Analyse des composés organiques halogénés par la méthode CIC conformément à la norme DIN 38409-59

Qu'est-ce qui permet à vos vêtements de repousser l'eau ou à vos ustensiles de cuisine d'être antiadhésifs ? La réponse réside dans l'utilisation de substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) pour traiter ces matériaux.

Cet article de blog explique comment les PFAS et d'autres composés organiques halogénés ont été utilisés au cours des dernières décennies, quels sont leurs effets sur la santé et l'environnement, et comment les surveiller et les analyser par chromatographie ionique à combustion (CIC), conformément à la nouvelle norme DIN 38409-59.

Que sont les PFAS ?

Les substances alkylées per- et polyfluorées (PFAS) constituent une catégorie regroupant des milliers de molécules organiques dans lesquelles tous les atomes d'hydrogène liés à au moins un atome de carbone méthyle ou méthylène sont remplacés par du fluor  [1]. En raison de cette caractéristique, les PFAS possèdent des propriétés chimiques et physiques uniques, notamment leur capacité à repousser l'eau et l'huile, ce qui les rend particulièrement intéressantes pour des applications industrielles [2]. Ces substances sont extrêmement stables en raison de la forte liaison C-F qui leur confère une grande résistance à la dégradation, ce qui leur vaut le surnom de « substances éternelles ». Les PFAS sont donc connus pour être extrêmement persistants et s'accumuler chez l'homme, chez les animaux et dans l'environnement [3]. Les recherches sur les effets néfastes de certaines de ces substances sur la santé se multiplient, ce qui entraîne la mise en place de restrictions quant à leur utilisation et suscite un intérêt croissant du public pour la surveillance de ces composés et de leurs produits de dégradation. 

Applications commerciales

Après l'invention des PFAS dans les années 1930, la première production commerciale de leurs produits finis a débuté au cours de la décennie suivante [4]. Les premières entreprises à avoir lancé des produits contenant des PFAS ont été DuPont (sous sa marque Teflon™) en 1946  [5] et 3M (avecScotchgard™) dans les années 1950  [6].

Outre leur utilisation commerciale dans les produits de grande consommation, les PFAS étaient également largement utilisés dans les mousses aqueuses filmogènes (AFFF). Ces mousses ont été conçues pour éteindre les incendies d’hydrocarbures et, à ce titre, ont été déployées dans des bases militaires, des aéroports, des plateformes pétrolières et les services d’incendie municipaux. Ces sites constituent désormais des sources potentielles de rejet de PFAS dans l’environnement environnant [7]. Les voies possibles de contamination et de propagation des PFAS sont illustrées à la figure 1.

Restriction et élimination des PFAS de première génération

Depuis 2009, l’acide perfluorooctanesulfonique (PFOS) figure à l’annexe B de la Convention de Stockholm sur les polluants organiques persistants (POP). En 2019, l’acide perfluorooctanoïque (PFOA) a été ajouté à l’annexe A. Cela entraîne une restriction (annexe B) ou une élimination (annexe A) de leur production et de leur utilisation, à l’exception des dérogations spécifiquement définies. [9]. La première génération de PFAS (notamment le PFOA et le PFOS, figure 2) n'est donc plus couramment utilisée. Cela ne signifie toutefois pas nécessairement que l'utilisation des substances alkylées per- et polyfluorées ait complètement cessé. 

Le PFOA et le PFOS ont simplement été remplacés par des substituts plus récents, tels que le sel d’ammonium de l’acide dimère d’oxyde d’hexafluoropropylène (HFPO-DA, commercialisé sous le nom de « GenX »), le 9-chlorohexadécafluoro-3-oxanonane-1-sulfonate (F-53B) et le p-perfluoro-nonénoxybenzène-sulfonate de sodium (OBS) [3]. Ces substances chimiques ne sont pas concernées par l'interdiction du PFOA, du PFOS et des substances apparentées, mais cela ne signifie pas pour autant qu'elles soient moins toxiques ou moins persistantes.

Qu'en est-il des autres substances halogénées ?

Outre les composés organiques fluorés présentés plus haut dans cet article, les composés organiques chlorés, bromés et iodés sont également utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales et sont donc rejetés dans l'environnement  [10]. Ces substances se forment également comme sous-produits lors de procédés industriels ou du traitement de l'eau, puis sont rejetées en grande quantité dans l'environnement [11].

