TH2009_Bejjani_Ghauch_Alice (pdf - fr

N° d’ordre 302
Année 2009
Thèse
Délivrée par
L’Université Claude Bernard de Lyon 1
(Ecole de Physique et Astrophysique de Lyon)
Pour l’obtention du
DIPLOME DE DOCTORAT
(arrêté du 7 août 2006)
Soutenue publiquement le 11 décembre 2009
Par
BEJJANI GHAUCH Alice
Apport de l’analyse élémentaire (IBA) et
moléculaire (ToF-SIMS) par faisceaux d’ions à l’étude
de matériaux d’intérêt environnemental et pharmaceutique
Devant la Commission d’Examen
Jury : M.
M.
M.
M.
M.
M.
M.
M.
J.-M.
S.
F.
B
B.
J.-F.
J.-P.
K.
Chovelon
Della-Negra
Hillenkamp
Ille
Nsouli
Sabot
Thomas
Zahraman
Rapporteur
Président
Co-Directeur
Directeur
Rapproteur
1
2
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1
Président de l’Université
M. le Professeur L. Collet
Vice-président du Conseil Scientifique
M. le Professeur J-F. Mornex
Vice-président du Conseil d’Administration
M. le Professeur G. Annat
Vice-président du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire
M. le Professeur D. Simon
Secrétaire Général
M. G. Gay
COMPOSANTES SANTE
Faculté de Médecine Lyon Est – Claude Bernard
Directeur : M. le Professeur J. Etienne
Faculté de Médecine Lyon Sud – Charles Mérieux
Directeur : M. le Professeur F-N. Gilly
UFR d’Odontologie
Directeur : M. le Professeur D. Bourgeois
Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques
Directeur : M. le Professeur F. Locher
Institut des Sciences et Techniques de Réadaptation
Directeur : M. le Professeur Y. Matillon
Département de Formation et Centre de Recherche en Biologie
Humaine
Directeur : M. le Professeur P. Farge
COMPOSANTES SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Faculté des Sciences et Technologies
Directeur : M. Le Professeur F. Gieres
UFR Sciences et Techniques des Activités Physiques et Sportives Directeur : M. C. Collignon
Observatoire de Lyon
Directeur : M. B. Guiderdoni
Institut des Sciences et des Techniques de l’Ingénieur de Lyon
Directeur : M. le Professeur J. Lieto
Institut Universitaire de Technologie A
Directeur : M. le Professeur C. Coulet
Institut Universitaire de Technologie B
Directeur : M. le Professeur R. Lamartine
Institut de Science Financière et d'Assurance
Directeur : M. le Professeur J-C. Augros
Institut Universitaire de Formation des Maîtres
Directeur : M R. Bernard
3
4
Bien sûr, à Antoine
« Sanadeh »
Mais aussi à Anthony et à mes parents, Laudy et Louis
XXX
5
6
Remerciements
Comme le veut la tradition, je vais tenter de
satisfaire au difficile exercice de la page des
remerciements. La difficulté tient dans le fait
de
n'oublier
personne.
C'est
pourquoi,
je
remercie par avance ceux dont le nom n'apparaît
pas dans cette page et qui m'ont aidé d'une
manière ou d'une autre. Ils se reconnaîtront.
Pour les autres, non merci. Ils se reconnaîtront
aussi...
Dr Jean-Paul THOMAS, Directeur de Recherche au
CNRS français au sein du « Groupe de Collisions
Atomiques dans les Solides » de Institut de
Physique Nucléaire de Lyon a dirigé ce travail
avec patience et beaucoup d’attention. Je lui
exprime ici ma plus vive reconnaissance pour les
conseils judicieux qu’il m’a prodigués et je lui
sais gré de sa constante et bienveillante
attention qui m’a permis de mener à bien ce
travail. Je ne peux qu’aussi le remercier pour
tous ses séjours effectués au Liban durant les
quatre ans passés malgré les circonstances
difficiles.
Dr Bilal NSOULI, Directeur de Recherche au CNRS
libanais et Directeur de la Commission Libanaise
de l’Energie Atomique a co-dirigé ce travail. Je
le remercie de m’avoir fait confiance malgré les
connaissances plutôt légères que j'avais en
novembre 2005 sur la chimie des solutions. Je le
remercie
pour
m'avoir
guidé,
encouragé,
fortement soutenu et conseillé. J'espère que
cette thèse sera un remerciement suffisant au
soutien et à la confiance sans cesse renouvelée
dont il a fait preuve en mon égard.
Cette thèse n’aurait jamais été réalisée sans le
soutien du père de la recherche au Liban, Dr.
Mouïn
HAMZÉ,
Secrétaire
général
du
CNRS
7
Libanais. Je le remercie infiniment de me donner
la chance de travailler au sein des laboratoires
du CNRS tout au long des ces dernières années.
Je suis très sensible au fait que Dr Khaled
ZAHRAMAN, Chargé de Recherches au CNRS libanais
et député membre du parlement libanais et Dr
Serge DELLA NEGRA, Directeur de Recherches au
CNRS à l’Institut d’Etude Nucléaire d’Orsay
aient bien voulu accepter de porter un jugement
sur ce travail. Qu’ils soient assurés de ma très
vive gratitude.
Un remerciement additionnel à Dr Serge DELLA
NEGRA pour sa précieuse aide technique qui nous
a
permis
de
faire
revivre
l’ancienne
électronique du laboratoire en éliminant le
maximum de parasites. Merci pour ses conseils
qui ont renforcés mes modestes connaissances en
électronique.
Je tiens à remercier vivement Dr Bernard ILLE,
Directeur de Recherche au CNRS et Directeur de
l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL),
de m’avoir aidé pour pouvoir soutenir dans les
meilleures
conditions
et
de
m’avoir
fait
l’honneur de participer au jury de ma thèse.
J’adresse mes plus profonds remerciements au
Professeur
Emeritus
Franz
HILLENKAMP
de
l’« Institute
for
Medical
Physics
and
Biophysics » de l’ « University of Muenster »,
Professeur Jean-Marc CHOVELON de l’IRCELYON,
Institut de Recherches sur la Catalyse et
l'Environnement de Lyon et Professeur JeanFrançois
SABOT
du
Laboratoire
de
Chimie
Analytique
de
l’Institut
des
Sciences
Pharmaceutiques et Biologiques de Lyon du grand
honneur
qu’ils
me
font
en
acceptant
de
participer à ce jury de thèse.
Je tiens aussi à remercier Dr Fawzi A. EL-YAZBI,
Doyen de la faculté de pharmacie à « Beirut Arab
8
University »
pour
les
échantillons
de
médicaments mais aussi ses conseils qui m’ont
été très utiles.
Je remercie vivement Dr Edmond FADEL, Directeur
de
la
société
Mediphar-Liban
qui
nous
a
encouragé de développer nouveaux procédés de
contrôle qualité de produits pharmaceutiques et
qui nous a gratuitement fournit la majorité des
médicaments et des principes actifs.
Mes remerciements s’adressent également à Dr
Mohamad ROUMIE et à Dr Farouk JABER de la
Commission Libanaise de l’Energie Atomique pour
leurs aides et conseils techniques tout au long
de la thèse.
Je ne saurais jamais trop remercier l’ingénieur
M. Alain GARDON qui grâce à lui l’impossible est
devenu réalité. Mais aussi M. Yves Champelovier
et M. Raphael Fillol (service accélérateur) et
M. Franck Mounier (service mécanique) pour leur
enthousiasme,
leur
disponibilité
et
leur
gentillesse.
Mes
remerciements
seraient
incomplets
si
j’omettais Anne-Marie et Maurice THOME et leur
fils Georges. Ils m’ont accueilli et soutenu
comme membre de leur famille lors de mes cours
séjour à Lyon.
J’ai une pensée toute particulière pour mon
père, ma mère, mon mari, mon petit Anthony, mes
frères, ma grande mère et toute la famille de
mon mari dont le soutien n’a jamais fait défaut.
Qu’ils trouvent ici le témoignage de toute mon
affection et de ma profonde reconnaissance.
Enfin, Mes plus grands remerciements vont bien
évidemment au bon Dieu. Je sais que Vous êtes
9
toujours à mes côtés même si parfois
comporte comme si ce n’est pas le cas.
je
me
Tables de matières
INTRODUCTION GENERALE .............................................................................................................................. 12
BIBLIOGRAPHIES .................................................................................................................................................... 15
CHAPITRE I.............................................................................................................................................................. 16
TECHNIQUES TOF-SIMS ET IBA, ET MOYENS EXPERIMENTAUX .......................................................... 18
I.A. PLACE DE LA TECHNIQUE PDMS (TOF-SIMS) DANS LA SPECTROMETRIE DE MASSE PAR EMISSION
IONIQUE SECONDAIRE DE MOLECULES ORGANIQUES ............................................................................................ 18
I.A.1. Interaction ion - surface et émission ionique secondaire ......................................................................... 18
I.A.2. Caractéristiques de la technique PDMS................................................................................................... 19
I.B. MOYENS EXPERIMENTAUX POUR LA TECHNIQUE TOF-SIMS....................................................................... 20
I.B.1. Conditions d'analyse................................................................................................................................. 20
I.B.2. Détecteurs et modes de détermination du temps de vol ............................................................................ 23
I.B.2.1 Détection des ions primaires..............................................................................................................................23
I.B.2.2 Détection des ions secondaires : ........................................................................................................................25
I.C. BASES DE L’ANALYSE PAR FAISCEAU D’IONS (ION BEAM ANALYSIS – IBA) ................................................. 30
I.C.1. Caractéristiques communes...................................................................................................................... 30
I.C.2 Ionisation et production des X : Technique PIXE ..................................................................................... 31
I.C.2.1 Emission X sous bombardement de particules chargées.......................................................................................31
I.C.2.2 Caractéristiques de la technique PIXE.............................................................................................................33
I.C.3. Excitation nucléaire et production des radiations Ȗ : Technique PIGE. .................................................. 34
I.C.3.1 Excitation nucléaire et émission Ȗ .....................................................................................................................34
I.C.3.2 Caractéristiques de la technique PIGE ............................................................................................................35
I.C.4. Diffusion élastique et technique RBS........................................................................................................ 37
I.C.4.1 Analyse Quantitative..........................................................................................................................................37
I.C.5.1 Caractéristiques de la technique RBS. .............................................................................................................38
I.D. MOYENS EXPERIMENTAUX POUR LES TECHNIQUES IBA. .............................................................................. 39
I.D.1. Condition d’analyse ................................................................................................................................. 39
I.D.2. Détecteurs et électronique associée ......................................................................................................... 40
I.D.3. Exploitation des spectres.......................................................................................................................... 42
I.D.3.1 Analyse PIXE et code GUPIX ...........................................................................................................................42
I.D.3.2. Analyse RBS et Code de simulation SIMNRA................................................................................................43
I.D.3.3. Analyse PIGE et Code SPECTRG ...................................................................................................................43
I.E. PREPARATION DES ECHANTILLONS................................................................................................................. 44
I.E.1 Echantillons pour l’analyse IBA................................................................................................................ 44
I.E.2 Echantillons pour l’analyse ToF-SIMS...................................................................................................... 44
I.E.2.1 Pesticides .............................................................................................................................................................44
I.E.2.2 Médicaments .......................................................................................................................................................45
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................................... 47
CHAPITRE 2 ............................................................................................................................................................. 52
ANALYSE DE LA PHOTODEGRADATION DES PESTICIDES PAR TOF-SIMS ......................................... 54
2.A. INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 54
2.B. ETUDE DE LA PHOTODEGRADATION DU NORFLURAZON. .............................................................................. 56
2.B.1. Caractérisation du Norflurazon par ToF-SIMS. ...................................................................................... 56
2.B.1.1. Signatures du Norflurazon dans les dépôts et dans le sol imprégné .............................................................56
2.B.1.2. Rendements d'émission à partir de dépôts: profondeur d'émission et homogénéité des couches. ............59
2.B.2. Etude de la photodégradation du Norflurazon en couche mince [20] ..................................................... 60
2.B.2.1. Mise en évidence de pics issus de la photodégradation ..................................................................................60
2.B.2.2. Photodégradation par le simulateur solaire en l’absence de la composante UV.........................................63
2.B.2.3 .Photodégradation par le simulateur solaire incluant la composante UV .....................................................67
2.B.2.4. Valeurs des demi-vies (DT50) du Norflurazon et de ses produits. ................................................................68
2.B.3. Etude de la photodégradation du Norflurazon imprégné sur un sol [22] ................................................ 70
2.B.3.1 Effets de la photoirradiation sur l’émission.....................................................................................................70
2.B.3.2. Evolution du Norflurazon durant la photodégradation par le simulateur solaire sans les composant
d’UV. ...............................................................................................................................................................................71
10
2.B.3.3. Evolution du Norflurazon durant la photodégradation par le simulateur solaire avec les composants
d’UV. ...............................................................................................................................................................................74
2.B.3.4. Comparaison des valeurs des temps de demi-vies (DT50) du Norflurazon et de ses produits de
transformations ..............................................................................................................................................................75
2.C. ETUDE DE LA PHOTODEGRADATION DE L’OXYFLUORFEN ............................................................................ 77
2.C.1. Caractérisation de l’Oxyfluorfen par ToF-SIMS [13] ............................................................................. 77
2.C.1.1. Signatures de l’Oxyfluorfen dans les dépôts et dans le sol imprégné ...........................................................77
2.C.1.2. Effet de la pression sous vide, évolution avec le temps et gamme de détection choisie ...............................78
2.C.2. Etude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen en couche mince et imprégné dans le sol (photoirradiation sans les composants UV) [22].......................................................................................................... 79
2.C.2.1. Les ions dont le rendement varie peu avec l’irradiation (Catégorie A)........................................................79
2.C.2.2. Les ions dont le rendement diminue avec le temps d’irradiation (Catégorie B)..........................................81
2.C.2.3. Les ions dont le rendement diffère d’une série à l’autre (Catégorie C)........................................................83
2.C.3. Etude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen en couche mince et imprégné dans le sol (photoirradiation avec la composante UV) [22] .......................................................................................................... 85
2.C.4. Valeurs de DT50 [22] .............................................................................................................................. 90
2.D. CONCLUSION .................................................................................................................................................... 91
BIBLIOGRAPHIES .................................................................................................................................................... 93
CHAPITRE 3 ............................................................................................................................................................. 96
ANALYSE DES MEDICAMENTS PAR IBA ET TOF-SIMS .............................................................................. 98
3.A. INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 98
3.B. RESULTATS ET DISCUSSION D’ANALYSE DE MEDICAMENTS PAR LES TECHNIQUES PIXE ET PIGE........... 100
3.B.1. Médicaments unaires ............................................................................................................................. 101
3.B.1.1. Quantification du Fenofibrate dans Fegenore® 200mg et Lipanthyl® 200 mg par la technique PIXE. ...101
3.B.1.2 Quantification du Tiemonium methyl sulfate dans Timozin® 50 mg par la technique PIXE. ...................103
3.B.1.3 Quantification du Fluphenazine dihydrochloré dans le médicament Fluphenazine® 5mg par les
techniques PIXE et PIGE.............................................................................................................................................105
3.B.1.2. Quantification du Atorvastatin dans Lipinorm® 10 mg, Lipitor® 10 mg et Storvas® 10 mg par la
technique PIGE.............................................................................................................................................................108
3.B.2. Médicaments binaires ............................................................................................................................ 113
3.B.2.1. Quantification de la Trifluoperazine dihydrochlorée et du Clidinium bromide dans le Fludinium ® 1/2.5
mg par les techniques PIXE et PIGE. .........................................................................................................................113
3.B.3.2. L’analyse du Spironolactone et du Hydroflumethiazide dans Aldactide® 25/25 mg par PIXE et PIGE .117
3.B.4. Conclusion ............................................................................................................................................. 119
3.C. RESULTATS ET DISCUSSION DE L’ANALYSE DES MEDICAMENTS PAR LA TECHNIQUE TOF-SIMS............. 120
3.C.1. Choix des médicaments, modes de préparation ..................................................................................... 120
3.C.2. Médicament avec hétéroatomes ............................................................................................................. 123
3.C.2.1. Signature de la Fluphenazine dihydrochlorée pur en couche mince et en pastille dans le médicament..123
3.C.2.2. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée dans des échantillons sous forme solide ...................128
3.C.2.3. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée en couche mince dans un mélange de deux
substances : le principe actif et le lauryl sulfate de sodium.......................................................................................132
3.C.2.4. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée dans un dépôt en couche mince de la partie soluble du
médicament. ..................................................................................................................................................................134
3.C.2. Médicament sans hétéroatomes. ............................................................................................................ 138
3.C.3. Conclusion ............................................................................................................................................. 140
BIBLIOGRAPHIES .................................................................................................................................................. 142
CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................................. 144
11
Introduction générale
Ce travail a été initié dans deux groupes de recherche qui développent et utilisent des techniques
de caractérisation de matériaux solides basées sur l’emploi de faisceaux d’ions de l’ordre du MeV
tant pour l’analyse élémentaire (Ion Beam Analysis- IBA) que moléculaire (Time of Flight
Secondary Ion Mass Spectrometry- ToF-SIMS).
