette technique repose sur l’utilisation d’une fibre de silice enrobée d’un film (10-100μm) de phase d’adsorbant, le plus souvent en polydimethylsiloxane (polymère de la famille des siloxanes) qui est mis en contact avec l’échantillon.
La micro extraction sur barreau
Le principe de cette technique est l’utilisation d’un barreau d’agitation magnétique de 1 à de long enrobé le plus souvent de polydimethylsiloxane (PDMS). Techniques d’extractionAvantages Inconvénients Avec réduction de solvant Micro-extraction sur goutte (SDME)Moins de solvant d’extraction, facile d’utilisation, peu coûteuse Peu reproductible, la surface d’extraction est peu limitée Micro-extraction sur fibre (HF-LPME)Rendement élevé Temps d’extraction d’une dizaine de minute Micro-extraction en milieu dispersif (DLLME)Technique simple, rapide, facteurs d’enrichissement élevés Nécessite un volume de plusieurs millilitres de solvant de dispersion Sans solvant Micro-extraction sur phase solide (SPME)Ne nécessite aucun solvant, que quelques millilitres d’extraits sont utilisés, technique simple et rapide, adapté à tout type de matrice Micro-extraction sur barreau Sensibilité supérieur que la technique (SPME)Cinétique d’extraction faible, temps d’équilibre important
Solvants alternatifs
Le terme solvant vert ne possédant pas de définition exacte, ils sont principalement appelés solvants alternatifs. Le solvant «vert» le plus connu est l’eau.
Beaucoup de solvants organiques polluants et dangereux pour la santé sont utilisés en chimie analytique pour extraire un produit. Pour améliorer ce processus d’extraction, la recherche de solvants moins toxiques ou ayant le moins d’impact possible est indispensable.
Une technique qui offre des possibilités très intéressantes, pour extraire des composés organiques à partir d’une matrice solide est l’extraction par fluide supercritique. Cela consiste à utiliser un solvant dans un état supercritique, c’est-à-dire dans un état intermédiaire entre l’état liquide et gazeux, en contrôlant la température et la pression. Elle est souvent utilisée dans le secteur agroalimentaire.
Un fluide supercritique est une substance maintenue à une température et à une pression supérieur à la valeur critique. Le plus connu et le plus utilisé est le CO2 à une pression comprise entre 100-400 bars et une température entre 30 car il a un comportement apolaire, il est facile à manipuler, a un faible coût et il est non toxique.
Une alternative polaire au CO2 supercritique est l’eau supercritique (Tc = , Pc= 221 bars). L’eau supercritique reste non toxique et il est possible d’ajuster sa sélectivité d’extraction en jouant sur la température et la pression.
Il existe de nombreux autres solvants alternatifs : Dérives des glucides Bioéthanol et biobutanol (dérivés des glucides et fabriqués par la fermentation des sucres et de l’amidon) Isobutanol et ter-butanol Lactate d’éthyle (fabriqué à partir d’acide lactique obtenu de l’amidon de maïs) L’alcool tétrahydrofurfurylique (obtenu à partir d'hémicellulose) Transports, peintures…Dérivés des lipides Glycérol EMAG (ester d’acides gras fabriqué avec du méthanol) Alimentaire Cosmétique PharmaceutiqueLipides Huile végétale utilisée comme solvant pour extraire différents composés naturels (huile de lin) Chimie des polymères Cosmétiques Lubrifiants Produits bio-sourcésIssus de la lignine Phénol alkylé : 4-propyl-2,6-diméthoxyphénol et 1-propyl-3-méthoxy-4-hydroxybenzène (dépolymérisation)Solvants eutectiques profonds Mélange dont le point de fusion est inférieur à celui des constituants (ex :mélange d’urée et de chlorure de choline (rapport 2:1) Électrochimie, procédés de séparation, catalyse, synthèse, préparation de matériaux et biotechnologie.Terpène d-limonène (obtenu par extraction de certaines parties de végétaux, ici dans la pelure des agrumes)Solvants commutables Bullage de CO2 dans l’eau ou solvant organique ( processus réversible permettant de modifier la polarité, la force ionique et le caractère hydrophile d’un composé).Pétrochimiques Solvants polymériques (PEG), carbonate de propylène, siloxanes
Méthodes de caractérisation