À titre d'exemple, les substances organochlorées suscitent l'intérêt du grand public depuis les années 1980, en raison d'une prise de conscience croissante des effets néfastes sur la santé des dioxines et des biphényles polychlorés (PCB) [12]. À l'époque, les pouvoirs publics ont dû prendre des mesures, ce qui se traduit aujourd'hui par une interdiction générale de ces substances dans la plupart des pays. Les composés organiques bromés sont encore largement utilisés comme retardateurs de flamme, et les composés organiques iodés sont couramment utilisés dans le domaine médical comme produits de contraste radiographiques. [10].

Surveillance et analyse des composés organiques halogénés

L'analyse des composés organiques halogénés dans les échantillons environnementaux est déjà obligatoire depuis des décennies dans de nombreux pays. Pour répondre à cette exigence, le paramètre global AOX (halogènes adsorbables liés à des composés organiques) est utilisé pour décrire la quantité de chlore, de brome et d'iode adsorbables liés à des composés organiques présents dans les échantillons d'eau. Les normes en vigueur DIN ISO 9562 et la méthode EPA 1650 décrivent la détermination des AOX par adsorption suivie d'une combustion et d'un titrage microcoulométrique. Cependant, l'utilisation du titrage comme technique de détection ne permet que la détermination des AOX exprimés en chlore, et non celle des fractions individuelles AOCl, AOBr et AOI, ni celle de l'AOF (fluor adsorbable lié organiquement). 

Analyse avancée des composés organiques halogénés selon la norme  DIN 38409-59

La nouvelle norme DIN 38409-59 (Détermination du fluor, du chlore, du brome et de l'iode adsorbables sous forme organique (AOF, AOCl, AOBr, AOI) par combustion suivie d’une mesure par chromatographie ionique) comble les lacunes laissées par la norme DIN ISO 9562 et la méthode 1650 de l’EPA en permettant la détermination de l’AOF, de l’AOCl, de l’AOBr et de l’AOI en tant que fractions individuelles et en tant que paramètre global CIC-AOX_Cl).

Chaque étape de la nouvelle méthode est illustrée à la figure 3 : elle commence par l'adsorption de l'échantillon, suivie du transfert de l'échantillon vers le ou les bacs à échantillons, de la combustion du charbon actif, puis de l'adsorption des halogènes, avant l'analyse des composés à doser par chromatographie ionique (IC).

Le principe fondamental de cette méthode réside dans l'adsorption des halogénés organiques sur du charbon actif. Cela permet de les préconcentrer, tandis que les halogènes inorganiques sont éliminés, car ils ne s'adsorbent pas sur le charbon actif. La concentration en halogènes inorganiques dans les échantillons environnementaux étant supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des halogénés organiques, il est essentiel de n'adsorber que ces derniers et d'éliminer correctement les halogènes inorganiques. Les limites de quantification requises selon la norme DIN 38409-59, à savoir 2 µg/L d'AOF, 10 µg/L d'AOCl, 1 µg/L d'AOBr et 1 µg/L d'AOI, peuvent ainsi être facilement atteintes, ce qui permet de réduire au minimum les interférences dues aux composants inorganiques.

Pour les analyses AOCl, AOBr et AOI, le pH de l'échantillon doit être ajusté à une valeur inférieure à 2, à l'instar des méthodes présentées dans la norme DIN ISO 9562 et la méthode 1650 de l'EPA. En revanche, l'analyse AOF n'est réalisée qu'avec des échantillons neutralisés. Cette distinction est essentielle car, en milieu acide, le fluor inorganique a tendance à s'adsorber sur le charbon actif, ce qui fausse les résultats.