Deux domaines d’application peu abordés jusqu’ici avec ces techniques sont concernés :
l’environnement à travers la problématique des interactions pesticides-sols et le domaine
pharmaceutique à travers la quantification de principes actifs dans des médicaments au stade
ultime de leur fabrication. Dans les deux cas, il s’agit d’étudier des matériaux de mélanges
hétérogènes de poudre solides pour lesquels une analyse quantitative se révèle particulièrement
difficile.
L’analyse de pesticides imprégnant des sols naturels et l’étude de leur photodégradation sont une
condition essentielle à l’utilisation de phytosanitaires. En effet, lors de l’épandage d’un pesticide,
la plus grande partie de la quantité utilisée n'atteint pas le ravageur visé. Parmi les processus
auxquels sont soumises les molécules absorbées, la photodégradation conditionne leur évolution
et leur dispersion dans l'environnement, induisant de nouveaux effets. Le processus de la
photodégradation est de fait un phénomène majeur pour l’auto-purification du milieu concerné
par ces toxiques.
A la différence des études sur la photodégradation dans l'eau, peu de résultats ont été rapportés
sur la photodégradation à la surface des sols alors qu’il s’agit d’une question clé en termes de
formation et de persistance de produits toxiques. Des techniques analytiques éprouvées telles la
chromatographie liquide à haute performance (HPLC/MS) et la chromatographie en phase
gazeuse (GC/MS) couplées à la spectrométrie de masse détectent des pesticides sur du sol à des
niveaux très bas (ppb) mais la procédure de préparation des échantillons (extraction, purification
et processus de préconcentration) est lourde, prend du temps et ne sépare évidemment pas les
contributions de la surface et du « bulk ».
La technique ToF-SIMS utilisée pour cette analyse de pesticides imprégnés dans des sols naturels
en forme solide s’applique à des échantillons réels de manière non destructive. Ainsi, un même
échantillon de sol pourra être analysé après imprégnation, irradié à l’aide d’un simulateur solaire,
réanalysé après avoir cumulé diverses doses de photons.
Notre contribution a donc été de déterminer au préalable, à partir de sols bien caractérisés par
ailleurs (composition élémentaire, granulométrie), les domaines de concentration pour lesquels
on pouvait estimer des variations significatives en fonction des paramètres d’évolution naturelle
(après préparation) ou provoquée (photodégradation). Parmi les pesticides abordés deux ont été
plus particulièrement étudiés le norflurazon et l’oxyfluorfen.
C’est pour ces deux derniers en particulier que nous avons voulu apporter des données basiques
sur la photodégradation en étudiant des dépôts sur des substrats « inertes » (ici Al) pour les
comparer ensuite à ceux obtenus sur les sols eux-mêmes. Nous avons ainsi pu obtenir des valeurs
12
de demi-vies aussi bien des molécules initiales que de leurs produits de dégradation suivant des
mécanismes que nous discutons.
Le second thème a été initié au Liban, en partenariat avec un fabricant1 local de produits
pharmaceutiques intéressé par de nouveaux procédés de contrôle qualité de produits finis. Il
s’agit essentiellement de vérifier la concentration du ou (des) principe(s) actif(s) présents dans un
médicament commercial, étape déterminante pour de tels produits, dont la validation est la
préoccupation de La Conférence Internationale pour l’Harmonisation (ICH) des conditions
techniques d’enregistrement des produits pharmaceutiques comme de l’Administration
américaine d’aliments et de médicaments (FDA) [1, 2].
.
La complexité d’une telle analyse réside dans le fait qu’un médicament est composé d’une ou de
plusieurs molécules actives (qui possèdent des propriétés curatives) et de diverses sortes de
substances inactives (excipients) mélangés dans des conditions complexes pour atteindre la
formulation finale d’un matériau dense mais issu de poudres compactées.
Les techniques « classiques » de quantification des principes actifs nécessitent un passage en
phase gazeuse ou liquide qu’elles soient de nature électrochimique ou basées sur des séparations
comme la chromatographie en phase gazeuse ou liquide liée à différents types de détecteurs.
Pour l’analyse d’échantillons solides ce sont les méthodes spectroscopiques qui dominent comme
la spectroscopie en proche infra-rouge (NIR) [3, 4] mais on peut aussi citer la spectroscopie
Raman à transformée de Fourier (FT-Raman) [5, 6] et dans une moindre mesure la résonance
magnétique à l’état solide (SSNMR) [7].
Les techniques d’analyse par faisceaux d’ions sont particulièrement performante dans l’analyse
élémentaire à partir des réactions induites sur les atomes et les noyaux constituant l’élément
intéressant. Dans ces conditions, si le principe actif contient au moins un hétéroatome autre que
l’azote et l’oxygène comme le soufre, le chlore, le brome, le fluor, la technique PIXE (Particle
Induced X-ray Emission) et la technique PIGE (Particle Induced Gamma ray Emission) pourront
être appliquées pour la quantification du principe actif via la quantification de l’hétéroatome dans
l’échantillon à analyser.
Nous montrons dans ce travail que dans des conditions expérimentales contrôlées (tenant compte
de la dégradation sous faisceau des molécules les plus fragiles) l’analyse est toujours possible
dans des conditions d’exploitation de routine (quelques minutes par échantillon) avec une
précision compatible avec les exigences du contrôle industriel (différente pour chaque
médicament). Nous décrivons des procédures de calibration sûres où le nombre d’étalons est
réduit au produit pur.
La technique TOF-SIMS qui identifie les produits présents par la masse de leur molécule ou (et)
de ses fragments est proposée comme une alternative aux méthodes précédentes quand les
produits du mélange ne sont plus différenciables par leurs atomes. Elle est cependant
essentiellement connue dans le domaine pharmaceutique pour l’imagerie spatiale des constituants
[8]. La raison en est double : la première tient au fait que c’est une analyse de surface appliquée à
un matériau essentiellement hétérogène dont on veut extraire une concentration moyenne d’un
des composants à l’état de poudre compactée. La seconde est qu’un tel matériau est un candidat
idéal pour produire des effets de matrice d’autant plus complexe que les matériaux du mélange
peuvent être nombreux et de natures physique et chimique très variées. Notre travail a donc
1
Mediphar Laboratories - Dbayeh - Lebanon - P.O.Box: 60-202 Lebanon.
13
consisté à évaluer ces handicaps, de les contourner dans des cas favorables et surtout de montrer
des domaines de concentration où la concentration est mesurable avec des performances de
sensibilité et de précision compatibles avec les exigences du contrôle qualité.
Un médicament en particulier a permis de comparer les performances des deux techniques : la
fluphénazine dont la concentration en principe actif est de l’ordre du % en masse. L’analyse
d’autres médicaments illustre les points forts et les points faibles desdites techniques. On peut
prédire assez facilement quels médicaments sont les meilleurs candidats pour PIXE et PIGE alors
que les potentialités de la technique ToF-SIMS demeurent grandes pour ceux qui sont exclus du
champ d’application des premières. La réalisation de ces potentialités passe par la compréhension
d’effets de matrice inhérents aux mélanges de poudre que notre travail a seulement mis en
évidence.
14
Bibliographies
[1] A.C. Moffat, A.D. Trafford, R.D. Jee, P. Graham, Meeting the International Conference on
Harmonisation’s guidelines on validation of analytical procedures; Analyst, 125 (2000)
1341.
[2] M. C. Sarraguca, J. A. Lopes, ibrat. Spectr. 49 (2009) 204-210.
[3] G.J. Vergote, C. Vervaet, J-P. Remon, T. Haemers, F. Verpoort, Eur. J. Pharm. Sci. 16 (2002)
63-67.
[4] S. Mazurek, R. Szostak, J. Pharmaceut. Biomed. 48 (2008) 84.
[5] R.T. Berendt, D.M. Sperger, P.K. Isbester, E.J. Munson, Trends Anal. Chem. 25 (2006) 10,
977.
[6] R. Mitchell, N.L. Marzolini, S.A. Hancock, A.M. Harridance, D.P. Elder, Drug Dev. Ind.
Pharm. 32 (2006) 253.
15
CHAPITRE I
Techniques TOF-SIMS et IBA
Et
Moyens Expérimentaux
16
17
Techniques TOF-SIMS et IBA, et moyens expérimentaux
I.A. Place de la technique PDMS (TOF-SIMS) dans la spectrométrie de masse
par émission ionique secondaire de molécules organiques
I.A.1. Interaction ion - surface et émission ionique secondaire
Une des conséquences de la relaxation de l'énergie déposée par des ions primaires
bombardant un matériau solide est le phénomène de pulvérisation (sputtering).
La pulvérisation est l'éjection de la surface du matériau bombardé d'une grande variété
d'entités moléculaires neutres, des agrégats, des ions simples et polyatomiques dans un état
fondamental ou plus ou moins excité. La fraction ionisée qui présente moins de 1% des entités
pulvérisées constitue l'Emission Ionique Secondaire (EIS). Les techniques analytiques exploitant
le phénomène d'émission ionique secondaire sont basées sur l'identification de ces ions par
spectrométrie de masse (Figure 1.1.). La structure des ions secondaires résultant de
fragmentations et d'ionisations de matériaux organiques est une conséquence de la structure
originale des molécules de la cible analysée.
Figure 1.1. Représentation schématique du principe de la spectrométrie de
masse des ions secondaires.
Si l'énergie des ions primaires est de l'ordre du keV (canons à ions de quelques keV à une
trentaine de keV), la perte d'énergie dans le matériau est qualifiée de nucléaire et l'interaction des
ions primaires avec les atomes de la cible est essentiellement collisionnelle avec production
d'atomes de recul. Ces atomes heurtant à leur tour d'autres atomes de la cible, l'énergie se
distribue ainsi à travers une cascade de collisions et un atome de la surface du matériau peut être
éjecté si l'énergie exercée normalement à la surface est plus importante que l'énergie de
cohésion : on parle alors de pulvérisation collisionnelle. Le phénomène se manifeste quelle que
soit la conductivité du matériau bombardé et la technique analytique de spectrométrie de masse
associée à ce phénomène est connue généralement sous le sigle SIMS (Secondary Ion Mass
Spectrometry). A l'origine, la méthode SIMS telle qu'elle a été initialement proposée par Slodzian
18
[1] utilise un flux important d'ions primaires (5.1013 à 1015 ions.cm-2.s-1) ce qui implique une
quantité significative de matière quittant la surface analysée et l'obtention d'un profil de
concentration en profondeur par une méthode alors qualifiée de "dynamique". Ces conditions
sont incompatibles avec l'éjection de molécules organiques intactes ou de fragments
caractéristiques. On doit à Benninghoven le terme SIMS statique et la notion d'analyse "non
destructive" [2] résultant de l'utilisation d'une très faible densité de courant d'ions primaires (de
l'ordre de 1 nA.cm-2 soit environ 1010 ions.cm-2.s-1). Il s'agit alors d'obtenir des spectres
exploitables pendant un temps d'analyse inférieur à la durée de vie de la monocouche sous le
bombardement. Les ions secondaires sont alors émis majoritairement d'endroits non encore
endommagés et les informations moléculaires de la surface sont conservées. Ces conditions sont
alors favorables à l'analyse moléculaire des surfaces de matériaux organiques et biologiques [35].
Pour des ions primaires de haute énergie (domaine du MeV), obtenus auprès d'accélérateurs de
particules ou produits par la fission spontanée du 252Cf, la perte d'énergie de l'ion incident est due
essentiellement à des interactions avec le système électronique. A la suite des ionisations et des
excitations créées au sein d'un matériau isolant, on assiste à la mise en mouvement d'atomes,
molécules et fragments polyatomiques comme pour la pulvérisation collisionnelle. Ce
phénomène est généralement interprété comme une onde de pression qui se développe
radialement à partir de la trace de l'ion incident, générée par l'explosion coulombienne qui y a été
créée [6]. Dans ce régime de perte d'énergie, le phénomène de pulvérisation est dit électronique et
la technique analytique associée est connue par le sigle PDMS (Plasma Desorption Mass
Spectrometry). C'est donc essentiellement aux matériaux isolants, voire semi-conducteurs, qu'elle
s'applique.
On doit à Macfarlane et Torgerson [7] le terme PDMS pour "Plasma Desorption Mass
Spectrometry" en référence à un processus de type microplasma pour interpréter l'émission d'ions
secondaires consécutive à l'interaction des produits de fission de 252Cf, ions multichargés de
masse supérieure à 100 u et d'énergie de l'ordre de 100 MeV. Cette interprétation ayant été
abandonnée l'acronyme s'est transformé en "Particle induced Desorption Mass Spectrometry", le
terme de "désorption" étant associé à la production de très grosses biomolécules désorbées
intactes du substrat où elles sont fixées.
I.A.2. Caractéristiques de la technique PDMS
Les rendements d'émission ionique secondaire n'atteignent qu'exceptionnellement la
valeur 100% avec la technique SIMS statique, alors que de telles valeurs sont couramment
obtenues pour la technique PDMS et ce pour des flux incidents beaucoup plus faibles. Il est
intéressant de noter les ordres de grandeurs de flux typiquement utilisés en TOF-PDMS qui sont
de 105 ions.cm-2.s-1 contre 108 à 1011 dans le cas du SIMS statique. Cette différence explique
deux avantages prépondérants :
1) Une analyse d'échantillons isolants « relativement » épais sans difficultés pratiques. Les effets
de charges sont marginaux et l'acquisition des spectres se fait sans aucune source de
neutralisation.
2) Une analyse des matériaux fragiles sans risques de dégradation sous faisceau. La technique
PDMS est une technique non destructive. A titre d'exemple, si on considère une aire
d'endommagement de 10 nm2 on peut calculer le temps nécessaire pour avoir deux chocs/10 nm2.
Pour un flux typique du SIMS statique soit 1010 ions.cm-2.s-1, ce temps est de 16.7 minutes,
contre |3.1 années dans le cas du PDMS avec 105 ions.cm-2.s-1
19
Les rendements PDMS sont de 10 à 1000 fois plus grand que ceux obtenus par SIMS
statique [8]. Benninghoven et al. [9] ont expliqué ces rendements élevés par rapport au SIMS
par :
1) Une perte d'énergie par unité de longueur beaucoup plus élevée avec les produits de fission du
Californium (PDMS) qu'avec des ions d'énergie de quelque keV (SIMS).
2) Une profondeur d'émission dans le cas du PDMS plus élevée que celle du SIMS statique. Pour
les auteurs, l'émission volumique engendrée par des ions primaires rapides peut expliquer les
rendements plus élevés. Le nombre d'ions éjectés est plus grand que dans le cas du SIMS statique
où les ions secondaires proviennent essentiellement des deux premières monocouches.
Cette notion de profondeur d’émission ou d’échappement définie comme l’épaisseur d’une
couche superficielle de laquelle 95% des ions secondaires détectés sont pulvérisés [10] a
longtemps fait l’objet de controverses selon que l’on s’adresse à des couches minces organiques
déposées sur un substrat ou qu’on veuille étudier un solide inhomogène.
En ce qui concerne les matériaux organiques, les résultats expérimentaux les plus nombreux ont
été obtenus dans le régime collisionnel le plus souvent à partir de films Langmuir-Blodgett (LB)
et la gamme d’épaisseur rapportée se situe typiquement entre 2.5 et 5 nm.[11].
Par contre, on peut déjà mentionner que le SIMS statique sera plus sensible à la contamination de
l'extrême surface que le PDMS [9] ce qui peut être un handicap majeur si on doit recourir à des
traitements préalables de la surface. Enfin bien que les spectres SIMS et PDMS soient
généralement similaires, dans de nombreux cas l’interprétation de ces derniers est souvent plus
simple [12].
La technique PDMS est devenue l'une des techniques les plus puissantes d'analyse pour la
caractérisation de la surface de matériaux organiques, y compris les matières organiques en
couches minces et en couches épaisses. Le domaine d'application est large, englobant les
peintures automobiles, les couches minces d'acides aminés, les cellules et les tissus congelés [1314] ainsi que l’imagerie des produits pharmaceutiques [15-16] et la caractérisation et
quantification des pesticides [17, 18].
