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Optimisation de la technique d'échantillonnage "headspace" dans le cadre de l'analyse des huiles essentielles


par Laurent Salade
U.L.B - Science Pharmaceutiques 2013
  

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Année académique 2012 - 2013

Faculté de Pharmacie

Optimisation de la technique d'échantillonnage « Headspace» dans le cadre de l'analyse des huiles essentielles

Mémoire présenté par Laurent SALADE

En vue de l'obtention du grade de Master en Sciences Pharmaceutiques

Promoteur : Pierre DUEZ

Jury : Jean - Michel KAUFFMANN

Pierre VAN ANTWERPEN

I

Remerciements

Je tiens à remercier les personnes qui m'ont apporté leur aide pour la réalisation de ce mémoire ainsi que ceux qui m'ont fait partager leur expérience et leur réflexion au fil de mon travail. Je pense aussi à ceux qui m'ont apporté leur énergie, leurs encouragements, en m'accordant un peu ou beaucoup de leur temps pour me permettre de mener à bien ce travail.

Merci donc :

- Au professeur Duez, promoteur de ce mémoire, pour son accueil chaleureux au sein

du laboratoire de Pharmacognosie et pour sa patiente, sa pédagogie ainsi que pour

toute l'aide qu'il m'a apportée.

- A Marie Faes, pour son aide, son énergie et sa motivation.

- A Jeremy, pour ses connaissances en statistiques.

- A Olivier, pour l'entretien et la fourniture du matériel.

- Ainsi qu'à ma famille et mes amis qui m'ont permis de réaliser ce travail.

II

Résumé

La technique d'échantillonnage « Headspace » est utilisée depuis une cinquantaine d'années déjà dans divers domaines relatifs à l'analyse de composés volatils en association avec la chromatographie gazeuse. Elle présente l'avantage de pouvoir introduire l'échantillon directement sous forme gazeuse dans l'injecteur du système chromatographique. Ainsi, elle se prête bien à l'étude d'analytes facilement volatilisable présents dans des matrices non chromatographiables comme par exemple l'analyse d'huiles essentielles présentes dans certaines plantes.

Ce mémoire porte sur cette dernière application. Les plantes employées dans cette présentation appartiennent au genre Ocimum L. et sont analysées à l'aide d'un appareillage « Headspace » statique. Etant donné les difficultés rencontrées lors de travaux antérieurs sur des échantillons de ce type, cette étude tente d'identifier et de résoudre les problèmes analytiques en question. Deux aspects distincts sont abordés :

- D'une part, l'influence des différentes méthodes de préparation de l'échantillon sur les analyses en « Headspace ».

- Et d'autre part, l'importance et l'effet des différents paramètres du système « Headspace ».

La technique est donc étudiée de façon globale mais tout en se limitant au cadre d'une analyse sur matière végétale.

La validation d'un tel procédé analytique serait très avantageuse car il est peu coûteux, rapide et permet de s'affranchir des effets de matrice.

Il est cependant apparu que cette méthode analytique, relativement simple en théorie, présente une multitude de paramètres expérimentaux à prendre en considération et s'avère donc relativement complexe à mettre en pratique. Ce travail permet déjà d'apporter certaines informations quant au comportement de l'appareillage « Headspace » vis-à-vis de l'analyse de plantes aromatiques mais une série d'essais supplémentaires s'impose afin de pouvoir valider le processus.

III

Table des matières

1.

Introduction :

1

 

1.1

Applications :

2

 

1.2

Principe général :

3

 

1.3

Avantages et désavantages :

4

 

1.4

Les différents types de « Headspace » :

5

 

1.4.1

La « Static Headspace Extraction » (SHE):

5

 

1.4.2

La «Dynamic Headspace Extraction» («Purge and Trap»):

6

 

1.4.3

La « Solid Phase Microextraction » (SPME) :

7

 

1.5

Théorie et application de la « Static Headspace Extraction » (SHE) :

8

 

1.5.1

Les différents types d'échantillonnage en SHE :

8

 

1.5.2

Le coefficient K :

11

 

1.5.3

Le coefficient Beta :

12

 

1.5.4

La dérivation :

13

 

1.5.5

Préparation de l'échantillon :

14

 

1.5.6

Les différents paramètres :

15

 

1.5.7

La « Multiple Headspace Extraction » (MHE) :

18

 

1.6

Le genre Ocimum :

18

2.

