alt=Montage pour SBSE : 1) Bouchon 2) Échantillon 3) Barreau pour SBSE|vignette|294x294px|Montage pour SBSE : 1) Bouchon 2) Échantillon 3) Barreau pour SBSE L'extraction par sorption sur barreau magnétique ou en anglais (SBSE) est introduite en 1999 dans le but de pousser les limites de la microextraction sur phase solide. Elle permet d’extraire des quantités extrêmement petites d’analytes dans une matrice sans utiliser de solvants Erik Baltussen, Pat Sandra, Frank David, Carel Cramer (1999), Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE), a Novel Extraction Technique for Aqueous Samples: Theory and Principles, J. Microcolumn Separation, 11, 737-747.
Cette technique a été principalement développée pour l’échantillonnage en phase liquide des composés organiques et est basée sur l’absorption de l’analyte dans une résine de polydiméthylsiloxane (PDMS)Frank David, Pat Sandra (2007), Stir bar sorptive extraction for trace analysis, Journal of Chromatography A, 1152, 54-69..
Fonctionnement global
La SBSE est une technique similaire à celle de la microextraction sur phase solide (SPME, ) et est principalement basée sur la sorption et la désorption de l'analyte. Pour procéder à l’extraction, un barreau magnétique est enrobé d’un polymère servant de résine absorbante, la plupart du temps le PDMS. L’efficacité de l’extraction est gouvernée par le coefficient de partage entre le polymère et la matrice, ainsi que par le rapport des volumes de PDMS et de la matrice. Pour une résine de polydiméthylsiloxane et un composé aqueux, le coefficient est comparable à celui de l’octanol/eau (). Pour la désorption, elle peut se faire soit par désorption thermique, ou par désorption liquide. La SBSE est principalement utilisée dans l’analyse de trace dans le domaine de l’environnement, de l’alimentation et du domaine biomédical. En combinaison avec d’autres appareils analytiques, par exemple un chromatographe en phase gazeuse ou un spectromètre de masse, cette technique permet d’obtenir des résultats plus rapide et plus précis qu'un SPME.
Principe
Extraction L’extraction est techniquement basée sur l’équilibre entre la phase stationnaire et la phase mobile ainsi que sur le coefficient de distribution de l’octanol/eau (). Plusieurs études ont démontré une certaine corrélation pour affirmer que . Avec cette similarité, il est possible d’obtenir une bonne indication pour savoir si et comment le composé peut être extrait par SBSE ou SPME. De plus, à l’aide de l’équation suivante, il est possible de voir que l’équilibre de la sorption est dépendant du ratio de phase (B) et de la quantité de polydiméthylsiloxane ().
alt=La récupération théorique en fonction du log du coefficient de distribution à différents ratios de phase|vignette|331x331px|La récupération théorique en fonction du log du coefficient de distribution à différents ratios de phase Le coefficient de distribution () entre le polydiméthylsiloxane et l’eau est défini comme un ratio à l’équilibre entre la concentration de l'analyte dans le PDMS et l’eau. En introduisant une nouvelle équation, il est possible de combiner l’équation 1 et 2 pour déterminer la récupération théorique (R), à condition d’être à l’équilibreA.Prietoa, O. Basauria, R. Rodilb, A. Usobiagaa, L.A. Fernándeza, N. Etexebarriaa, O. Zuloaga, (2010) Stir-bar sorptive extraction: Aview on method optimisation, novel applications, limitations and potential solutions, Journal of Chromatography A, 1217, 2642-2666..
À l'aide de l'équation 3, l’efficacité de l’extraction, donc la récupération, augmente lorsque la constante de distribution () augmente aussi. De plus, plus la quantité de PDMS appliqué est grande, plus le ratio de phase 𝛽 est petit, donc plus la récupération est bonne. D’ailleurs, le ratio de phase est défini comme le ratio entre le volume d’eau et le volume de PDMS. Tel que montré dans la figure ci-contre, la récupération théorique est augmentée lorsque de petits ratios de phase sont utilisés.
De plus, pour l'analyse de traces, il n’y a pas seulement la récupération théorique qui est importante, mais aussi le facteur d’enrichissement et la quantité absolue totale pour que l’échantillon soit analysé par chromatographie liquide ou chromatographie gazeuse. Par contre, cette prédiction peut être déterminée par la récupération théorique et le volume de l’échantillon. Somme toute, il est possible de voir que pour des solutés apolaires, la quantité extraite augmente proportionnellement en fonction de la quantité de l’échantillon. Il est donc logique de dire que plus la matrice est grande, plus la quantité récupérée sera grande. Par contre, lorsqu’il est question de soluté polaire, il n’y a pas de corrélation qui a été établie. Alors, de façon générale, il n’a pas de fonction qui permet directement de relier la quantité d’échantillons à la quantité de récupération.
Désorption thermique
Une fois l'extraction terminée, le barreau est retiré de l'échantillon, rincé à l'eau distillée pour retirer les sels et protéines pouvant être présentes et séché à l'aide d'un tissue. L'analyte n'est pas perdu lors du rinçage puisqu'il est absorbé dans le polymère de PDMS. Pour la SBSE combinée à un chromatographe en phase gazeuse, il faut alors une unité de désorption thermique pour vaporiser l'analyte, puis le refroidir avant l'entrée dans le GC. La désorption thermique est efficace, mais elle se limite aux composés volatils et thermiquement stables et au couplage avec un GC. Elle est préférable que la désorption liquide.