Le processus de base induit par des ions énergétiques dans les échantillons biologiques n’est pas
très bien compris ainsi l'interprétation des données et la quantification ne sont pas simples. Les
questions d’un travail dans le domaine des matériaux organiques sont, par exemple, la limite de
dose d'ions primaires, les émissions en profondeur des ions détectés, le degré de fragmentation
moléculaire, la recombinaison et les réactions chimiques induites par le faisceau primaire.
I.B. Moyens expérimentaux pour la technique TOF-SIMS.
I.B.1. Conditions d'analyse
Les ions primaires utilisés dans nos expériences sont produits auprès de l'accélérateur
vertical Van de Graaff 4 MV de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon.
L'obtention d'ions multichargés est assurée par l'emploi d'une source Penning à cathode
froide au terminal de l'accélérateur. On peut en effet obtenir sur la cible des courants de l'ordre du
nanoampère pour le projectile Ar5+ et de quelques dizaines de nanoampères pour l'ion Ar3+, dans
d'excellentes conditions de stabilité. L'état de charge le plus élevé est toujours avantageux si le
faisceau doit être transmis à travers des couches minces. En effet, dans le domaine d’énergie
20
disponible du MeV/u, la perte d'énergie électronique est relativement constante, la dispersion
angulaire est la plus faible et surtout les rendements d'émission ionique secondaire sont proches
de leur maximum [19, 20, 21]. Dans le cas où ces problèmes de transmission ne se posent pas on
travaille à 9 MeV car une contamination accidentelle du faisceau est sans incidence compte tenu
de la présence d’un aimant d’analyse à 90°. Par contre le faisceau Ar5+ peut être contaminé en
16 2+
O qui n’est pas toujours facile à éliminer par les collimateurs destinés à réduire l'intensité,
comme on le verra plus loin. Nous avons néanmoins pu travailler avec un faisceau Ar 5+ de 17
MeV pour analyser les pastilles avec le mode de détection « start feuille » qui nécessite la
transmission à travers une feuille de carbone placée avant la cible (voir plus loin).
Nous ne redécrirons pas ici les différents organes de guidage du faisceau [22]. Nous
rappelons toutefois que la limitation essentielle pour l'énergie est due à l'aimant de déviation et
d'analyse à 90°. Pour une tension d'accélération V, limitée à 4MV, cet aimant peut être alimenté
jusqu'à une intensité de 400 A. Dans ces conditions, la relation caractéristique d'un tel système
étant de la forme : I2 = 3886 V.m/q, pour des particules dont la masse par unité de charge est
M/q, la tension d'accélération V ne peut excéder 41/(m/q). Ainsi, alors que les ions Ar5+ peuvent
être accélérés jusqu'à 20 MeV et Ar4+ jusqu'à 16 MeV, on atteindra seulement 9.2 MeV pour
Ar3+, 4.1 MeV pour Ar2+ et 1 MeV pour Ar+.
Les procédures d'alignement permettent de disposer d'un faisceau d'ions primaires de a
0.4 mm de diamètre avec une intensité de a 1000 à 2000 ions Ar3+ ou Ar5+ par seconde. Dans ces
conditions, une acquisition de 10 minutes est suffisante pour avoir des spectres de masses
exploitables, ce qui correspond à une dose reçue moyenne de a 5.108 ions/cm2 pour la plupart des
échantillons.
La chambre de réaction est représentée schématiquement sur les figures 1.2 et 1.3 en vue
de dessus et dans le plan vertical. On observe que le porte-échantillon (monocible) est introduit
sur l'axe central de cette chambre et vient coulisser dans une glissière définissant le plan de
l'électrode d'extraction du détecteur à temps de vol. Ce dispositif permet de maintenir le meilleur
parallélisme possible entre un plan de référence qui doit être celui de la surface de l'échantillon et
le plan de l'électrode d'extraction. Cette condition ainsi que la reproductibilité de la distance
cible-électrode est impérative si l'on veut s'assurer du maintien des paramètres d'émission. En
effet, un défaut de parallélisme aggravé par des déplacements peut conduire à un décentrage de
l'impact du faisceau par rapport à l'axe optique et à une dégradation éventuelle de la transmission
avec la déformation des trajectoires des ions émis [22]. Faire coïncider le plan de surface de
l'échantillon avec le plan de référence du porte-échantillon est surtout délicat pour des
échantillons massiques.
La figure 1.3 permet également d'apprécier le système d'introduction du porte-échantillon.
Un sas d'introduction rapide permet d'éviter de casser le vide dans toute la chambre tout en
assurant un temps raisonnable de pompage (15 minutes par une pompe à diffusion d'huile de 135
l/s). La chambre d'analyse proprement dite est pompée latéralement par un système
turbomoléculaire de 345 l/s et un piège d'azote liquide monté sur le couvercle permet d'atteindre
5.10-7 mbar tout en limitant la recontamination par les huiles de pompage.
21
Figure 1.2. Vue de dessus de la chambre d'analyse. 1- Glissière, définissant la position de la
cible. 2- Diode. 3- Système d'électrodes d'extraction et de focalisation. 4- Dispositif de prise de
temps par une feuille mince de carbone. 5- Détecteur GMC "stop".
Figure 1.3. Dessin en coupe verticale montrant la chambre d’analyse et le
dispositif d’introduction rapide des échantillons.
22
I.B.2. Détecteurs et modes de détermination du temps de vol
I.B.2.1 Détection des ions primaires
Nous avons utilisé deux modes de détection directe des ions primaires responsables à
l’émission:
i)
Soit par l'utilisation d'un détecteur à barrière de surface placé sur l'axe du faisceau
primaire (« start diode ») et dans lequel les ions incidents sont collectés après
transmission à travers l’échantillon déposé en couche mince sur un substrat en feuille
mince. Nous avons essentiellement utilisé des diodes CANBERRA type SPD de 150
mm2 de surface utile et de résolution pouvant atteindre 300 keV pour des ions Ar3+ de
9 MeV. La résolution en énergie est ici beaucoup moins importante que la résolution
en temps, même si elle permet le contrôle de la pureté du faisceau au cours de
l’alignement du dispositif, sans la cible. C’est essentiellement au cours de ces
contrôles que des dommages localisés à la zone d'impact du faisceau sur le détecteur
peuvent faire perdre l'information sur la réponse en énergie du détecteur et il est
pratique de pouvoir le déplacer pour restaurer cette mesure.
Les impulsions électriques délivrées par la diode sous l'impact des ions sont
amplifiées par un préamplificateur ORTEC 1428 possédant une sortie lente (énergie)
et une sortie rapide (temps) identiques.
La spectroscopie en énergie est assurée par un amplificateur linéaire Canberra 2022 connecté à
«single - channel analyzer » Canberra 2030 relié à l’oscilloscope pour mesurer l’énergie du
faisceau « sans et en »passant par un échantillon ou à l’échelle de comptage de nombre d’ions
arrivant à la diode.
Le signal en temps utilisé dans la détermination du temps de vol passe par un amplificateur filtre
temporel (Timing Filter Amplifier- Canberra 2111) avant de déclencher le discriminateur à
fraction constante (DFC) qui délivrera le signal logique dont la précision sur le déclenchement
influera sur la résolution temporelle finale. Le temps de montée du signal d'entrée est ici de 25 ns,
valeur prise en compte dans l'établissement du retard du discriminateur utilisé, (LRS-623 A).
Cette procédure limitée à l'analyse de cibles suffisamment minces exige que le détecteur des ions
primaires transmis soit le plus proche possible de la cible avec une surface utile assez grande
pour limiter la perte de particules par diffusion.
ii)
Soit par l’utilisation du dispositif de la prise de temps nommé « start feuille ». En
effet, dans le cas d'une cible épaisse, la technique précédente ne permet plus de
déterminer l'instant d'arrivée de l'ion primaire. Dans ces conditions, comme l'a montré
Oladipo [23], on peut utiliser le dispositif de prise de temps mis au point au
laboratoire [24]. Ce dispositif utilise l'émission électronique d'une mince feuille de
carbone que traverse le faisceau incident sans perte d'énergie appréciable. Dans le
dispositif de prise de temps schématisé sur la figure 1.4. les électrons émis par la
feuille de carbone sont accélérés et, soumis au champ magnétique d'un aimant
permanent, sont courbés pour entrer dans un détecteur à galettes microcanaux (GMC)
identique à celui que nous décrivons un peu plus loin. Le signal émis, comme dans le
cas précédent, sera amplifié dans un TFA avant de déclencher le discriminateur à
fraction constante qui délivrera le signal logique utilisé dans la mesure.
Il y a deux critères techniques à remplir lors de l'utilisation de ce mode de détection :
23
1) Utilisation de feuilles de carbone très minces pour que la perte d'énergie des ions primaires
lors de la traversée de la feuille soit la plus faible possible, et surtout pour ne pas avoir trop de
particules diffusées aux grands angles, n'atteignant pas la cible.
Afin de limiter la diffusion du faisceau primaire qui détruit l’efficacité du détecteur TOF, le
dispositif était placé le plus proche possible de la cible (à 10 cm), et les feuilles de carbones
utilisées étaient les plus minces possibles (<30 μg/cm2).
2) Le faisceau d'ions primaires doit être le plus centré possible sur l'axe optique de détection des
ions secondaires. Comme on l'a déjà mentionné, le décentrage du faisceau va entraîner une
dégradation dans la transmission.
Une calibration directe de ce mode de détection peut être faite en comparant les
rendements relatifs au nombre de particules traversant la feuille à ceux relatifs aux signaux start
enregistrés par une diode: la différence peut atteindre 50% en défaveur du « start feuille ». Si l'on
ne peut ramener cet écart à moins de 10%, on appliquera une correction systématique.
Dans le cas de cibles épaisses et de détection d'ions positifs, pour lequel ce type de
détection est la seule alternative, il conviendra de s'assurer que ce facteur de correction n'évolue
pas avec une éventuelle dérive du faisceau. Des vérifications périodiques en détection d'électrons
(voir plus loin) sont alors nécessaires.
Figure 1.4. Représentation schématique de : a) dispositif de prise de temps utilisé dans
le mode de détection "start feuille". b) différentes répartitions de tension sur le détecteur
GMC, la feuille de carbone et la cage de Faraday.
24
Mentionnons enfin que la mesure du temps de vol des ions négatifs peut s’effectuer sans
avoir à détecter le passage de la particule incidente mais en utilisant le seul détecteur des ions
secondaires décrit au paragraphe suivant. L'émission électronique ayant un rendement toujours
supérieur à 100% et les électrons étant bien entendu les premiers à atteindre le dispositif à
galettes microcanaux (GMC), à chaque particule incidente correspondra toujours l'arrivée de
plusieurs électrons sur le GMC suivis ou non des ions négatifs secondaires émis sous l'impact. Le
principe de la détection par "start électrons" consiste alors à diviser le signal du détecteur GMC
au moyen d'un réseau triangulaire de résistances 3 x 15 : et de retarder une des deux voies. La
voie non retardée passe dans un DFC, les signaux logiques correspondant entrant dans la voie
start du CTN. Bien entendu seuls les signaux correspondant aux électrons (les premiers de ceux
consécutifs à un impact) valideront l'analyse pour l'ensemble des signaux stop associés à ce signal
électrons, et transportés dans la voie retardée après passage par le DFC. Le spectre obtenu sera
donc constitué de ces mêmes électrons suivis des ions négatifs. Les mesures de temps de vol
s'effectuent relativement au pic des électrons. Ce mode de détection des ions négatifs peut, bien
entendu, être utilisé aussi bien pour des cibles minces que pour des cibles épaisses.
I.B.2.2 Détection des ions secondaires :
I.B.2.2.1. Relation entre masse et temps de vol pour un analyseur TOF linéaire.
A l'impact des ions primaires, les ions secondaires ionisées émis à partir de la surface de
la cible sont accélérés dans une courte zone d’extraction électrostatique pour pouvoir rentrer dans
la zone libre de champ de longueur L. Dans la section d’extraction électrostatique les ions sont
accélérés avec une énergie potentielle (qU) bien connue. Il résulte de cette accélération que les
ions de même charge électrique acquièrent la même énergie cinétique à la rentrée de la zone libre
de champ :
E
qU
1
mV 2
2
Le temps de vol dans la zone libre de champ est :
L
m 12
TzoneLibre
L(
)
V
2 qU
(eq 1.1)
(eq 1.2)
Comme le temps de vol des ions secondaires est proportionnel à la racine carrée de leur masse la
calibration en masse pourra être réduit à :
T
A mB
(eq 1.3)
où A et B sont des constantes correspondant aux diverses calibrations des signaux électroniques
permettant d'accéder aux mesures du temps de vol.
I.B.2.2.2 Caractéristiques essentielles du dispositif utilisé
Il s'agit du spectromètre de temps de vol développé au laboratoire pour les études
d'émission ionique des solides à l'impact d'ions Ar (figure 1.5). Le porte-cible est incliné par
rapport à la détection du faisceau incident de sorte que l’angle d’incidence du faisceau est de 30o
par rapport à la normale de la cible. Le spectromètre de masse est installé face à la cible.
25
L’électrode d’extraction qui est liée à la masse est à 2.6 mm de la cible. La tension V de la cible
est du même signe que les ions qui sont détectés. Dans nos études nous nous sommes intéressés à
l'émission des ions négatifs et positifs, la tension V était de -6 kV ou + 6 kV. Le tube de vol est de
longueur L = 120 mm qui est une zone de champ électrique nul, comprise entre l'électrode
d'extraction et une grille à la masse située à une distance de 2 mm de la face d'entrée du détecteur
de galettes à micro canaux de 20 mm de diamètre (GMC).
Figure 1.5. Vue schématique de l’ensemble du système de détection par temps de vol.
Transmission
La transmission W est définie comme étant le nombre d'ions secondaires détectés (ND) par
rapport au nombre d'ions secondaire émis (NE).
W
(%)
100
ND
NE
(eq 1.4)
W dépend de l'efficacité de collection des ions secondaires, de la transmission de la surface utile
de ce dernier et de la grille placée devant le détecteur GMC.
En ce qui concerne l'efficacité de collection des ions secondaires, l'optique électrostatique de
notre système de détection est initialement conçue pour optimiser ce paramètre par l'adjonction
d'une électrode de focalisation. Ceci a été rendu nécessaire en raison des caractéristiques optiques
du système assimilable à une lentille-trou électrostatique divergente dont les caractéristiques
optiques ont été détaillées par ailleurs [22, 25].
Dans les conditions optimales de focalisation et de centrage de notre faisceau d'ions primaires,
telles qu'elles ont été évoqués précédemment, on peut obtenir un faisceau de diamètre 0.4 mm.
Dans ces conditions, un décentrage de ±0.2 mm n'aura aucun effet sur l'efficacité de collection
des ions secondaires. La compensation d'un décalage plus important est la raison de l'existence de
l'électrode de focalisation, qui se comporte comme une lentille d'Einzel unipotentielle de
diamètre 12 mm, placée à 17 mm de l'électrode d'extraction (figure 1.5). Dans le cas d'un
mauvais alignement du point d'impact du faisceau par rapport à la lentille d'extraction nous
observons une augmentation des rendements d'émission avec la tension appliquée à l'électrode de
focalisation. A titre d’exemple, une tension de 3 à 3.5 kV appliquée sur cette électrode permet de
compenser un décalage supérieur à 2 mm et ce, pour des valeurs d'angle d'émission pouvant
26
atteindre 60° et une énergie initiale jusqu'à 2 eV [22]. Une telle procédure nous permet de définir
précisément la position du collimateur d'entrée dans la chambre d'expérience pour obtenir un
impact centré sur le système de détection et donc une transmission maximale des ions émis.
Ainsi, pour une transmission de pratiquement 100% les ions secondaires vont traverser
une grille de 85% de transmission avant d'être collectés par le détecteur GMC. Avec pour ce
dernier une efficacité géométrique de l'ordre de 60% (surface occupée par les micro canaux par
rapport à la surface totale), on peut s'attendre à une valeur de İ de 51% (0.85 x 0.6 x 100). Cette
valeur doit être appréciée par rapport à celle typiquement rencontrée dans une détection par
secteur magnétique (~10%) ou avec un quadripôle (< 1%).
Pour les rendements des ions élevés, la probabilité que plusieurs ions de même masse M
soit éjectés simultanément est grande. Mais un détecteur mono-anode ne donne pas qu’un stop
quelque soit le nombre d’ions de masse M arrivant sur le détecteur. P. Hakansson et al [26] ont
proposé que la distribution des ions éjectés de masse M suit la loi de Poisson. Nous aurons alors :
Yt
1
H
Log 1 Y mes (eq 1.5)
où f représente l'efficacité globale de détection du système et Yt le rendement total de désorption
d'un ion donné. Il importe de remarquer que la limite de cette correction se situe à Ymes = 63%
pour une efficacité de détection de 100% ce qui n’est pas le cas de nos analyses durant lesquelles
le Ymes maximal obtenu était de 40%.