1. Pour l'analyse de l'AOCl, de l'AOBr et de l'AOI, le pH de l'échantillon doit être ajusté à une valeur inférieure à 2, à l'instar des méthodes présentées dans la norme DIN ISO 9562 et la méthode 1650 de l'EPA. En revanche, l'analyse de l'AOF n'est réalisée qu'avec des échantillons neutralisés. Cette distinction est essentielle car le fluor inorganique a tendance à s'adsorber sur le charbon actif lorsque l'adsorption des échantillons est effectuée de manière automatisée à l'aide d'un système de préparation d'échantillons (par exemple, l'APU sim d'Analytik Jena). Une portion de 100 ml de l'échantillon neutralisé...
2. Une fois l'étape d'adsorption terminée, le charbon actif est retiré de la colonne et transféré directement dans un nacelle en céramique en vue d'une analyse par chromatographie ionique à combustion (CIC). L'utilisateur est libre de choisir d'analyser le contenu des deux colonnes séparément dans deux nacelles en céramique distinctes (par exemple, pour déterminer l'efficacité de chaque colonne) ou de procéder à une analyse unique en combinant les deux dans une seule nacelle.
3. La combustion du charbon actif s'effectue à des températures supérieures à 950 °C, en présence d'argon et d'oxygène. Dans le cadre de la combustion pyrohydrolytique, de l'eau ultra-pure est ajoutée en continu afin d'optimiser le processus de combustion. Dans ces conditions, les composés organohalogénés se volatilisent, puis sont convertis en leurs formes ioniques par absorption dans l'eau ultra-pure.
4. L'absorption de ces analytes s'effectue dans le 920 Absorber Module. Étant donné qu'aucune oxydation supplémentaire des halogènes n'est nécessaire, l'eau ultra-pure constitue une solution d'absorption adéquate. La solution d'absorption est automatiquement transférée vers le chromatographe en phase liquide (CPL) à l'aide d'un Dosino (et d'une unité de dosage) de Metrohm — un appareil de dosage précis qui permet d'ajuster les volumes d'injection (4 à 200 µL) destinés au CPL.. Cette technique, également appelée MiPT (Metrohm intelligent Partial Loop Injection Technique), permet également d'étalonner automatiquement le chromatographe en phase liquide (IC) à partir d'une seule solution étalon, grâce à l'utilisation de volumes d'injection variables. Cela permet d'obtenir de meilleurs étalonnages et de gagner du temps en évitant la préparation manuelle de solutions étalons distinctes..
5. Après injection dans le chromatographe ionique, les halogènes sont séparés sur une colonne d'échange d'anions. Une suppression séquentielle est utilisée pour réduire la conductivité de fond et augmenter la sensibilité vis-à-vis de l'analyte avant la détection par conductivité. Le chromatogramme d'un échantillon d'eaux usées analysé conformément à la norme DIN 38409-59 est présenté à la figure 4.

Regardez notre vidéo pour en savoir plus sur l'utilisation du CIC de Metrohm afin d'analyser plus rapidement et plus efficacement les halogènes organiques adsorbables (AOX et AOF) dans des échantillons d'eau, conformément à la norme DIN 38409-59.

Une solution innovante pour le dépistage des PFAS

Des milliers de substances chimiques sont classées parmi les PFAS, mais l'analyse ciblée par LC-MS/MS se limite à la détermination d'un petit nombre de substances prédéfinies issues de ce groupe. Cette approche ne fournit donc aux chercheurs que des informations limitées sur les niveaux réels de contamination et ne donne généralement aucune indication sur les précurseurs ou les nouvelles substances alkylées per- et polyfluorées.

En revanche, les paramètres cumulés (par exemple, l'AOF) fournissent des informations plus complètes sur la quantité totale de PFAS contaminant un échantillon. La nouvelle norme DIN 38409-59 propose une approche normalisée, incluant la préparation des échantillons, afin d'obtenir des résultats fiables et reproductibles. L'AOF constitue donc le paramètre idéal pour le dépistage des PFAS dans les échantillons d'eau avant toute analyse ciblée ultérieure.  
Par ailleurs, la norme DIN 38409-59 permet également de communiquer les valeurs d'AOCl, d'AOBr et d'AOI, et fournit ainsi des informations complètes sur la teneur en composés organohalogénés de l'échantillon concerné.

À retenir

Determination of adsorbable organically bound halogens by combustion ion chromatography (DIN 38409-59)

On-demand webinar: Total PFAS analysis using Combustion Ion Chromatography

Application Note: Monitoring PFASs in water sources – Non-targeted adsorbable organically bound fluorine (AOF) analysis by CIC

Application Note: Fast analysis of AOX in waters by CIC – Measurement of AOCl, AOBr, AOI, and AOF according to DIN 38409-59

White Paper: Adsorbable organic fluorine (AOF) – a sum parameter for non-targeted screening of per- and polyfluorinated alkyl substances (PFASs) in waters

Flyer: Fast screening for adsorbable organically bound halogens – All-in-one solution for reliable determination of AOF, AOCl, AOBr, AOI, and AOX by CIC according to DIN 38409-59

Metrohm blog: History of Metrohm IC – Part 6