Manuel d’initiation à la SPE

Qu’est-ce que l’extraction en phase solide (SPE) ?

Ne vous méprenez sur le terme « extraction en phase solide » (en anglais « Solid Phase Extraction », ou SPE). Un dispositif SPE classique présente un pouvoir de séparation 50 fois supérieur à celui d’une simple extraction liquide-liquide. La SPE est en fait une chromatographie liquide-solide sur colonne. Étant donné que la SPE est une chromatographie en phase liquide (LC), sa pratique est régie par les principes de cette dernière. Un échantillon est introduit dans une colonne ou une cartouche contenant un lit de particules appropriées (ou sous une autre forme) d’un matériau de remplissage chromatographique (phase stationnaire). Le solvant (phase mobile) traverse le lit. En choisissant une combinaison appropriée de phases mobile et stationnaire, les composés de l’échantillon peuvent passer directement à travers le lit de la colonne ou être retenus de façon sélective.

Les différents composés de l’échantillon se déplacent généralement à des vitesses distinctes dans le dispositif. L’utilisation d’un solvant plus faible permet de ralentir leur déplacement et/ou de les retenir fortement. Au contraire, un solvant plus fort permet d’accélérer leur passage à travers le lit et d’éluer les analytes dans un volume plus concentré. L’élution à partir d’un dispositif SPE s’effectue habituellement en augmentant la force de la phase mobile en une série d’étapes distinctes, plutôt que continues, au cours desquelles des analytes ou des interférences sélectionnés sont soit entièrement retenus, soit rapidement élués. Ce type d’élution par gradient est appelé gradient discontinu.

Le plus souvent, la SPE est pratiquée à l’aide de dispositifs à colonne ou à cartouche miniatures. Un exemple est présenté ci-dessous. Un mélange de trois colorants est chargé sur la cartouche dans un solvant faible, provoquant une forte rétention d’échantillon dans une bande étroite qui apparaît noire à l’entrée de la colonne. Les étapes de gradient suivantes, réalisées chacune avec un solvant de plus en plus fort, sont utilisées pour éluer séparément les colorants (jaune, rouge, puis bleu).

Les cartouches SPE classiques sont des dispositifs à basse pression fabriqués en verre ou en plastique résistant aux solvants et remplis de particules de diamètre ≥ 30 µm. Des débits adaptés peuvent être obtenus par gravité ou en créant un vide ou une faible pression positive. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de boucher l’entrée de la colonne ou d’utiliser un dispositif étanche muni de raccords d’entrée et de sortie.

Importance de la préparation des échantillons

Au cours des deux dernières décennies, compte tenu des progrès spectaculaires réalisées dans le domaine de l’instrumentation analytique et des systèmes de gestion des informations de laboratoire (LIMS), les principales tâches de l’analyste sont passées des mesures des analyses à la préparation des échantillons et au traitement des données. Face à la demande croissante pour une amélioration de la sensibilité, de la sélectivité, de l’exactitude et de la fidélité, et à la hausse du nombre d’échantillons à traiter, les progrès enregistrés en termes de vitesse et de sophistication des analyses et des données collectées ont dépassé les avancées apportées aux nombreuses techniques traditionnelles de collecte et de préparation des échantillons. Selon certaines estimations, 75 à 80 % du travail et des coûts de fonctionnement d’un laboratoire d’analyse moderne sont consacrés au traitement et à la préparation des échantillons en vue de leur introduction ou de leur injection dans un dispositif de séparation et/ou de mesure analytique. De toute évidence, les prochaines avancées des sciences analytiques impliqueront de déployer des efforts et de concevoir des produits visant à rationaliser les protocoles de préparation des échantillons.

Objectifs de la préparation des échantillons

Pour la plupart des techniques analytiques (HPLC, GC, spectrophotométrie, RIA, etc.), l’efficacité de la préparation des échantillonsremplit un triple objectif, à savoir, fournir le composé d’intérêt de l’échantillon :

• en solution ;
• exempt d’interférences liées à la matrice ;
• à une concentration adaptée à la détection ou à la mesure.