Résolution en masse
La résolution en masse ou pouvoir de séparation de deux ions de masses M1 et M2 très
proches, est une grandeur caractéristique de l'analyseur définie par le rapport M/'M où M est la
masse correspondant au centroïde du pic et 'M la largeur du pic correspondant à la masse M,
généralement prise à mi-hauteur.
Cette résolution en masse, dans le cas de mesure par temps de vol peut s'écrire :
M
'M
T
2'T
(eq.1.6)
où T est le temps de vol mesuré au centroïde du pic correspondant à la masse M et 'T est la
largeur à mi-hauteur de ce pic.
Les principaux facteurs qui influencent la largeur des pics 'T et qui sont bien développés dans
des thèses précédentes [22] sont :
-L’énergie initiale des ions désorbés
-Le phénomène de fragmentation des ions secondaires dans la région libre de champ
- La variation de la tension accélératrice
- L’électronique et la géométrie.
Compte tenu des caractéristiques de notre dispositif avec des valeurs plutôt faibles de la
base de vol (125 mm) et de la tension appliquée (6 kV), les meilleures résolutions obtenues à mihauteur sont rassemblées dans le tableau 1 pour quelques masses typiques.
27
Ions
Cs+
NO2-
Cible
(CsNO3/mylar aluminisé)
(CsNO3/mylar aluminisé)
M/q
133
46
'M
0.7
0.37
M/'M
190
124
Tableau 1.1. Résolution en masse de la détection de quelques ions secondaires émis sous
bombardement d’ions Ar3+ (9MeV) à partir d’une cible de CsNO3
L'emploi de réflecteurs électrostatiques [27] et de bases de vol longues (plus de 2m en
aller-retour) permet d'augmenter considérablement la résolution en masse. Cette dernière peut
atteindre 8000 pour des masses dans la gamme de 1000 u. [29].
Système de collection des ions secondaires
Le système de détection d'ions secondaires utilisés dans nos expériences est constitué d'un
jeu de deux galettes à microcanaux (GMC) montées en configuration chevron. Les galettes que
nous avons utilisées ont un diamètre de 20 mm, une épaisseur de 0.48 mm et un diamètre interne
de canal de 12.5 Pm. Leur métallisation est de type Ni-Cr. L'efficacité géométrique de ce système
est de ~ 60% par référence à la surface totale des canaux de la galette. Le montage chevron en
respectant la rupture d'inclinaison (ici angle de 13° par rapport à l'axe de révolution) permet de
minimiser le taux de réflexion des électrons et donc assurer une meilleure efficacité du système
[29]. Dans ces conditions, à l'entrée de chaque canal, un ion ou électron qui heurte la paroi
intérieure provoque une émission électronique secondaire. Le champ électrique qui existe dans le
canal va accélérer ces électrons qui vont provoquer un phénomène d'avalanche. Le gain dans la
multiplication d'électrons résultant de l'impact est de 103 à 104 par galette soit de 106 à 108 sur la
face de sortie de la deuxième galette. La hauteur de l'impulsion varie ainsi typiquement de
quelques mV à quelques V suivant la masse et l'énergie de la particule secondaire détectée.
L'amplitude du signal n'est ici importante que dans la mesure où la sensibilité de détection est
suffisante.
La répartition des tensions entre les faces de chaque galette impose à la face d'entrée du
dispositif GMC une tension relativement élevée (a +2.4 kV) pour que l'anode qui enregistre et
transmet le signal soit connectée directement à l'électronique.
L'inconvénient majeur de ce montage est de détériorer la transmission de l'ensemble (85% de
transmission pour la grille). La zone de décélération créée pour les ions avant leur impact sur la
galette joue un rôle perturbateur mineur compte - tenu de la distance (2 mm devant les 125 mm
de base de vol). Les signaux rapides du GMC passent par un DFC (LRS 632 A). Le seuil le plus
bas utilisé était 12 mV pour les signaux «stop » et 500 mV pour les signaux « start » (pour le
« start électron »).
Les premières expériences ont été effectuées en utilisant une anode conique et un DFC de
fabrication locale permettant un seuil de détection le plus faible possible (3 mV) pour ne pas
perdre des signaux de faible amplitude [22]. Un tel dispositif est sensible aux transitoires
électroniques, souvent responsables de détérioration des circuits de ces DFC.
28
En même temps que la mise en place d'une masse électronique fiable, nous avons ensuite disposé
d'un nouvel ensemble de détection avec de nouvelles galettes (type Hamamatsu) et une anode
plate permettant de travailler avec des DFC à des seuils plus élevés (minimum 7 mV pour une
amplitude du signal d’un électron autour de 7-10 mV pour des amplification de 107.
Le module de mesure du temps de vol est un convertisseur temps numérique (CTN) type
M4 (réalisé à l' IPNO) dont le principe consiste en la mesure des différences de temps 'ti entre
un signal "start" et les signaux "stop" pendant une durée d'analyse donnée (variable entre 4 et
115 Ps), déclenchée par le signal start. Pour un signal start, ce module peut analyser jusqu'à 255
signaux "stops" correspondant aux différents temps d'arrivée des ions secondaires qui, avec des
masses différentes, ont des temps de vol différents. La résolution en temps est réglable de 250
ps/canal à 32 ns/canal et le temps d'analyse est ajustable entre 395 ns et 8.4 ms. Dans nos
expériences nous avons utilisé un temps d'analyse de 4 ȝs et une résolution de 1 ns/canal.
Le synoptique de détection et l'ensemble des dispositifs électroniques permettant les
opérations décrites précédemment sont représentés sur la figure 1.6 ci dessous
Figure 1.6. Synoptique de l’électronique utilisée pour
la spectrométrie de masse par temps de vol.
29
I.C. Bases de l’analyse par faisceau d’ions (Ion Beam Analysis – IBA)
I.C.1. Caractéristiques communes
L’analyse par faisceau d’ions (Ion Beam Analysis) définit l’ensemble des méthodes fondées
sur l’interaction d’un faisceau de particules chargées avec les constituants nucléaires et atomiques
du milieu solide concerné. Ces interactions de la particule chargée incidente (de l’ordre du MeV),
se traduisent par un ralentissement et une éventuelle modification de sa trajectoire (changement
d’énergie en fonction de la profondeur du milieu) et s’accompagnent de rayonnements
caractéristiques (X, J, …etc) dont l’intensité dépend de l’atome et (ou) du noyau concerné à une
énergie donnée. L’analyse de ce rayonnement permet d’obtenir des informations sur le matériau
bombardé :
x
x
Composition élémentaire (nature de l’atome et ou du noyau) et détermination des
concentrations en surface ou en profondeur (quantité concernée).
Détermination de la nature, de la position, de l’épaisseur ou du gradient de concentration
de plusieurs couches d’éléments ou de composés.
Les quatre méthodes les plus courantes sont la P.I.X.E (Particle Induced X-ray Emission), la
R.B.S (Rutherford Backscattering Spectroscopy), la P.I.G.E (Particle Induced J-ray Emission) et
la N.R.A (Nuclear Reaction Analysis). La nature du rayonnement détecté définit le type
d’analyse. Les particules les plus couramment utilisées dans le domaine du MeV sont p, D, d.
Les méthodes PIXE, PIGE et RBS ont été utilisées au cours de ce travail et feront l’objet d’une
description particulière.
Le ralentissement de la particule incidente dans le solide est un paramètre commun à
toutes ces méthodes puisqu’il renseigne sur la relation énergie-profondeur. Il est défini par la
perte d’énergie qui dans le domaine qui nous intéresse (où l’émission est détectable) est
principalement due aux interactions coulombiennes inélastiques avec les électrons liés
(ionisation). On définit le pouvoir d’arrêt S(E) (MeV.cm2.g-1) d’un ion d’énergie E (MeV)
comme étant la perte d’énergie par unité de masse superficielle traversée:
(eq 1.7)
avec U la densité de la matière traversée et x la profondeur (cm). La perte d’énergie totale est la
somme de deux types de pertes : électrique et nucléaire, S(E) = S(E)e + S(E )n. Au dessus de 200
keV / uma, la contribution du pouvoir d’arrêt nucléaire est inférieure à 1% au pouvoir d’arrêt
électronique. Les pouvoirs d’arrêts d’un ion donné pour la plupart des éléments sont disponibles
à partir de mesures expérimentales mais surtout à partir de tables issues de relations semi
empiriques [30, 31].
Dans le cas d’un matériau composé la loi de Bragg exprime une simple additivité linéaire des
pouvoirs d’arrêts élémentaires :
(eq 1.8)
30
Ou Wi est la stoechiométrie de l’élément i. les déviations par rapport à la loi de Bragg peuvent
correspondre à un écart de 10 à 20% lorsque l’on se trouve au pouvoir d’arrêt maximum. Pour
tenir compte de cet effet et de influence de la nature physico-chimique du milieu, Ziegler et
Manoyan ont développé un modèle [30].
Le parcours R d’un ion est obtenu en intégrant le pouvoir d’arrêt :
(eq. 1.9)
E0 est l’énergie de l’ion incident.
I.C.2 Ionisation et production des X : Technique PIXE
I.C.2.1 Emission X sous bombardement de particules chargées
Le bombardement d’un échantillon solide par des ions accélérés avec une énergie, en
général, de 1-4 MeV engendre l’émission des rayons X via l’ionisation directe ou indirecte d’une
ou de plusieurs couches électroniques profondes.
La section efficace d’ionisation İion croit rapidement en fonction du numéro atomique de
l’atome cible (figure 1.7). Pour une cible donnée, elle augmente en fonction de l’énergie de la
particule incidente et atteint une valeur maximale lorsque la vitesse de l’ion incident est
comparable à celle de l’électron sur sa couche.
La dépendance de İion en (E/A)4 en fonction de l’énergie par nucléon du projectile E/A justifie le
choix des protons par rapport aux particules Į.
Figure 1.7. Sections efficaces d’ionisation des couches K et L
pour des protons de 1, 2 et de 3 MeV.
31
La section efficace de production des raies X va ensuite dépendre du rendement de
fluorescence W qui est la probabilité pour qu’une lacune crée dans une couche donne lieu à
l’émission d’un rayon X. La variation de W en fonction du numéro atomique Z pour les niveaux
K et L, ainsi que la variation du rendement Auger pour les couches K ont été tabulées [32].
La forme caractéristique d’un spectre X issu du bombardement d’un échantillon solide est
illustrée par la figure 1.8
Figure 1.8. Spectre PIXE montrant l’identification des éléments
de la cible par leurs propres rayons X.
Les pics caractéristiques des éléments présents, dont l’intensité reflète l’abondance à
travers la section efficace de production, se superposent à un bruit de fond. Ce dernier est
essentiellement attribué au Bremsstrahlung (rayonnement de freinage) des protons incidents, du
Bremsstrahlung des électrons secondaires et des rayons gamma. Le bruit de fond prépondérant en
PIXE est dû au ralentissement des électrons secondaires dans la cible [33].
Ce rayonnement présente une distribution qui s’étale de zéro jusqu'à l’énergie cinétique initiale
des projectiles incidents. L’intensité du rayonnement de freinage est proportionnelle au carré de
l’accélération (F/m)2 en termes classiques. F est la force électrique et m la masse du projectile.
L’intensité du Bremsstrahlung produite par les protons est en première approximation (1836)2
fois moins intense que celle du Bremsstrahlung produit par les électrons.
Les électrons secondaires produisent un rayonnement continu de basse énergie, qui s’étend
jusqu’au voisinage de l’énergie maximale transférée Tm par la particule chargée incidente
d’énergie E à l’électron.
(eq 1.10)
32
Avec m masse de l’électron et M masse du projectile. Pour une énergie de protons de 3 MeV la
valeur de Tm est de 6.5 keV. Ce rayonnement diminue rapidement au delà de Tm mais reste la
contribution prépondérante de l’émission continue aux énergies inférieures à Tm.
Une autre contribution au bruit de fond résulte du fait que les protons de quelques MeV par
électron provoquent des réactions nucléaires (réactions (p, J)) aussi bien le long du faisceau que
dans la cible. Des collimateurs en éléments lourds minimisent la première source de gamma
l’autre est intrinsèque à l’échantillon. Ces gammas engendrent un fond continu dans le détecteur
suite à leur diffusion Compton. Toutefois, pour des protons d’énergie supérieure à 3 MeV, cette
émission devient plus importante que le rayonnement de freinage des électrons secondaires pour
une énergie supérieure a 15 keV.
I.C.2.2 Caractéristiques de la technique PIXE
L’immense succès de la technique d’analyse PIXE dans des domaines très variés comme la
biologie et le domaine médical [34-37] tient au fait qu’elle est multiélémentaire permettant
d’analyser simultanément les éléments de numéro atomique > 11. Elle s’applique à des
échantillons de toute nature [38, 39] et ce avec des sensibilités très élevées, supérieures à ce qui
est obtenue en excitation électronique pour laquelle le bruit de fond généré est beaucoup plus
élevé. Les meilleures performances sont obtenues pour les éléments de numéro atomique compris
entre 20 et 40 avec des limites de détection voisines du Pg/g. Cette sensibilité est particulièrement
intéressante pour les échantillons minces [40].
Elle peut être associée en simultané avec d’autres techniques par faisceau d’ions (P.I.G.E, R.B.S).
Enfin, comme on le verra dans notre étude elle est essentiellement non destructive [4143].
Pour un faisceau d’énergie initiale E0, la relation permettant de relier l’intensité de
l’émission X à la concentration Ci d’un élément donné dans une couche d’épaisseur donnée x0
(énergie finale Ef) s’exprime à travers les relations suivantes :
(eq 1.11)
Avec A = 6.242 1012 (dȍ/43) İ K1$0
Q la charge totale déposée, NA le nombre d’Avogadro, M la masse atomique (g), U la masse
volumique (g/cm3), ci la concentration massique de l’élément i dans l’échantillon.
V i (E) est la section efficace d’émission (cm2) de la raie de l’élément i à l’énergie E
Avec dȍ angle solide de détection, ș angle de détection des rayons X, İ efficacité du détecteur, K
facteur de transmission qui tient compte de l’absorption par le milieu situé entre la surface de
33
l’échantillon et le détecteur (air, fenêtre…), le terme exponentiel tient compte de l’atténuation des
photons par la cible pour un angle ș avec P le coefficient d’atténuation massique de l’échantillon
pour l’énergie de la radiation caractéristique Ka de l’élément
S(E) et T(E) sont respectivement le pouvoir d’arrêt en MeV.cm2.g-1 et le terme de transmission
des protons dans la cible.
Lorsque la fluorescence X d’un élément i est proportionnelle à la masse superficielle xi de
l’échantillon, les effets de matrices sont négligeables et l’échantillon est considéré comme mince.
Les effets d’absorption sont insignifiants et T(E) = 1. Les effets du ralentissement des protons
sont minimes : Ef = E0 et Vi constante. L’équation de l’intensité devient :
(eq 1.12)
xt est la masse superficielle totale de l’échantillon et xi la masse superficielle de l’élément i dans
l’échantillon.
Les échantillons épais (le cas de nos échantillons) correspondent aux cibles où le faisceau de
protons est totalement arrêté (Ef = 0) par la matrice. Les corrections dues aux effets de matrice
sont maximales. La perte d’énergie conduit à une variation de la section efficace d’ionisation.
L’équation de l’intensité est équivalente à l’équation 1.10 en remplaçant Ef par 0.
I.C.3. Excitation nucléaire et production des radiations Ȗ : Technique PIGE.
I.C.3.1 Excitation nucléaire et émission Ȗ
Dans la gamme d’énergie accessible dans notre laboratoire (quelques MeV) les réactions
nucléaires concernent essentiellement les noyaux cibles légers dont Z < 20. Les réactions
nucléaires les plus probables entre ces éléments et des protons incidents d’énergie de 1 à 5 MeV
sont : (P, P’Ȗ), (P, ĮȖ), (P, nȖ) et (P, Ȗ) [44].
En ce qui concerne notre étude le fluor est le seul élément analysé avec la technique PIGE.
Parmi les pics caractéristiques des réactions nucléaires (P, P’Ȗ) sur le fluor celui de 197 keV
présente la section efficace la plus élevée à l’énergie incidente 3 MeV et n'interfère pas avec des
pics d’autres éléments. Il sera donc choisi pour l'analyse quantitative (Fig. 1-10).