Désorption liquide Si l'analyte est trop sensible à la chaleur, non volatile ou que l'accès à une unité de désorption thermique dispendieuse est impossible, il est possible de faire une désorption liquide à l'aide d'un solvant. Pour ce faire, une fois l'extraction terminée, le barreau est plongé dans un volume minimum possible de solvant compatible pour solvater l’analyte afin de recouvrir le barreau. Les solvants les plus utilisés sont le méthanol, l'acétonitrile, un mélange des deux ou un mélange de ceux-ci avec de l'eau. Des solvants organiquesPaula Grossi, Igor R. B. Olivares, Diego R. de Freitas, Fernando M. Lancas, A novel HS-SBSE system coupled with gas chromatography and mass spectrometry for the analysis of organochlorine pesticides in water samples, J. Sep. Sci. 31, 2008, 3630 – 3637. (par exemple l'hexane.), l'isooctane et l'acétate d'éthyle ont aussi été étudiés pour la désorption. L'acétate d'éthyle peut par contre détériorer le PDMS, son utilisation est donc limitée. La désorption liquide est optimale pour des composés ayant une polarité moyenne, puisqu'elle est déterminée par le coefficient de partage octanol/eau, comme mentionné auparavant. Si le composé est trop polaire, il y aura peu d'analytes retenus sur le barreau, mais il sera facile à le désorber. Par contre, si le composé n'est pas assez polaire, bien qu'il y aura beaucoup d'analytes absorbés sur le barreau, il sera difficile de retirer ce dernier. La désorption liquide peut être accélérée en chauffant, en agitant ou par sonification. Cette méthode de désorption peut servir pour l'analyse chromatographique en phase liquide et en phase gazeuse.
Comparaison avec la SPME alt=Comparaison de la récupération théorique en fonction du log du coefficient de distribution obtenue par SBSE et SPME.|vignette|336x336px|Comparaison de la récupération théorique en fonction du log du coefficient de distribution obtenue par SBSE et SPME. La SPME (), où communément appelée microextraction sur phase solide, est une technique relativement comparable à celle de la SBSE. Dans celle-ci, la phase stationnaire, qui est greffée à une fibre de silice, détermine la capacité d’extraction. Par exemple, en prenant la SPME, si environ 0,5 uL de polydiméthylsiloxane et un échantillon de sont choisis, le ratio de phase obtenu est de , ce qui est extrêmement élevé, donc la récupération sera très petite. Par contre, avec la SBSE, si nous prenons le même échantillon, un barreau magnétique de comportera de PDMS, donc le ratio sera de 417. En prenant l’équation 3, il est possible de déterminer la récupération théorique (R). Dans les deux cas, () est de 3. Avec la SPME, la récupération est de seulement 4,8 %, tandis qu’avec le SBSE, la récupération est de 71 %.
L’augmentation de la récupération théorique en utilisant la SBSE au lieu de la SPME a été démontrée par plusieurs groupes de recherche en utilisant des PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) et des pesticides comme échantillons. Par contre, la SBSE est moins pratique que la SPME. Cette dernière est simple et rapide, puis elle permet de prendre des analyses dans différents endroits sans nécessairement être dans un laboratoire. En effet, si l’échantillon est bien entreposé, il peut être conservé quelques jours avant d’être analysé sans avoir de perte significative.
Le polydiméthylsiloxane (PDMS)
Le PDMS a été choisi pour cette technique, car il possède plusieurs avantages. Premièrement, comparativement aux autres adsorbants, les analytes ne sont pas activement retenus sur la surface, mais ils sont divisés dans la fibre de la résine. Du fait que l’absorption est un processus plus faible que l’adsorption dans le PDMS, la dégradation des analytes instables est pratiquement absente, ce qui permet d’avoir une précision accrue. Deuxièmement, du fait que le PDMS à des interactions plus faibles avec l’analyte, l’échantillon peut être désorbé à des températures plus basses, ce qui réduit le risque d'endommager l'analyte.
Troisièmement, la capacité de rétention du PDMS n’est pas influencée par la quantité d’eau et d’autres composés tant que tous les solutés possèdent leurs propres équilibres de partage. Quatrièmement, la dégradation des fragments du PDMS peut être facilement identifiée par un détecteur de masse sélectif, ce qui augmente la précision de cette technique.
Méthodologie alt=Barreau pour SBSE : 1) Recouvrement de PDMS 2) Barreau magnétique 3) Verre enrobant le barreau|vignette|244x244px|Barreau pour SBSE : 1) Recouvrement de PDMS 2) Barreau magnétique 3) Verre enrobant le barreau La première étape dans un laboratoire est la préparation du barreau magnétique. Un barreau magnétique est placé dans un moule en Téflon et un mélange de PDMS est ajouté. Le moule est d’abord mis dans une étuve pendant une heure à . Ce dernier est laissé à reposer à température de la pièce avant de couler le mélange. Le mélange est formé sous un de phase visqueuse (environ ) et d’agent durcisseur (). Le moule est pressé et placé dans une étuve pendant a et ensuite sous un gradient de température de jusqu’à ().
Le temps d’extraction varie en fonction de l’analyte en question. La troisième étape consiste à récupérer l’analyte par désorption comme mentionné auparavant. L'analyte est habituellement retiré du barreau par désorption thermique en chauffant à des températures entre 150 et pendant une période pouvant atteindre . La dernière étape consiste à analyser le composé souvent par chromatographie. Ce processus est souvent relié directement au mécanisme de désorption afin de minimiser les pertes et les contaminations.
Application : matrice et types d'analytes
La SBSE a premièrement été utilisée pour l'extraction de composés organiques semi-volatils de l'eau lors d'analyse environnementale effectuée par chromatographie sur phase gazeuse. Elle a servi pour la détection et la quantification de composés dans l'eau tels que des pesticides, des hormones, des explosifs et des composés odorants. La SBSE a ensuite été utilisée pour l'extraction de composés organiques dans le sol après avoir fait une extraction liquide-liquide de l'échantillon.