Pour atteindre ces buts, un échantillon, ou une partie représentative de celui-ci (pas toujours facile à obtenir), est préparé par le biais de méthodes classiques de dissolution, d’homogénéisation, d’extraction (en phase liquide ou solide), de filtration, de concentration, d’évaporation, de séparation, de dérivatisation chimique, de standardisation (interne ou externe), etc.

Ces méthodes sont généralement utilisées en combinaisons de plusieurs étapes, qui forment un protocole de préparation des échantillons. Moins il y a d’étapes et de méthodes impliquées dans un protocole donné, plus celui-ci est simple, pratique, économique et rapide. De plus, les protocoles plus simples se prêtent plus facilement à l’automatisation et présentent également un niveau supérieur d’exactitude, de fiabilité, de reproductibilité et de sécurité.

Des méthodes de préparation des échantillons innovantes

Il existe de nombreuses façons de combiner des outils et des techniques standard pour atteindre les objectifs de la préparation des échantillons. Cependant, il est préférable de rechercher des moyens novateurs pour simplifier les protocoles de préparation des échantillons afin :

• de combiner les fonctions de plusieurs étapes, si possible, en une seule opération ;
• d’éliminer les transferts et les manipulations d’échantillons superflus ;
• de réduire l’échelle autant que possible pour économiser du temps, de l’argent et de la main-d’œuvre ;
• d’utiliser de nouveaux outils de manière créative.

Avantages des cartouches d’extraction en phase solide (SPE)

Comparée à d’autres procédés de préparation d’échantillons, l’extraction en phase solide à l’aide de cartouches SPE offre de nombreux avantages :

Atteindre les objectifs de préparation des échantillons avec l’extraction en phase solide (SPE)

• Pour éliminer les constituants de l’échantillon qui éluent après les analytes d’intérêt ou qui sont fortement adsorbés :
  • utilisez l’extraction en phase solide avec une chimie de surface du sorbant identique à celle de la colonne HPLC analytique ;
  • adaptez les étapes de gradient pour éluer sélectivement les analytes.
• Pour éliminer les constituants de l’échantillon qui coéluent avec un analyte d’intérêt :
  • utilisez l’extraction en phase solide avec une chimie de surface du sorbant et/ou un mode de séparation différent de celui de la colonne analytique ;
  • adaptez les étapes de gradient pour éluer sélectivement les analytes.
• Pour enrichir les composés de l’échantillon présents en faible concentration :
  • adaptez les étapes de gradient pour éluer sélectivement les analytes ;
  • utilisez de « grands » volumes d’échantillon dans le solvant favorisant l’adsorption ;
  • utilisez un « petit » volume de collecte dans le solvant favorisant la désorption ;
  • utilisez une chimie de sorbant adaptée à l’analyte, indépendante de celle de la colonne analytique ;
  • choisissez avec soin la chimie de la colonne d’extraction en phase solide pour éviter toute préparation supplémentaire des échantillons.
• Pour dessaler les échantillons :
  • commencez par adsorber les analytes sur un sorbant en phase inverse pendant que le sel traverse sans être retenu ;
  • ensuite, après avoir utilisé de l’eau pour éliminer le sel résiduel, désorbez les analytes à l’aide d’un solvant organique miscible à l’eau.
• Pour changer les solvants :
  • adsorbez complètement l’échantillon sur un sorbant à forte rétention et évacuez le solvant d’origine avec un éluant plus faible ;
  • éluez l’analyte avec le solvant souhaité.
• Pour fractionner des classes de composés :
  • utilisez une séquence de gradients discontinus pour diviser un échantillon, en fonction de son hydrophobie, de sa polarité ou de sa charge, en fractions contenant des groupes d’analytes partageant des propriétés communes.
• Pour dérivatiser des analytes à l’aide de réactifs en phase solide :
  • adsorbez un réactif de dérivatisation sur la surface du sorbant ; prélevez ensuite l’échantillon (généralement un gaz) dans des conditions favorisant l’adsorption complète de l’analyte ; ensuite, attendez que la réaction se produise, puis éluez sélectivement le dérivé.