Le pic à l’énergie gamma 511 keV est dû à l’annihilation de deux électrons réabsorbés par le
détecteur.
Le fond continu dans un spectre PIGE est dû à la probabilité d’interaction des rayons Ȗ avec le
cristal du détecteur par effet Compton.
34
1e+6
EJ(F)110 keV
1e+5
EJ(F)197keV
EJ(F)1459keV
EJ=511 keV
EJ(F)1357keV
Coups
1e+4
EJ(F)1236keV
1e+3
1e+2
1e+1
150
300
450
600
750
900
Canal
Figure 1.10 Spectre PIGE typique d’une molécule pharmaceutique contenant du Fluor.
(ions incidents : Proton 3 MeV)
I.C.3.2 Caractéristiques de la technique PIGE
La technique PIGE est une technique multiélémentaire. Elle permet une analyse
qualitative et quantitative simultanée des éléments légers (Z < 20). Ce type d’analyse est rapide et
non destructif (dizaine de minutes par échantillon) [45]. Les limites de détection se situent, en
général, dans la gamme du ppm. Le domaine favori de cette technique est la caractérisation des
éléments légers dans une matrice lourde [46-48].
L’analyse quantitative est basée sur la relation entre l’intensité d’un pic dans le spectre PIGE, et
la concentration de l’élément dans l’échantillon analysé, relation souvent complexe car faisant
intervenir les paramètres suivants :
x L’angle solide (ȍ) de détection : Il est définit par la relation ȍ = S/d2 avec S la surface
utile du détecteur et d la distance cible-détecteur.
x L’efficacité intrinsèque du détecteur.
x Efficacité de suppression d’électrons secondaires.
x La charge ou nombre d’ions arrivant à la cible pendant l’analyse.
x La section efficace de la réaction nucléaire spécifique et sa variation an fonction de
l’énergie-épaisseur de l’échantillon.
x La composition en éléments majeurs de la cible analysée.
L’utilisation des standards s’avère indispensable pour palier aux difficultés rencontrées.
On peut distinguer deux types de standards : interne et externe.
35
Le standard interne est préparé en ajoutant un ou plusieurs éléments avec des
concentrations bien précises à l’échantillon à analyser. Cette préparation demande des
précautions particulières au niveau de l’homogénéité et du mixage. Dans notre cas, le standard
externe a été choisi pour éviter les problèmes analytiques cités ci-dessus. En utilisant des
standards externes (détaillé ultérieurement au chapitre II) avec le même élément à doser, mais
bien entendu dans une autre matrice, le calcul de la concentration de l’élément à doser dans
l’échantillon sera donné par la formule suivante :[49, 50]
Yéch (i )
Céch (i )
Yréf (i )
Créf (i )
u
Sréf ( E )
Séch ( E )
(eq 1.13)
Avec (i) l’élément à doser.
Yéch(i) le nombre de coup détecté dans l’échantillon.
Yréf(i) le nombre de coup détecté dans le standard.
C éch(i) la concentration de (i) dans l’échantillon.
C réf(i) la concentration de (i) dans le standard.
Séch(E) le pouvoir d’arrêt dans l’échantillon à l’énergie E
Sréf(E) le pouvoir d’arrêt dans le standard à l’énergie E.
Cette formule est très simple car dans le cas de l’analyse des standards et des échantillons,
on a la même géométrie et on utilise le même détecteur donc la même efficacité intrinsèque. De
plus c’est le même élément analysé dans l’échantillon et dans le standard donc la même section
efficace d’émission Ȗ pour la même énergie.
Dans l’équation (1.13) la perte d’énergie est valable pour l’énergie Em = énergie moyenne qui est
donnée par la formule suivante :[50, 51]
(eq 1.14)
Dans ces équations : E0 est l’énergie de bombardement
į(E) la section efficace de la réaction nucléaire à l’énergie incidente (E0)
Y0 le nombre de coups détecté pour E0
N le nombre d’Avogadro
FA le facteur d’abondance isotopique
N0 le nombre des ions arrivant sur la cible
A la masse atomique de l’élément
et C est la concentration de ce dernier.
36
Ce calcul est compliqué mais l’équation se simplifie en remplaçant Em par E½. Cette dernière est
l’énergie avec laquelle le rendement d’émission Ȗ en nombre de coups/ȝC devient égal à sa
moitié, tel que Y½=Y0/2 avec Y0 est le rendement pour E = E0. E ½ est déterminé graphiquement
d’après la fonction d’excitation (développée au chapitre III).
I.C.4. Diffusion élastique et technique RBS
La méthode d’analyse par diffusion de Rutherford [52, 53] est basée sur les interactions
coulombiennes entre noyaux atomiques. Elle consiste à mesurer le nombre et l’énergie des ions
d’un faisceau qui sont retrodiffusés après interaction avec les noyaux des atomes de l’échantillon.
Cette information rend possible la détermination de la masse atomique et des concentrations
élémentaires en fonction de la profondeur.
Quand un échantillon est bombardé avec un faisceau de particules chargées, une petite
fraction des particules incidentes entre en interaction coulombienne avec le noyau d’un atome des
premiers micromètres de l’échantillon. L’énergie des particules retrodiffusés à un angle donné
dépend principalement de deux phénomènes : i) La quantité d’énergie perdue des particules
incidents lors de leur passage dans l’échantillon aussi bien à l’aller qu’au retour. Cette perte
dépend du pouvoir d’arrêt du matériau ; ii) La perte d’énergie du projectile via la collision ellemême. Cette perte dépendra essentiellement des masses de l’atome cible et du projectile.
Le nombre de rétrodiffusions provoquées par un élément particulier dépend de deux
facteurs : la concentration de cet élément dans l’échantillon et de sa section efficace de diffusion,
qui dépend essentiellement de la taille de son noyau.
La meilleure résolution massique, une bonne sensibilité et une bonne résolution spatiale
sont obtenues pour des ions lourds de l’ordre du MeV. La simulation des spectres à l’aide de
logiciels rend les interprétations plus faciles. En plus, Le dispositif expérimental nécessaire à
l’analyse RBS est exactement le même que pour la PIXE et PIGE, acceptent le système de
détection qui est ici un détecteur de particules chargées, de type détecteur à barrière de surface.
I.C.4.1 Analyse Quantitative
La spectrométrie de rétrodiffusion utilisant des faisceaux d’énergie au voisinage du MeV est
utilisée dans notre cas pour déterminer la composition stoechiométrique. La détermination d’un
élément i d’un échantillon se fait en mesurant l’énergie initiale de rétrodiffusion des particules
incidentes d’après la formule suivante :
= Ei/E0
(eq 1.15)
E0 est l’énergie initiale de la particule incidente, Ei est l’énergie de la particule rétrodiffusée par
l’élément i et K représente le facteur cinématique pour l’élément i.
Il dépend seulement de l’angle de diffusion et du rapport des masses de l’ion et du noyau
atomique ; il ne dépend pas de l’énergie de l’ion incident.
La section efficace de diffusion élastique est habituellement donnée en barn (10-24 cm2).
Si on considère la collision comme une diffusion à deux corps, on trouve l’expression suivante
pour la section efficace en considérant M2 >> M1 :
37
(eq 1.16)
La stoechiométrie relative moyenne entre deux éléments A et B (comme par exemple C et
O dans la figure 1.11) appartenant à la même cible est proportionnelle à leur section efficace.
Figure 1.11. Spectre typique d’un échantillon épais d’un produit pharmaceutique
bombardé par un faisceau d’H+ de 2MeV avec le spectre simulé avec le code SIMNRA.
I.C.5.1 Caractéristiques de la technique RBS.
Les mélanges pharmaceutiques (comme un médicament) présentent une distribution de
masse très hétérogène que leur composition est principalement de carbone, hydrogène, oxygène
et azote. Cette hétérogénéité peut fausser le calcul des concentrations obtenues par la méthode
PIXE (avec le code de simulation GUPIX) si nous ne tenons pas compte de la présence de ces
éléments invisibles à PIXE. D’autre part, dans le cas de l’analyse par PIGE, la connaissance de la
composition du médicament est nécessaire pour l’analyse quantitative en cas où sa composition
est différente de l’étalon choisi. La méthode RBS établit la composition des éléments majeurs
formant la cible, notamment le carbone, l’oxygène et l’azote. Pour des raisons cinématiques
l’hydrogène ne contribue pas au spectre RBS.
Les points fort de cette technique sont les suivants :
- L’analyse par cette technique est quantitative
- Analyse en profondeur sans sputtering (La technique RBS est non destructive)
- Tous les éléments sont détectables
- Elle peut être utilisée simultanément avec les autres techniques, PIXE et PIGE
38
I.D. Moyens expérimentaux pour les techniques IBA.
I.D.1. Condition d’analyse
Les ions primaires (protons et particules alpha) utilisés dans nos expériences sont produits
auprès de l'accélérateur électrostatique Tandem 1.7 MV 5SDH-NEC Pelletron de la Commission
Libanaise de l’Energie Atomique-CNRS.
Un gaz de haute pureté (ici nous utilisons l’hydrogène H2) est injecté dans une bouteille
de quartz soumise à un champ radiofréquence (source type Alphatross). Ceci assure la création
d’un plasma, contenant surtout des espèces monoatomiques ionisées. Les espèces négatives
seront pré-accélérées pour atteindre l’accélérateur électrostatique de type tandem.
Une fois les ions à accélérer entrent dans le tube sous forme négative, une accélération
d’une manière décroissante est assurée en allant du terminal vers l’entrée du tube. Au terminal
une cellule contenant de l’azote pur à 99.999% permet l’épluchage des charges et par la suite la
création des ions positifs. La répartition de tensions entre le terminal et la sortie du tube se fait de
la même manière que sa répartition entre l’entrée et le terminal. De ce fait les ions positifs vont
être accélérés une fois de plus entre le terminal et la sortie du tube. L’énergie de l’ion accéléré à
la sortie du tube est donnée par la formule E = (q+1) V Avec E l’énergie de l’ion à la sortie, q la
charge de l’ion accéléré, et V la tension du terminal.
A la sortie de l’accélérateur, un système quadripolaire de focalisation est associé à un
aimant d’analyse qui dévie le faisceau (chargé positivement) à 30o vers la chambre d’analyse.
Avant l’entrée du faisceau dans la chambre d’analyse, une camera de visualisation sur quartz aide
à contrôler la focalisation et le centrage du faisceau. Un faisceau de moins de quelque mm de
diamètre et de l’ordre de ~ 1 nA a été utilisé.
La chambre d’analyse comporte plusieurs connections d’entrées et de sorties. Le vide de
10-6 torr est assuré par une pompe turbomoléculaire de 152 l/s. Cette chambre abrite les
détecteurs, un porte échantillons multiples (16 échantillons montés sur une roue tournant autour
de l’axe du faisceau), un port filtre X, le suppresseur d’électrons et la cage de Faraday située dans
l’axe du faisceau derrière le port échantillons (figure 1.12).
Le détecteur Si(Li) se trouve à -45º et le détecteur gamma (HPGe) se trouve à +45º par rapport à
l’axe du faisceau. Un troisième détecteur Si intrinsèque à barrière de surface situé à 15º par
rapport au faisceau permet de faire des spectres de rétrodiffusion élastique (RBS) sous un angle
de rétrodiffusion de 165º.
39
Figure 1.12. Chambre d’analyse Comprenant le porte échantillons à 16 positions et les trois
détecteurs d’analyse
La qualité de l’analyse quantitative dépend fortement de l’exactitude de la charge totale
arrivant sur la cible durant l’analyse. La mesure du courant se fait directement sur la cible par la
cage de Faraday. Cette dernière est reliée à un intégrateur de charge approprié qui donnera par
l’intermédiaire d’un compteur digital la charge totale des ions incidents arrivants sur la cible
pendant l’analyse. Pour pouvoir intégrer la charge de cette façon la surface de l’échantillon à
analyser doit avoir un minimum de conductivité, nécessaire pour la transition des charges de la
surface de la cible vers le bord de l’échantillon. Si la surface originale est isolante (cas des
échantillons géologiques, quartz, …) il suffit de déposer sur cette surface une couche ultra mince
(quelques nm) de carbone ultra pur.
La suppression des électrons secondaires, émis sous faisceau par la cible, sera assurée par un
système métallique circulaire situé de part et d’autre de l’échantillon négativement polarisé à
quelques centaines de volts.
I.D.2. Détecteurs et électronique associée
Le détecteur X utilisé dans nos expériences est un détecteur semi-conducteur type Si(Li)
de surface utile de 30 mm² munie d’une fenêtre en béryllium de 12.5ȝm d’épaisseur. Ce détecteur
permet la détection des X d’énergie plus grande que 0,85 KeV (à partir de la raie KĮ du sodium).
La résolution typique en énergie est de 170 eV (FWHM) à 5,9 KeV (KĮ du Mn).
Ce détecteur est refroidi à la température de l’azote liquide.
Dans notre configuration expérimentale le Si(Li) est monté sur un système permettant de varier la
distance cible-détecteur. Devant le détecteur est installé un porte filtre X. Selon la matrice de
40
l’échantillon à analyser et selon la nature et la concentration des éléments à caractériser, l’emploi
d’un filtre X de nature et d’épaisseur appropriés est toujours nécessaire.
Le détecteur Si(Li) est polarisé par une tension de -300 V.
Le détecteur Ȗ est un semi-conducteur HPGe (Germanium à Haute Pureté). Il permet la
détection de rayons Ȗ d’énergie supérieure à 50 KeV. La résolution typique en énergie est de 1.75
KeV à 1333.5 KeV (EȖ du césium). Dans notre configuration expérimentale le HPGe est monté
sur un système permettant de varier la distance cible-détecteur et est entouré d’un blindage de
plomb qui permet de minimiser la détection des Ȗ provenant de la radioactivité naturelle due à des
éléments comme (208Ti, 214Bi, 214Pb, 228Ac, 40K,…). Ainsi le rapport du nombre de coups de
rayon Ȗ naturel dans un pic sur le nombre provenant de l’élément ne dépasse pas les 0.02 %.
Le détecteur est refroidi à la température de l’azote liquide (-192 0C). Il est polarisé par une
tension de 3500 keV. Le détecteur RBS est un détecteur à barrière de surface en silicium avec
une résolution en énergie de 20 KeV.
Le synoptique de l’électronique associée est présenté sur la figure 1.13. Le
préamplificateur placé après chaque détecteur a pour rôle la mise en forme du signal électrique de
sortie du détecteur et d’amplifier, sans déformation, l’amplitude de ce signal pour ensuite être
considéré par l’amplificateur.
Le convertisseur en amplitude digital (ADC) transforme les signaux analogiques délivrés par
l’amplificateur en signaux logiques lisibles, par la suite, par le codeur digital. Après le
convertisseur on a des interfaces qui relient l’ADC avec le système multiparamétrique qui est
muni de plusieurs entrées pour faire l’acquisition simultanée utilisant de différents détecteurs.
Finalement, un analyseur standard multicanal traite les signaux de différentes amplitudes et tient
en compte la fréquence d’arrivée de ces amplitudes. Ceci donnera naissance à un spectre
multicanal qui sera transformé par la suite par une calibration appropriée en spectre en énergie.
Le synoptique de l’électronique associée est présent sur la figure suivante :
Printer
Si(Li)
Préampli
Ampli
ADC
HPGe
Préampli
Ampli
ADC
M
PC
Acquisition
Traitement
C
Si(SBD)
H.V. Bias
Préampli
Ampli
ADC
Sample
Faraday Cup
Sample Changer
Integrator
Timer/Counter
Figure 1.13. Synoptique de l’électronique associé à l’acquisition simultanée :
PIXE, PIGE et RBS
41
I.D.3. Exploitation des spectres
I.D.3.1 Analyse PIXE et code GUPIX
Nous avons utilisé le logiciel GUPIX, développé à l’université de Guelph, au Canada par
Maxwell et Campbell [54]. Le principe de traitement des spectres X est fondé sur la comparaison
entre un spectre théorique (Mj) avec le spectre expérimental (Yj) contenant j pics, selon une
procédure d’ajustement des moindres carrés non-linéaires :
(eq 1.17)
Le procédé d’ajustement consiste en la minimisation de la valeur F2 (degré de liberté) ou Wj est le
poids de chaque canal du spectre.
GUPIX introduit un filtre numérique qui élimine la contribution du fond continu. Il fonctionne
comme un filtre passe-bande en filtrant les basses fréquences (continuum) au profit des hautes
fréquences (les pics). C’est une fonction symétrique (n, m, n) ou m correspond à la largeur à mihauteur des pics (Full-Width at Half-Maximun) et n à la moitié de m. Appliqué au spectre, ce
filtre modifie la forme du pic gaussien et élimine le fond supposé linéaire de part et d’autre du pic
[55].