But du Travail :

20

3.

Matériels et méthodes :

21

 

3.1

L'échantillon :

21

 

3.1.1

Matière végétale :

21

 

3.1.2

Préparation de l'échantillon :

21

 

3.2

Le système « Headspace » :

22

 

3.2.1

Type d'appareillage :

22

 

3.2.2

Protocole :

24

 

3.3

La Chromatographie Gazeuse :

25

 

3.3.1

L'injecteur :

26

 

3.3.2

Colonne et phase stationnaire :

26

 

3.3.3

Détecteur :

26

 

3.3.4

Programme de Température :

27

4.

Résultats et discussion :

27

IV

4.1 Optimisation de la préparation de l'échantillon : 28

4.1.1 Comparaison des méthodes de broyage : 28

4.1.2 Changement d'échantillon : 31

4.1.3 Ajout d'un solvant : 32

4.1.4 L'effet « Salting-out » : 38

4.2 Optimisation des paramètres d'extraction « Headspace » : 39

4.2.1 Plan factoriel : 40

4.2.2 Variation de température : 41

4.2.3 Variation du temps de remplissage de la boucle (« Loop Fill Time ») : 43

4.2.4 Optimisation de la pression du vial : 45

4.2.5 Ajouts dosés eau - poudre : 46

4.2.6 Changement d'échantillon : 49

4.3 Evolution générale : Erreur ! Signet non défini.

4.3.1 Modèle linéaire et quadratique : 50

5. Conclusion : 54

6. Références : 56

1

1. Introduction

La découverte du concept chromatographique est généralement attribuée à un botaniste russe du nom de Mikhaïl Tswett (Rouessac and Rouessac 2004). Vers 1900, lors de ses travaux de biochimie végétale, il décide de mettre au point une technique de séparation mettant en oeuvre une colonne remplie de carbonate de calcium et un éluant constitué d'un mélange éther de pétrole - éthanol afin de séparer la chlorophylle et, les caroténoïdes. Il s'agit là du premier modèle de chromatographie (Wilkinson 2003).

Vers 1941, Martin et Synge apportent certains éléments qui vont en quelque sorte révolutionner le domaine de l'analyse chromatographique et cela, aussi bien au niveau de la chromatographie liquide que phase gazeuse ou planaire. Ils reçoivent le prix Nobel en 1952 (Wilkinson 2003).

Mais ce n'est vraiment qu'en 1952 que les premiers travaux sur la chromatographie gazeuse apparaissent avec James et Martin à la suite desquels cette méthode connait un réel essor. En effet, les colonnes capillaires ainsi que des détecteurs à ionisation de flamme, à ionisation à l'argon et à capture d'électrons vont alors faire leur apparition. Par après de nombreuses recherches ont suivi afin de mettre au point de nouvelles colonnes, de nouveaux injecteurs, etc....

Suite à cela, diverses techniques couplées à la chromatographie gazeuse, comme la technique « Headspace », vont faire leur apparition. Sa première utilisation remonte à 1958 ; par après la méthode va se diversifier et différentes versions vont être mises au point. Cette méthode, qui est apparentée à une extraction en phase gazeuse, est couplée à la chromatographie gazeuse

pour l'analyse de composés volatils présents dans des matrices complexes. Elle est
largement répandue dans différents domaines tels que l'agro-alimentaire, la parfumerie, le milieu pharmaceutique, la justice criminelle, l'environnement (Snow and Slack 2002). Un des pionniers de cette technique, Roman Kaiser, un chimiste suisse, a longtemps cherché à mettre au point une méthode d'analyse permettant de travailler sur des senteurs afin de

2

reproduire celles-ci en parfumerie (Sell 2005).

Figure 1 : Roman Kaiser (Hume 2009).

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