Extraction des toxiques organiques volatils et gazeux

Les composés organiques volatils sont des composés organiques dont la pression de vapeur est au dessus de 0.1 mm Hg (13.3 Pa) à 25 º C. Grâce  au cycle : volatilisation suivie de condensation, il est possible d'isoler le toxique du substrat qui le supporte. Le laboratoire de toxicologie peut être invité pour exécuter des analyses pour des solvants et d'autres composés volatils dans les échantillons biologiques ou atmosphériques et ceci dans le but de :

• Aider au diagnostic des intoxications aiguës (agents anesthésiants)
• Confirmer une exposition chronique à des substances volatiles surtout dans le cadre de la médecine du travail.
• Faciliter la recherche sur les situations d’intoxication par des substances volatiles (alcool).
• Faire des enquêtes sur les causes d’un incendie si des produits volatils ont été incriminés.
• Évaluation environnementale dans les cas de pollutions par les rejets industriels

Prélèvement (échantillonnage)

Échantillon gazeux : l’air atmosphérique, rejets industriels, fumés, air expiré … etc.

Prélèvement sans concentration

Se fait dans des sacs inertes, ampoules, conteneurs.

• Permet une analyse directe (limites de détection sont compatibles avec les systèmes analytiques).
• Satisfaisant pour des composés inertes, moins pour des mélanges réactifs.

Avantage :

• Volume important (analysée plusieurs fois).
• Bon collecte de l’échantillon.

Inconvénient : COV  souvent à l’état de traces à concentration.

Prélèvement avec concentration

But : Augmenter la concentration des molécules. Le prélèvement par absorption Fixer par barbotage, un composé dans une solution appropriée. Les COV piégés se retrouvent en solution ou sous forme de précipité. Ex : Acides à benzène, soude à Chloroforme. Le prélèvement par adsorption sur support solide Le volume d’air à analyser est aspiré au moyen d’une pompe, au travers d’une cartouche en verre ou en acier remplie d’adsorbant. Extraction des composés adsorbés : extraction par solvant ou extraction thermique.   3 types d’adsorbants sont utilisés :

• Les supports à base de charbon actif:

Forte affinité d’adsorption pour les composés organiques (très volatils  ex. chlorure de vinyle). Ex .Noirs de carbone graphité (Carbotrap)

• Les adsorbants inorganiques :

Pour les  Composés polaires : Ex. Alumine, la silice,

• Les polymères organiques:

Stables thermiquement que les adsorbants carbonés. Applicable pour une large gamme de composés à l’exception des produits très volatils (éthane, éthène, chlorure de vinyle), et de certaines substances polaires à faible poids moléculaire (alcools, aldéhydes, cétones).

Le piégeage cryogénique

Il s’agit de provoquer la condensation brutale des molécules dans un tube refroidi à basse température, par de l’azote, de l’argon ou de l’oxygène liquide. Le piégeage cryogénique est applicable pour les échantillons solide ou liquides : (sols, eaux, aliments, comprimés, milieux biologiques (sang, urines, biles) dans des récipients inertes hermétiquement fermés.

Techniques d'isolement

En fonction de l'état physique normal du toxique à la température ordinaire, on distingue:

• Toxiques gazeux à température ordinaire.
• Toxiques normalement à l'état solide.
• Toxiques liquides à température ordinaire.
• Toxiques très volatils ou altérables par la chaleur.
• Toxiques hydrosolubles ou à faible volatilité.

Techniques d'extraction de toxiques gazeux

Technique de NICLOUX (exemple : CO) L'extraction des gaz sanguins est assurée par l'action conjuguée d'un acide fort et fixe qui décompose les combinaisons gazeuses de l'Hémoglobine et d'un entraînement à la vapeur d'eau sous vide qui parfait l'extraction totale des gaz de la phase liquide. Techniques par diffusion gazeuse MÉTHODE  DE CONWAY: cellule de CONWAY La méthode par microdiffusion, Le gaz est libéré dans une enceinte close par mise en contact du sang avec une solution d'acide sulfurique.

Techniques d’extraction des toxiques normalement à l’état solide

Sublimation : Passage d'un corps de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide. Certains composés organiques (ou minéraux) sont sublimables à pression ordinaire : Acide benzoïque, Camphre. Il est aisé de réaliser l’opération au laboratoire en chauffant le solide et en recueillant les vapeurs sur une paroi froide. Mais le plus souvent on opère sous pression réduite dans un tube scellé sous vide que l’on chauffe modérément. Application : lyophilisation et la « distillation moléculaire » obtenu en captant les moindres traces d’eau ou de solvant  par des pièges chimiques ou thermique (azote liquide).  