L’analyse qualitative du spectre permet la construction d’un spectre théorique sur la base des
énergies, des intensités relatives des raies K, L, et M. il prend en compte les effets de matrice, la
fluorescence secondaire, l’absorption des filtres et l’efficacité du détecteur.
L’intensité mesurée IZ du rayonnement caractéristique est donnée par la formule suivante :
(eq 1.19)
Où MZ est l’intensité théorique calculée par unité de concentration, par stéradian et μC. Q est la
charge mesurée. ɽZ est l’efficacité de détection. TZ est la transmission des filtres interposés entre
la cible et le détecteur. ȍ est l’angle solide en stéradian. CZ est la concentration de l’élément de
numéro atomique Z. Cette relation permet un calcul de la concentration, après avoir mesuré l’aire
sous le pic et calculé l’intensité théorique à l’aide des bases de données.
L’indication des différents paramètres instrumentaux associée à la procédure d’ajustement donne
les concentrations des éléments présents dans l’échantillon.
L’erreur statistique relative en % est :
(eq 1.20)
Où P est le nombre d’impulsions sous le pic sans bruit de fond. B est le nombre d’impulsions du
bruit de fond. N = P+B+0 est le nombre d’impulsions totales. O est le nombre d’impulsions
compris dans l’aire de la partie chevauchée par le pic considéré avec un pic voisin.
GUPIX estime les erreurs associées aux paramètres physiques de la base de données ainsi
que l’erreur de modélisation ou d’ajustement. L’utilisateur doit ajouter les erreurs sur la charge et
sur l’angle solide qui ne sont pas prises en compte par le logiciel. Dans nos expériences, ces
42
erreurs sont fixées à 2% chacune et additionnées de façon quadratique avec les erreurs de « fit »
et de statistique.
Le critère pour que l’intensité d’un pic caractéristique NP soit significative par rapport au bruit de
fond est telle que :
(eq 1.21)
soit trois fois supérieure à l’écart type de la moyenne estimée du fond continu. La limite de
détection (notée LOD : Limit of Detection) est défini par :
(eq 1.22)
Où N Term est l’intensité calculée de l’élément analysé, dans l’échantillon de référence.
L’application d’un filtre diminuant l’intensité du rayonnement analysé joue un rôle important
dans la limite de détection. De manière générale, la limite de détection d’un élément dépend de la
matrice qui le contient. La détection des éléments lourds dans des matrices légères est le cas le
plus favorable (le cas de nos échantillons).
L’emploi de filtre est courant afin d’atténuer la contribution des éléments majeurs et du fond de
faible énergie. Pour ce genre de filtre, la constante instrumentale H est constante. Un filtre de
kapton de 131 Pm absorbe les photons X caractéristiques des éléments les plus légers jusqu’au
l’Aluminium.
L’analyse simultanée des éléments lourds et légers requiert un « funny filter ». La variation du
paramètre H avec l’emploi de « funny filter » selon l’énergie s’explique par une insuffisante
connaissance des différents paramètres géométriques de la détection : Distance entre le détecteur
et la cible, épaisseur des filtres placés devant le détecteur et le diamètre du trou du « funny filter »
[56].
I.D.3.2. Analyse RBS et Code de simulation SIMNRA
Pour le traitement des spectres RBS, nous avons utilisé le programme SIMNRA. Celui-ci
simule la diffusion de particules chargées sur des cibles constituées de couches homogènes en
composition et en épaisseur. Ce programme, en fonctionnant de manière itérative et en mode
conversationnel, ajuste un spectre expérimental à la simulation du spectre en énergie de particules
diffusées dans l’échantillon. La description de la cible se fait couche par couche en précisant la
stoechiométrie des différents constituants et l’épaisseur totale de cette couche. Le spectre total
des particules diffusées dans chaque couche est obtenu en faisant la somme des contributions de
chaque isotope constituant l’échantillon.
I.D.3.3. Analyse PIGE et Code SPECTRG
SPECTRG est un logiciel informatisé établi par Kalfas, directeur de recherche à l’institut
de physique nucléaire d’Athènes [57].
Il permet le traitement des spectres en déterminant l’aire nette sous les pics d’un spectre
mesuré. Nous l’avons utilisé pour les spectres de PIGE ainsi que pour les spectres de TOF-SIMS.
43
Une fois le spectre est calibré en énergie (cas de PIGE) ou en masse (TOF-SIMS), chaque
pic est pris à part pour intégrer sa surface. Pour intégrer un pic mesuré, il suffit de définir ses
bords et SPECTRG affiche sur l’écran l’énergie (ou la masse) centrale de ce pic, son intensité et
l’erreur sur l’intégration qui est définie par 3/2 la racine carrée du fond. En choisissant le pic
modèle le plus convenable, ses informations (intensité, erreur et énergie) seront sauvegardées
dans un fichier à part avec le calcul du bruit du fond (background) qui a été soustrait
automatiquement tout en supposant que la limite entre le pic et son fond est linéaire.
I.E. Préparation des échantillons.
I.E.1 Echantillons pour l’analyse IBA
x
x
x
Trois types d’échantillons ont été analysés avec les techniques IBA :
Médicaments : Les comprimés de médicaments ont été pesés puis pulvérisés et homogénéisés
dans un broyeur d’agate.
Etalons externes faits maison : Mélanges de quantité précises du médicament (ou de
l’excipient) et du (ou des) principe(s) actif(s). Ces mélanges ont été homogénéisés
mécaniquement dans un broyeur d’agate pour 40 minutes.
Etalons externes : De la poudre pure du principe actif.
Chaque échantillon de 0.5 g de poudre est enserré dans une pastilleuse entouré de poudre
d’acide borique puis compressé à 1 tonne /cm2. La surface et l’épaisseur de chaque pastille sont
de l’ordre de 3 cm2 et de 3 mm respectivement. Une couche de 5-10 nm de carbone ultra pur a été
déposée (en pulvérisation) sur la surface des échantillons pour la rendre conductrice et écouler la
charge permettant de mesurer le nombre d’ions incidents arrivant à la surface de l’échantillon.
I.E.2 Echantillons pour l’analyse ToF-SIMS
Certaines cibles inorganiques comme CsNO3 servent régulièrement à l'étalonnage et à la
calibration de nos mesures. Ces sels alcalins oxygénés sont obtenus par évaporation à haute
température de poudres commerciales placées dans un creuset de tantale. Pour des épaisseurs de
l'ordre de 50 Pg.cm-2, on obtient des dépôts pratiquement homogènes. Ainsi comme il a déjà été
montré [22], ces échantillons ont surtout l'énorme avantage de présenter des rendements
d'émission des ions secondaires caractéristiques positifs et négatifs pratiquement constants pour
de longues périodes de stockage.
Nous avons travaillé avec deux différents types de matériaux :
I.E.2.1 Pesticides
En ce qui concerne les dépôts, une solution à 5 g/l du pesticide pur dans l’éthanol absolu a
été préparée. Cette solution a été déposée, par la technique spin-coating, sur des substrats
d’Aluminium poli et de diamètre adapté au porte-cible par conséquent parfaitement polarisés et
positionnés. La technique de dépôt consiste à déposer avec une micropipette des gouttes de 10 μL
de la solution sur un support qui tourne à une vitesse de 500 tours/minute. La mise en rotation de
ce dernier fait étaler la solution de manière homogène et l'évaporation du solvant donne un dépôt
de soluté très mince et présentant les meilleures conditions de polarisation possibles. L’épaisseur
des dépôts était supérieure à 100 μg/cm2 (pour une quantité déposée ~ 100 μl).
44
En ce qui concerne les sols imprégnés, le même type de sol a été choisi pour l’étude de
tous les pesticides. Il provient du nord du liban. Il est issu de dépôts basaltiques [58]. Il a été
nettoyé mécaniquement dans un premier lieu en utilisant un tamis en aluminium de 200 μm.
Ensuite, il a été séché à 105oC (avant l'adsorption du pesticide) et finalement pulvérisé et
homogénéisé dans un broyeur d’agate.
Une quantité de 0.5 g du sol est alors dispersée dans un cristallisoir de 10 mL de volume. Une
solution de 4 mL du pesticide (5 g/L dans l’éthanol absolu) est ajoutée et bien mélangée au sol
afin d’avoir une couverture totale du sol par la solution et une concentration de 40 000 ppm du
pesticide dans ce sol. Pour des concentrations plus faibles en pesticide, le même volume d’une
solution de pesticide plus diluée a été utilisé. Le mélange « pesticide+sol » est laissé pour
évaporation du solvant pour 20 h au minimum. Après séchage, 0.15 g de ce mélange sont
homogénéisés dans un broyeur d’agate puis répartis dans un cylindre creux en acier inoxydable
de diamètre interne 1.3 mm. La poudre est pressée à 8 tonnes/cm2 pour 30 s entre deux disques,
en acier inoxydable, coulissant dans le creux du cylindre. Avant chaque usage, les deux pièces
utilisées pour le pastillage sont systématiquement nettoyées à l'éthanol et à l’acétone. Les
pastilles obtenues ont des épaisseurs de a 3mm pour un diamètre de 1.3 mm. Pour toutes ces
cibles aux dimensions non-standards vis-à-vis du porte-cible utilisé il faut impérativement
respecter une distance fixe entre la surface des cibles et le plan de l'électrode d'extraction ainsi
que leur parallélisme si on veut que le champ électrique qui permet de collecter les ions
secondaires soit le plus uniforme possible. Ceci est généralement réalisé par l'intermédiaire d'un
anneau en acier inoxydable d'épaisseur égale à 0.1 mm (celle du porte-cible) et avec un diamètre
central de 5 mm. L'échantillon est alors inséré entre cette pièce et un disque d'aluminium (figure
1.3). Ceci assure une distance fixe entre les échantillons et l'électrode d'extraction avec un parfait
parallélisme.
I.E.2.2 Médicaments
Nous avons étudié des médicaments en capsules ou en comprimés et des étalons
(principes actifs pur) à l’état de poudres. Toutes ces poudres ont été transformées en pastilles
mais une partie d’entre elles ont été mises en solution pour obtenir des dépôts en couche mince
sur du mylar aluminisé.
La même procédure de pastillage a été utilisée que celle pour les pesticides avec quelques
différences :
- Les étalons purs ont été entourés par un liant externe d’acide borique. Les poudres de
principes actifs présentent souvent des problèmes de liants après compression et il faut les
préparer avec une importante « couronne » d’acide borique.
- Pour les étalons préparés au laboratoire, une quantité donnée du médicament et du
principe actif pur ont été mélangés et homogénéisés mécaniquement à la main dans un
broyeur d’agate pour plus que 40 minutes avant d’être pastillés.
Certaines de ces pastilles (correspondant souvent aux principes actifs purs) se sont mal
polarisées. Nous avons discuté précédemment l’effet d’un tel phénomène sur la résolution en
masse. Plusieurs essais ont été tentés pour améliorer ce problème :
- Nous avons entouré la poudre à analyser par de l’acide borique mélangé à 15, 30 et 50 %
de carbone dans le but de rendre le champ électrique à la surface de la cible le plus
uniforme possible.
Cette façon de préparation n’a pas amélioré la polarisation de la surface de la cible.
45
- La poudre à analyser est déposée sur un substrat métallique imprégné d’un film de résine
(epotecny E501 [59]) dont le séchage est adapté au temps de manipulation. Pour cela le
mélange durcisseur-résine est dilué 1000 fois par l’acétone absolu et ainsi 10 μL du
mélange final ont été déposés par spin coating sur le substrat ; Dans ces conditions la
résine est manipulable durant l’heure qui suit le mélange des deux parties et elle sèche
dans 24 h à la température ambiante. Au bout de ce temps le reste de la poudre non collée
sur la résine est balayé avec un pinceau. La procédure n’est cependant pas assez
reproductible en particulier pour avoir un dépôt homogène.
- Une alternative intéressante consiste à presser la poudre directement sur un substrat tel
l’Indium pur. Ce dernier est un métal mou dont la température de fusion est 156°C. Nous
pouvons alors l’étaler à 3000C sur une surface métallique. A température ambiante, la
poudre est posée sur la couche d’indium puis pressé entre dans deux plaques polies
d’acier inoxydable.
Cette préparation peut donner d’excellents résultats suivant les poudres.
Les dépôts les plus intéressants pour l’analyse ToF-SIMS sont comme on l’a vu effectués sur des
films minces et conducteurs. Pour réaliser de telles cibles le film mince de Mylar (PET)
aluminisé (~2 μm) est tendu sur un anneau à la dimension de la gorge du porte-cible et donc
parfaitement polarisé et positionné. La solution dans l’éthanol de la poudre concernée est déposée
sur ces substrats par spin-coating avec une épaisseur de l’ordre de 100 μg/cm2. Elle avait au
préalable été mise dans un bain d’ultrason pour 5 minutes afin d’optimiser la dissolution.
Il faut noter ici que la procédure de déposition par sping-coating est parfois difficile à maîtriser et
à reproduire. Pour certains de ces produits, nous étions obligé de déposer dans un premier lieu
quelques gouttes (~ 30 μL) sur le substrat et les laisser sécher puis recommencer la procédure. De
tels produits ne s’étalent de façon homogène que sur un substrat avec une certaine rugosité. Par
contre, pour d’autres produits nous étions obligés à les déposer sur le mylar aluminisé en séchant
le dépôt goutte par goutte (de 30 μL) avec des vitesses de spin-coating qui ne dépassent pas les
50 tours/minutes.
46
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50
51
Chapitre 2
Etude des pesticides et
de leurs photodégradations
Par TOF-SIMS
52
53
Analyse de la photodégradation des pesticides par TOF-SIMS
2.A. Introduction
Selon la directive européenne 98/8/CE du 16 février 1998, un pesticide est considéré
comme une substance active destinée à détruire, repousser ou rendre inoffensifs les organismes
nuisibles, à en prévenir l'action ou à les combattre de toute autre manière, par une action
chimique ou biologique. « Pesticide » est un terme générique qui rassemble les insecticides, les
fongicides, les herbicides et les parasiticides. Ils s'attaquent respectivement aux insectes
ravageurs, aux champignons, aux « mauvaises herbes » et aux vers parasites.
Les pesticides ont constitué un énorme progrès dans la maîtrise des ressources
alimentaires et l'amélioration de la santé publique (en particulier dans la lutte contre les insectes,
vecteurs des maladies). Mais des phénomènes de résistance chez les insectes, puis des troubles de
la reproduction chez les oiseaux, ont montré de façon spectaculaire les limites et les dangers de
ces substances pour l’environnement, pour les écosystèmes mais également pour les êtres
humains. Malgré les exposés multiples des risques et des dangers de ces contaminants sur la santé
humaine [1, 2], la France reste, en 2007, le troisième consommateur mondial de pesticides [3].
Il existe plusieurs types de mécanismes de contaminations de l’environnement par des
pesticides. Leurs effets varient selon de nombreux facteurs, dont en particulier : (i) La toxicité et
l’écotoxicité de la substance active, des surfactants et de leurs produits de dégradation (parfois
plus toxiques que la molécule - mère). (ii) La durée de demi-vie de la matière active ou des
métabolites. (iii) Le temps d'exposition, la dose, la sensibilité et l’âge de l’organe ou l’organisme.
En effet, lors d'un traitement, de grandes quantités utilisées de pesticides n'atteignent pas
le ravageur visé. Ceux, qui restent dans le sol, sont soumis à un ensemble de phénomènes
conditionnant leur devenir et leur dispersion vers les autres compartiments de l'environnement;
phénomènes de transfert, d’immobilisation et de dégradation.
Ce dernier est assuré principalement par les organismes biologiques de la microflore du
sol et par des processus physiques et chimiques de dégradation, tel que la photodécomposition
(photodégradation). Le processus de la photodégradation peut être directe (par absorption de la
lumière du soleil directement par les pesticides) ou indirecte (par absorption de l'énergie
lumineuse par d’autres composants comme l’eau ou le sol). La photolyse directe a été estimée à
être limité à une couche superficielle de 0,2-0,4 mm [4] alors que celle de la photolyse indirecte
est un peu plus profonde. Ces processus contribuent à diminuer la quantité de matière active dans
le sol et donc à réduire les risques de pollution. La cinétique de dégradation d'une molécule
donnée est déterminée en estimant la persistance du produit. Pour cela, nous déterminons sa
demie vie qui est la durée à l'issue de laquelle sa concentration initiale dans le sol a été réduite de
moitié. Cette demie vie (DT50) peut varier avec la température, le type de sol, l'ensoleillement,
etc…
Contrairement à la photodégradation dans l'eau, peu de recherche a été fait sur la
photodégradation sur les surfaces du sol bien qu’une telle connaissance est une question clé en
termes de la formation et de la persistance de produits toxiques. En outre, un comportement
photolytique différent dans le sol que dans l'eau peu être attendue. En effet, dans de nombreux
cas, les spectres d'absorption et les durées de vie des pesticides et de leurs produits de
dégradation dans le sol sont très différents de leurs propriétés en solution. Par exemple, Sanchez
et al. [5] ont montré que le spectre d'absorption de Methidathion adsorbé sur du sol a été déplacé
54
vers des longueurs d'onde plus grandes que dans l'eau et c’est ce qui a permis sa
photodégradation.
Des techniques analytiques telles que la chromatographie liquide à haute performance
(HPLC/MS) et chromatographie en phase gazeuse (GC/MS) couplées à la spectrométrie de masse
peuvent détecter des pesticides sur du sol à des niveaux très bas (ppb). La procédure de
préparation des échantillons (extraction, purification et processus de préconcentration) est lourde
et prend du temps. Par contre, les méthodes d'analyse de surface ont de nombreux avantages, y
compris la capacité de traiter les échantillons en l’état (« as received »).
Une de ces techniques est celle de la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS).
Elle a été de plus en plus utilisée pour caractériser et quantifier divers contaminants dans des
échantillons environnementaux, comme les minéraux [6], les sols [7-10], feuilles [10] et même
les champignons [11]. Une analyse de surface directe de pesticides dans les sols à SIMS statique
a été proposée par Ingram et al. [10] pour la première fois en 1997. En outre, la quantification des
herbicides polaires à partir de solutions déposées sur des surfaces métalliques a été récemment
signalée [12]. Mais peu d’études ont été consacrées à l’étude de sols imprégnés de pesticides.
Le but de ce travail est d'évaluer le potentiel de la technique TOF-SIMS pour l'analyse
directe (forme solide) de la photodégradation d'échantillon de sols imprégnés de pesticides, en
particulier pour la mesure de la demi-vie des pesticides et de leurs produits de dégradation. La
technique TOF-SIMS étant non destructive dans nos conditions d’analyse (bonne statistique avec
3 à 7.108 ions incidents/cm2) le même échantillon peut être analysé à divers stades du processus
de photodégradation.
Une phase très importante d’une telle étude est d’abord d’obtenir des données sur un
support « neutre » et dans des conditions bien contrôlées : nous avons donc étudié la
photodégradation des pesticides à partir de dépôts en couches minces sur des substrats
d’aluminium, préparés par la technique de spin coating.
La photodégradation a été initiée par un simulateur solaire de type SUNTEST CPS+
(HERAEUS, Hanau, Germany). Cet appareil est constitué essentiellement d’une lampe à arc en
Xenon (puissance 1.1 kW) équipée d’un filtre permettant de simuler le spectre solaire émettant
entre 800 et 290 nm. Ce filtre peut aussi être déplacé permettant ainsi l’étude de l’effet des
radiations UVC (longueurs d’onde <270 nm) sur les échantillons. Ces derniers ont été placés sur
un support métallique dont la température est régulée à 20oC à l’aide d’un système de circulation
d’eau adéquat. Afin de permettre une distribution homogène et uniforme des radiations
lumineuses (UV/Vis), des réflecteurs ont été installés à l’intérieur de la cellule d’irradiation. Un
radiomètre (Bioblock, Illkirch, France Scientific Model CX-365) nous a permis de mesurer un
flux radiant de l’ordre de 75 W m-2 pour une surface d’irradiation de l’ordre de 560 cm2. Ce flux
reste cependant légèrement supérieur à celui du soleil (65 W m-2) dans les meilleures conditions
d’ensoleillement.
Deux échantillons ont été étudiés pour chaque préparation. Chaque échantillon a été
analysé sur plusieurs points et chaque point à plusieurs reprises. Les valeurs présentées sont les
valeurs moyennes de la procédure d’analyse avec des barres d’erreurs qui prennent en
considération l’erreur statistique de mesure et d’ajustement ainsi que la reproductibilité de la
préparation. Les mesures de photodégradation pour le même type d’échantillon ont également été
effectuées à différentes périodes dans le temps (allant sur plusieurs années).
55
2.B. Etude de la photodégradation du Norflurazon.
Le Norflurazon est le pesticide que nous avons étudié le plus en détail. Nous l’avons choisi parmi
d’autres pour des raisons essentiellement pratiques, à savoir un rendement d’émission négative
satisfaisant dans les domaines de concentration utiles à l’analyse [13].
Il est surtout utilisé pour la destruction des mauvaises herbes à larges feuilles qui poussent autour
du coton, dans les aéroports, et divers endroits de passage.
2.B.1. Caractérisation du Norflurazon par ToF-SIMS.
2.B.1.1. Signatures du Norflurazon dans les dépôts et dans le sol imprégné
Coups
Un spectre typique d’émission négative du norflurazon est présenté en figure 2.1
536-
Canal
Figure 2.1. Spectre d’émission négative du Norflurazon obtenu à partir d’un dépôt de 136μg/cm2
sur Mylar aluminisé sous bombardement d’ions Ar3+ de 9 MeV. En insert, la structure chimique
du norflurazon
Le spectre ci-dessus ne montre la présence d’aucun pic caractéristique de l’aluminium du
substrat. Ceci est attribué au dépôt suffisamment épais (voir profondeurs d’émission). Par
conséquent, plusieurs pics du spectre sont clairement attribuées au Norflurazon parmi lesquels :
m/z: 19 (F-), 35 et 37 (Cl-), 66 (CF2O-), 185- (voir l’insert), 302 ([M-H]-), 338 ([M+Cl]-), 536
([2M-CF3-2H]-) et 606 ([2M-H]-).
Les pics repérés par * sont attribués à des contaminants du vide. Nous les retrouvons dans le
spectre d’un sol vierge (figure 2.2). A titre d’exemple, nous pouvons trouver les m/z des séries de
Cn, CnH-, CnH2-. Dans cette série, les pics correspondant à des fragmentations avec un nombre
pair de carbone sont plus intenses que celles avec le nombre impair de carbone. L’émission des
56
Coups
pics caractéristiques de ces séries diminuent avec l’augmentation du nombre de carbone (Le pic
pour n = 12 est à peine détectable). Ces familles de fragmentations sont présentes dans tous les
spectres négatifs des molécules organiques analysées par TOF-SIMS [13, 14], sachant par
ailleurs que 1.15% du sol est composé de matière organique [15].
Canal
Figure 2.2. Emission négative du sol vierge en pastille bombardé par un faisceau d’Ar3+ 9 MeV.
L’analyse élémentaire par la technique PIXE du sol choisi a montré par ailleurs que ce
dernier est principalement composé de silicate d’aluminium avec 4% de sodium, de potassium, de
magnésium et d'oxydes de calcium. Les oxydes de fer ont été trouvés à une teneur de l’ordre de
17% [16]. Quelques pics, du spectre du sol peuvent être attribués au silicate d’aluminium comme
par exemple les m/z 43 (AlO-), 63 (SiO2H3-), 79 ([Si(OH)3]-) [17], 134 ([(Al2O3)O2]-) et 178
([(Al2O3)(AlO2H)O]-). La présence d’autres pics, comme le O-, OH-, CN- et OCN- est dû à une
contamination lors du stockage à l’air des échantillons. L’intensité de l’émission de certains des
ces pics non caractéristiques du pesticide est remarquablement constante et peut être utilisée
comme « marqueur » pour des mesures effectuées à différentes périodes de temps et / ou sous
différentes conditions d'analyse.
Par conséquent, les pics résultants de la famille des fragments Cn- et CnHm- ne seront pas
considérés dans la caractérisation du Norflurazon. Par contre, le fluor et le chlore sont également
présents dans le sol (fig. 2.2). D’après une comparaison entre le spectre négatif du sol vierge et
du sol imprégné avec 5000 ppm de Norflurazon, l’émission de ces pics est plus intense pour le
sol contenant du pesticide. Ainsi, ces 2 pics restent toujours considérés comme pics
caractéristiques du pesticide (fig. 2.3).
La figure 2.4 présente le spectre d’émission négative d’un sol imprégné de Norflurazon à deux
teneurs différentes (5000 et 40000 ppm). Seulement la partie du spectre contenant les pics les
plus caractéristique du Norflurazon est représentée. On notera que le pic correspondant au sol à
m/z 178 ([(Al2O3)(AlO2H)O]-) est moins intense quand la quantité du pesticide est plus
importante dans le sol. Pour cette raison, le Norflurazon à 40000 ppm sera considéré pour l’étude
de la dégradation dans le sol.
57
Coups
Sol vierge
[Norflurazon]sol=5000 ppm
Canal
Figure 2.3. Spectres d’émissions négatives (région à faibles masses) d’un échantillon de sol
vierge et d’un autre imprégné par du Norflurazon à 5000 ppm.
(b)
Coups
[Norflurazon]sol=5000 ppm
[Norflurazon]sol=40000 ppm
Canal
Figure 2.4. Spectres d’émissions négatives (région de masses élevées) d’un échantillon de sol
imprégné par du Norflurazon à deux différentes concentrations (5000 et 40 000 ppm) .
58
Cette figure révèle aussi un résultat extrêmement important. En effet, elle montre qualitativement
d’après les pics observés (au moins dans la gamme 5000 – 40 000 ppm) que les intensités des
fragments m/z 185, 302 ([M-H])- et 338 ([M+Cl]-) sont proportionnelles à la quantité du pesticide
en question.
Bien que cette mesure résulte d’une moyenne sur l’ensemble des grains de sol sur lesquels le
pesticide s’est adsorbé et le faisceau incident a interagi, ce résultat permettra de suivre l’évolution
de ces quantités moyennes déposées.
2.B.1.2. Rendements d'émission à partir de dépôts: profondeur d'émission et
homogénéité des couches.
Rendement (%)
Rendement (%)
Pour que le rendement d'émission soit représentatif du matériau déposé, il est nécessaire
que l'épaisseur moyenne d'une couche mince soit non seulement supérieure à la profondeur
d'émission des ions suivis mais aussi que le taux de recouvrement du dépôt soit suffisant pour
vis-à-vis de ce critère. Ces conditions sont remplies en déterminant expérimentalement
l’épaisseur massique de la couche pour laquelle le rendement d’émission atteint la saturation
comme le montre la figure 2.5. On notera que la mesure de ces épaisseurs massiques a été validée
par analyse PIXE du chlore [18].
Concentration (μg/cm2)
Concentration (μg/cm2)
Figure 2.5. Variation du rendement des fragments du Norflurazon en fonction de l’épaisseur de
la couche déposée sur du Mylar aluminisé
A partir de ces figures on remarquera une première montée assez rapide des rendements
jusqu'à quelques μg/cm2 qui pourraient correspondre à la profondeur d’émission. La saturation
n'est cependant atteinte qu'au-delà de 50 μg/cm2 ce qui semble indiquer une croissance assez
hétérogène, l'émission du substrat restant détectable au-delà des valeurs attendues de la
profondeur d'émission du matériau.
Une épaisseur d’au moins 100 μg/cm2 sera systématiquement adoptée pour toutes les mesures de
photodégradation.
59
2.B.2. Etude de la photodégradation du Norflurazon en couche mince [20]
2.B.2.1. Mise en évidence de pics issus de la photodégradation
Afin de suivre la photodégradation du Norflurazon pur sur couche mince, un dépôt sur du
de l’aluminium poli a été réalisé. Trois heures après le dépôt, un premier spectre a été enregistré
sous les conditions normales de laboratoire (fig. 2.6a) (température et lumière ambiantes). Par la
suite, l’échantillon a subi des irradiations dans le simulateur solaire de différentes durées (1,5 h,
3,5 h et 16 h cumulées) pour lesquelles nous avons pu obtenir le reste des spectres 2b, 2c et 2d
représentés dans la figure 2.6.
Le spectre de la figure 2.6a est considéré comme un spectre typique d’un dépôt de
Norflurazon fraîchement réalisé. Les pics caractéristiques du Norflurazon dans ce spectre sont
ceux décrits dans la section 2.B.1.1. En effet, il n’y pas de différence majeure entre ce spectre et
celui d’un autre dépôt analysé durant une campagne d’analyse précédente (fig. 2.1) sauf que le
précédent dépôt (celui de la figure 2.1) a été analysé 6 h après la préparation de l’échantillon.
Ceci s’est traduit par le fait que l’intensité du pic m/z 536 (désigné par d2 sur la figure 2.6a) est
plus importante que celles des autres pics qui l’entourent. En comparant ce phénomène à celui
des spectres obtenus « après photodégradation » (figure 2.6b, 6c, et 6d), nous pouvons confirmer
que les faibles variations du spectre sur la figure (2.1) au niveau de l’intensité du pic m/z 536 est
probablement due à un phénomène de dégradation naturelle. Ce dernier est lié aux conditions de
température et lumière que l’échantillon a pu subir durant sa préparation. Par conséquent, le
spectre de la figure 2.6a sera considéré comme le point de départ (t0) du processus de la
photodégradation artificielle par le simulateur solaire.
La figure 2.6b révèle aussi que les pics de la série « d » sont distants d’une valeur de m/z
14. Ceci est dû à une perte du CH3- et d’une recombinaison d’un H- pour chaque fragment par
rapport à celui qui est présent à sa droite. Ainsi, la séquence proposée de ces pics est la suivante :
d0: [2M–CF3+2CH3–4H]- qui correspond au fragment m/z 564
d1: [2M–CF3+CH3–3H]- qui correspond au fragment 550
d2: [2M–CF3–2H]- qui correspond au fragment m/z 536
d3: [2M–CF3–CH3–H]- qui correspond au fragment m/z 522
d4: [2M–CF3–2CH3]- qui correspond au fragment m/z 508
60
61
Figure 2.6. Spectres négatifs normalisés au même nombre d’ions incidents du Norflurazon pur
déposé sur Mylar aluminisé et analysé par un faisceau d’Ar3+ 9 MeV après (a) 3 h du dépôt (b)
1.5 h d’irradiation au spectre solaire par « Suntest » (c) 3.5 h et (d) 16 h accumulées
d’irradiation.
Egalement, le spectre de la fig. 2b montre l’apparition de deux autres pics situés autour de
la molécule déprotonée. Ceux-ci sont dus à la formation d’ions issus soit de la recombinaison et
la perte respectivement des fragments CH3- et H-, soit l’inverse. En effet, il s’agit dans ce cas des
phénomènes de méthylation (m/z 317.5 ([M+CH3-H]-)) ou de démythelation (m/z 288.5 [MCH3+H]-) de la molécule de départ (Norflurazon) [19]. D’autre ions, y compris m/z 268 ([M-Cl]-)
sont mois important pour notre étude à cause de leur faible intensité qui décroît rapidement avec
le temps d’exposition.
En addition, l’ion m/z 42 observé dans la zone du spectre à faibles masses, est attribué au
fragment [OCN]- lui-même pouvant être originaire d’un support d’aluminium ou de Mylar
aluminisé vierge. En revanche, il a aussi été démontré que cet ion est présent à des intensités
beaucoup plus importante provenant du Norflurazon lui-même (voir plus loin).
Dans la même zone, d’autres ions sont aussi présents sur le spectre d’émission étudié. Il
s’agit de fragments primaires tels que m/z 24 (C2-) et m/z 25 (C2H-) issus de la fragmentation de
molécules organiques. Leur présence dépend fortement des conditions de préparation
(contamination) et d’analyse (pression sous vide) de l’échantillon. Si ces conditions sont
reproductibles comme il a été établi auparavant [14], ces ions peuvent être considérés comme
indicateurs « ou marqueurs » de reproductibilité de l’analyse.
62
2.B.2.2. Photodégradation par le simulateur solaire en l’absence de la
composante UV.
Il a été montré auparavant (figures. 2a, 2b) que pendant que la décroissance de l’intensité des
ions caractéristiques du Norflurazon ait lieu, de nouveaux ions sont apparus à la suite de
l’irradiation. Les spectres des figures 2c et 2d montrent bien comment l’intensité de ces ions varie
avec le temps d’irradiation. Cependant, nous avons remarqué que l’évolution de l’émission des
fragments de Norflurazon se stabilise plus ou moins au bout d’environ 16 h (fig. 2d). D’après ces
variations bien visibles, trois catégories d’ions négatifs peuvent être adressés selon le temps
d’irradiation subit par l’échantillon :
A- Les ions à rendement quasi-stable. Les liaisons de ces ions ne sont pas affectées par la
photodégradation.