Extraction des toxiques très volatils ou altérables par la chaleur

L’extraction de ces types de substances se fait par entraînement à l'air ou à un gaz inerte. La récupération du toxique consiste à amener le mélange gazeux d'entraînement en contact avec un réactif fixateur électif où il sera ultérieurement caractérisé et dosé. Exemple: dosage des solvants industriels (CS₂, benzène et ses homologues, chloroforme, solvants chlorés..) dans les liquides biologiques et les viscères. Techniques d'entraînement à l'air 1) Cas du sang: Nous décrirons l'appareil de TRUHAUT mis au point pour le dosage du benzène; il peut être également utilisé pour la détection de la plupart des solvants industriels. Appareil : L'appareil comporte quatre parties:

• La première (A) est destinée à la purification de l'air d'entraînement.
• La deuxième (B) comporte le dispositif qui assure l'extraction du solvant.
• La troisième (C) est le système de fixation du toxique.
• Enfin la quatrième (D) comporte le dispositif mécanique d'entraînement de l'air.

2) Cas des viscères:  On peut utiliser l'appareil que LALLEMAND et KOHN-ABREST conseillent pour la mise en évidence des solvants chlorés en général. Appareil :

• Un barboteur préalable A, au nitrate d'argent nitrique, destiné à retenir les acides halogénés pouvant souiller l'atmosphère du Laboratoire.
• Un ballon B contiendra la bouillie des viscères.
• Un deuxième barboteur C à nitrate d'argent nitrique destiné à fixer les acides halogénés pouvant être normalement inclus dans les viscères.
• Un four électrique à pyrolyse D.
• Deux barboteurs E et E' montés en série contenant chacun une quantité déterminée de solution titrée de Ag NO3 nitrique; l'excès de l'ion argent non transformé en halogénure insoluble permettra de doser la quantité d'halogène contenue dans le produit organique.
• Un système aspirateur

Isolement des toxiques hydrosolubles où a faible volatilité

Distillation ou entraînement à la vapeur d'eau: Techniques:

1. Distillation :

Principe : Séparer deux liquides miscibles dont les températures d’ébullition sont différentes. Mode opératoire : On porte le Ballon de distillation à une température inferieur à la température d’ébullition de Solvant (100º pour l’eau) mais suffisamment élavée pour provoquer l’évaporation des COV voulues. Exemples: Extraction de l'éthanol dans la méthode de CORDEBARD (Ethanol bout à environ 78,5°C), distillation de l'acétone (T ébullition : 56°C).

2. La distillation azéotropique ou L’entrainement à la vapeur :

Plusieurs produits sont séparés ensembles à une température inférieure à leurs températures d'ébullition respectives grâce à des liaisons chimiques dans le liquide. On parle alors d'un mélange azéotrope. Lorsque l'un des liquides constituant l'azéotrope est de l'eau on parle d'hydrodistillation. C'est le principe utilisé pour extraire les huiles essentielles des plantes. L'Hydro-distillation est applicable sur les huiles essentiels. Elle consiste à porter à ébullition un mélange, puis à condenser les vapeurs qui se dégagent afin de récupérer les arômes, composés organiques volatils. Le composé organique se vaporise, lors de l’ébullition, en même temps que l'eau, à une température inférieure à sa température d’ébullition, ce qui permet de ne pas détériorer ses qualités.  Conditions

• Le produit soumis à l'entraînement doit être de fluidité suffisante pour permettre un passage homogène de la vapeur d'eau dans toutes ses parties.
• Floculation des protéines par addition d'un acide minéral. Cette floculation protéinique, minimise l'importance de la mousse, et assure  la libération des toxiques volatils de leurs combinaisons protéiniques possibles.
• Ajouter un anti mousse pour éviter l'envahissement du ballon d'extraction

Exemple : Acide Cyanhydrique, Ethanol, Méthanol, Phénol, Aniline.

Autres techniques

L’espace de tête (Headspace)

Un échantillon liquide ou solide est mis dans un récipient clos jusqu’à ce que les composés volatils parviennent à un équilibre entre l’échantillon et la phase gazeuse constituant l’espace de tête. Un volume de cet espace de tête est ensuite prélevé pour l’analyse.

Figure. Technique d'extraction Head-Space 2 types d’espace de tête : Espace de tête statique : consiste à prélever la phase gazeuse qui se trouve en équilibre thermodynamique avec la phase liquide dans un système clos. Méthode simple mais possède une sensibilité limitée,  à utiliser pour les milieux Riches en COV. Espace de tête dynamique : consiste à libérer la totalité des composés volatils présents dans un échantillon liquide en retirant de façon continue la phase gazeuse du système. Cette méthode est plus sensible.

Conslusion

On assiste aujourd'hui à de nouvelles techniques de séparation qui ont été développés pour détecter, identifier et doser une molécule toxique. Ces techniques regroupent principalement les méthodes chromatographiques et plus récemment électrophorétiques avec l'électrophorèse capillaire et ses variantes. Depuis quelques années, ces méthodes prennent une part de plus en plus importante dans le screening toxicologique car elles permettent de caractériser un éventail très large de molécules.