B- Les ions dont le rendement diminue continuellement. Ces ions sont dus à des fragments
présents à t0 mais ils résultent de scissions des liaisons sous photo-irradiation (ou de la
volatilisation de certaines molécules comme le Chlore). Ces ions seront de moins en
moins disponibles.
C- Les ions dont le rendement augmente en passant par un maximum. Ces ions sont dus à de
nouveaux fragments issus de la scission (ou de la fragilisation des liaisons sous photoirradiation). Ainsi leur présence est liée à la dégradation d’autres fragments.
a. Ions à rendement quasi-stable
Figure 2.7. Variation du rendement des ions F-, CF2O- et m/z 26 en fonction du temps
d’irradiation par le dispositif Suntest. Les deux séries de mesures ont été effectuées sur deux
années consécutives (2005-2006).
D’après la figure 2.7, le rapport du nombre d’ions du F-, CF2O- et de m/z 26 (considéré
comme indicateur de reproductibilité) sur le nombre d’ions incidents ne varie presque pas sur
63
deux années consécutives (sauf une légère augmentation après 8 h d’irradiation) par rapport au
temps d’irradiation par le simulateur solaire Suntest.
B- Ions dont le rendement diminue continuellement
La figure 2.8 montre la décroissance du rendement de la molécule déprotonée ([M-H]-) et
des deux fragment Cl- et [M+Cl]- en fonction du temps d’irradiation. Les valeurs, présentées et
issues de deux séries de mesures pendant deux années différentes, témoignent de la
reproductibilité des mesures. On ne fera donc plus de distinction entre les deux séries par la suite.
Cl[M-H][M+Cl]-
10
Rendement (%)
2006
2005
2005
2006
2006
2005
2006
2005
2006
2006
12
2006
2005
On peut aussi noter que la variation du rendement de l’ion Cl- est plus lente que celle de la
molécule déprotonée. Ceci peut être interprété par la production de fragments de la molécule sous
photo-irradiation qui génère des ions chlore. En revanche, la décroissance du rendement de
[M+Cl]- est la plus rapide puisqu’elle dépend de la disponibilité d’une molécule intacte de
Norflurazon et d’un ion chlore.
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.8. Variation du rendement de la molécule déprotonée, du Cl- et du [M+Cl]en fonction du temps d’irradiation par le simulateur solaire.
La décroissance du rendement du fragment de m/z 185 ne peut être interprétée qu’en la
comparant avec la variation du fragment de m/z 42 [OCN]-, les deux étant représentées sur un
seul graphe (fig. 2.9) avec en insert la structure moléculaire et les scissions nécessaires à
l’émission de ces 2 ions.
Comme le montre la figure 2.9, la production du fragment [OCN]- sous bombardement
ionique nécessite la rupture des liaisons covalentes C-C, N-C et N-N représentées par (1), (2) et
(3) sur la structure du Norflurazon. La probabilité de réaliser les trois ruptures simultanément
semble être faible sous faisceau incident (avant l’irradiation par le simulateur solaire). L’émission
64
du fragment 185- est pratiquement constante dans les 4-5 premières heures d’irradiation alors que
l’émission de [OCN]- est croissante. Seule la scission (1) semble être réalisée pendant
l’irradiation par le simulateur solaire puisque le % du rendement du fragment 185- n’est pas
affecté. Ainsi, la production de [OCN]- sous bombardement ionique sera plus probable à partir
des deux scissions (2) et (3).
10
Rendements (%)
8
[OCN]m185-
6
185-
4
N
(+H)
F
N
(3)
F
2
H
N
F
(2)
(1)
Cl
O
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.9. Variation du rendement des deux fragments de m/z 185- et 42- en fonction du temps
d’irradiation par le simulateur solaire. La structure moléculaire et les scissions nécessaires à
l’émission de ces 2 ions est montrée en insert.
Une fois que la production de [M-H]- s’arrête (épuisement du Norflurazon), l’émission de
m/z 185- diminue rapidement alors que celle de [OCN]- augmente jusqu'à saturation (les scissions
(2) et (3) semblent être de plus en plus réalisées par le phénomène de photodégradation).
C- Ions dont le rendement passe pas un maximum
La figure 2.10 illustre la variation du rendement des ions appartenant à deux catégories de
produits de dégradations:
(i)
(ii)
Les deux fragments issus de la méthylation et de la démethylation de la molécule
intacte. Ceux ci ont le comportement d’un produit-fils de la dégradation d’une
molécule mère. L’émission de ces deux fragments passe par le même maxi (~ après 3
h d’irradiation).
Le fragment [M+185]- dont l’émission semble pendre plus de temps pour atteindre un
maximum (~ 5 h d’irradiation) avant de diminuer lentement. En effet, l’émission de ce
fragment est liée à l’émission du fragment de m/z 185- dont l’émission est à son tour
liée au sort du fragment de m/z 42-.
65
2.0
[M-H+CH3]
[M+H-CH3]
[M+185]
-
-
Rendement (%)
1.5
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.10. Variation du rendement des fragments [M-H+CH3]-, [M+H-CH3]- et [M+185]- en
fonction du temps d’irradiation par le simulateur solaire.
Le fragment [2M-CF3-2H]- est le seul fragment à masse élevée que nous ayons pu suivre
durant le processus de la photodégradation. Sur la figure 2.11, nous présentons la variation de ce
rendements en fonction du temps d’irradiation pour deux séries de mesures différentes réalisées
en 2006 et 2007. Il y a un bon accord entre les valeurs des deux séries. Par contre, il est difficile
de les attribuer à un modèle de cinétique donné. En effet, comme nous l’avons signalé
précédemment, ce fragment semble être aussi affecté par la dégradation naturelle du composé. La
cinétique de la dégradation naturelle doit être différente de celle d’un processus bien contrôlé.
0.7
2006
2007
Rendement (%)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.11. Variation du rendement du fragment [2M-CF3-2H]- en fonction du temps
d’irradiation par le simulateur solaire
66
2.B.2.3 .Photodégradation par le simulateur solaire incluant la composante UV
En l’absence de filtre UV l’effet principal observé est l’augmentation de la cinétique de
dégradation.
La comparaison des courbes de dégradation avec et sans composante UV de la molécule
déprotonée et du fragment OCN- ainsi que les nouvelles valeurs du maximum d’émission des
fragments comme les ions [M-H+CH3]- et [M+185]- sont présentées en figures 2.12a et 12b. Ces
courbes montrent clairement que la dégradation après irradiation avec les composants UV est 2 à
3 fois plus rapide que celle pour laquelle les composants UV sont filtrés.
Temps d'irradiation (h) pour [OCN]0
2
4
6
8
10
12
6
Sans UV [OCN]Avec UV [OCN]-
Rendement (%)
5
4
3
2
Sans UV [M-H]Avec UV[M-H]1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Temps d'irradiation (h) pour [M-H]6
Avec UV [M-H+CH 3 ]Sans UV [M-H+CH 3]-
Rendement (%)
5
Avec UV [M+185]Sans UV [M+185] -
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.12. Variation du rendement de (a) la molécule déprotonée [M-H]- et du fragment
[OCN]- et (b) des fragments [M-H+CH3]- et [M+185]- en fonction du temps d’irradiation par le
simulateur solaire avec et sans la composante UV.
67
2.B.2.4. Valeurs des demi-vies (DT50) du Norflurazon et de ses produits.
La façon la plus simple pour déterminer une valeur de DT50 à partir de plusieurs valeurs
expérimentales obtenues est de tracer une courbe de cinétique de dégradation du premier ordre.
12
[M-H][M-H+CH3]10
(a)
Rendement (%)
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Temps d'irradiation (h)
(b)
Figure 2.13. (a) Variation du [M-H]- et du [M-H+CH3]- en fonction du temps d’irradiation avec
les courbes correspondantes à la cinétique du premier ordre. (b) Variation du [M-H]-, [MH+CH3]- et [M+H-CH3]- en fonction du temps d’irradiation avec les courbes correspondantes à
la cinétique du deuxième ordre.
68
La situation idéale peut se présenter si les valeurs expérimentales sont obtenues lors de bonnes
conditions expérimentales et reproductibles, en d’autre termes que les paramètres de dégradation
sont bien contrôlés et que la dégradation étudiée montre clairement la formation de produit de
transformation dont son précurseur est en accord avec la loi de cinétique du premier ordre [21].
Heureusement, la condition citée ci-dessus se présente bien dans notre cas de dégradation du
Norflurazon sous irradiation solaire simulée. En effet, la figure 2.13 montre la variation du
rendement de la molécule déprotonée [M-H]- et de son produit méthylé [M-H+CH3]-. Ceci se
manifeste sur la figure ci-dessous par le tracé de cinétique de dégradation de premier ordre d’une
« molécule-mère » et celui de la formation d’un « produit-fils ». Cependant, les points en
question s’éloignent relativement de la courbe théorique de cinétique du premier ordre à partir de
4 h de temps d’irradiation (cas du [M-H]-). De tel écartement a aussi été remarqué pour le
« produit-fils » mais ceci à des temps d’irradiation plus prolongés. Ces courbes nous ont permis
de déterminer les valeurs des DT50 qui sont de l’ordre de 1.45 h et 3.7 h respectivement pour la
« molécule-mère » et le « produit-fils ».
En revanche, un meilleur accord est obtenu si la cinétique de dégradation du deuxième
ordre est attribuée aux valeurs expérimentales de la molécule déprotonée (figure 2.13b). Dans ce
cas la valeur DT50 trouvée pour [M-H]- est de l’ordre de 1.1 h ± 0.16. Suivant la même approche,
les molécules méthylé et démethylé ont un DT50 de l’ordre de 4.5 h et 3 h respectivement. Bien
que l’amélioration a bien pu se faire en traçant une cinétique du second ordre pour la « moléculemère », cependant les « produits-fils » montrent un comportement comparable à celui révélé si la
cinétique de premier ordre est appliquée, voire l’écartement de la courbe théorique pour des
temps d’irradiation assez longs (figure 2.13b). Ceci indique bien que dans le cas d’un « produitfils » la situation présente un schéma plus complexe.
Autant que la dégradation d’une molécule organique est de plus en plus complexe (due à
une combinaison de plusieurs phénomènes), autant la précision sur la valeur de DT50 devient de
moins en moins bonne. Ceci a été observé avec le fragment de chlore [Cl]- qui a montré une
valeur de DT50 variant entre 2 h et 3.25 h, la plus grande incertitude rencontrée dans cette étude.
La même procédure de calcul (du deuxième ordre) de DT50 a été appliquée pour les
variations de dégradation avec les composants UV. Le tableau ci-dessous présente une
comparaison de ces valeurs à celles trouvées pour les dégradations sans les composants UV.
Tableau 2.1. Valeurs des DT50 des fragments du Norflurazon après dégradation avec et sans
composants UV et rapport de ces valeurs (sans UV/avec UV).
[M-H][M+Cl]Cl[M-H+CH3][M+H-CH3][M+185]-
DT50 en minutes pour les fragments du Norflurazon
après dégradation par le simulateur solaire
Sans UV
Avec UV
Sans UV/ Avec UV
66 ± 10
19.5 ± 5
3.4
36.5 ± 1.5
12 ± 1
3
120-195
50-90
2.2-2.4
246 ± 25
45 ± 5
5.5
165 ± 15
25 ± 3
6.6
720 ± 50
450 ± 30
1.6
69
Le rapport des valeurs de DT50 entre une irradiation avec et sans composant UV
confirme notre estimation (présentée à la section 2.B.3.3) que la dégradation est plus rapide
durant le deuxième cas.
2.B.3. Etude de la photodégradation du Norflurazon imprégné sur un sol [22]
Afin de s’assurer que ni les conditions d’analyse ni les conditions de stockage à l’air
n’interfèrent avec les effets de la photodégradation, une étude de conditionnement des
échantillons sous vide a été réalisée.
En effet, bien que la tension de vapeur du Norflurazon soit inférieure à la pression de la
chambre d'analyse (5.10-4 Pa comparé à 2.8 10-6 Pa) nous nous sommes intéressés aux effets du
stockage sous vide à partir de deux pastilles préparées à 40000 ppm de Norflurazon dans le sol.
Une première pastille étant laissée dans la chambre d'analyse sous vide pour une durée de 60 h,
alors qu’une deuxième a été laissée pendant le même temps à la pression atmosphérique. Les
analyses des spectres ont montré que les pics caractéristiques du Norflurazon sont quasiment
identiques confirmant ainsi l’absence de tout effet relatif au stockage de l’échantillon sous vide
ou à la pression atmosphérique. En revanche, l’intensité des pics non – caractéristiques du
Norflurazon est presque réduite à moitié. Heureusement, ceci n’a eu aucune influence
significative sur nos résultats du fait que le temps typique nécessaire pour une analyse est
seulement de l’ordre de 10 à 15 min (comparé à 60 heures) dans la chambre sous vide. D’autre
part, les mesures effectuées sur des supports vierges (Blanc de sols) sur une période d’un an n’ont
pas montré une évolution significative pour presque la majorité des pics (incluant CN- et Cl-) à
l’exception des ions [F]- et m/z 66 [CF2O]-. Ces derniers ont montré 50% de réduction de leur
émission.
2.B.3.1 Effets de la photoirradiation sur l’émission
Pour l’étude du Norflurazon imprégné sur des échantillons de sol, nous avons choisi de
suivre l’évolution des pics caractéristiques du Norflurazon pur déposé en couche mince sur du
Mylar aluminisé (fig. 2.1) comme il a été observé plus haut : F-, Cl-, CF2O-, 185-, [M-H]- et
[M+Cl]-. En effet, ces fragments étaient les seuls que nous avons pu détecter sur le spectre
d’émission négative du Norflurazon imprégné dans le sol à 40 000 ppm (fig. 2.14). On peut
toutefois remarquer d’après la figure 2.14 que le fluor et le chlore sont présents aussi dans le
spectre du sol. Ceux-ci étant tout de même considérés comme des pics caractéristiques pour les
raisons mentionnées a la section 2.B.1.1.
En addition de la décroissance des émissions des fragments [M-H]-, [M+Cl]- et [Cl]observée lors de la photodégradation du Norflurazon imprégné sur du sol, nous avons également
noté l’apparition de nouveaux pics. Parmi ces nouveaux pics, nous avons uniquement choisit les
fragments [M-H+CH3]- et [M+185]- étant donné qu’ils offrent l’émission la plus élevée dans les
conditions actuelles.
Il reste à signaler qu’un comportement similaire des pics décroissants ([M-H]-, [M+Cl]- et
[Cl]-) a été signalé pour du Norflurazon déposé sur du Mylar aluminisé (voir plus loin).
70
6000
[M-H]-
m26-
Counts
4500
35
Cl-
*8
3000
[M+Cl]185FF-
1500
[OCN]-
[CF2O]-
0
600
800
1000
Channel
2000
2500
3000
3500
Figure 2.14. Spectre de l’émission négative du Norflurazon dans un sol imprégné à 40 000 ppm
2.B.3.2. Evolution du Norflurazon durant la photodégradation par le
simulateur solaire sans les composant d’UV.
En analysant les spectres d’émission des fragments relatifs à l’étude du Norflurazon
imprégné sur du sol en fonction du temps d’irradiation (sans UV), nous avons pu distinguer trois
catégories d’ions :
A- Des ions dont le rendement reste quasi-stable
B- Des ions dont la variation du rendement décroît avec le temps d’irradiation
C- Des ions dont la variation passe par un maximum
A- Ions à rendement quasi-stable
En comparant l’évolution des ions à rendement quasi-stable à celle observée dans le cas
des dépôts (sur support d’aluminium), nous avons pus remarqué que le Fluor a un comportement
assez semblable après une faible croissance du rendement dans les premières heures d’irradiation.
D’autre part, le rendement de CF2O- décroit nettement au bout de 24 h.
71
2.0
1
1.8
2
1
2
2
1
1.6
1
1
2
1
Rendement (%)
1.4
1.2
FCF2O
2
1.0
2
0.8
1
1
2
1
1
0.6
2
2
0.4
1
1
2
0.2
0.0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.15. Variation du rendement de [F]- et de [CF2O]- pour le Norflurazon imprégné dans le
sol en fonction du temps d’irradiation par le simulateur
Les labels 1 et 2 sur le graphe de la figure 2.15 traduisent deux séries de mesures
différentes. La reproductibilité constatée fait qu’on ne distinguera pas les deux séries (1 et 2) par
la suite.
B- Ions à rendement qui décroît constamment
La figure 2.16 illustre la diminution continuelle du rendement de la molécule déprotonée
et des deux fragments [Cl]- et [M+Cl]-. Comme dans le cas précédent, l’évolution du rendement
du [Cl]- est plus lente que celui du [M-H]-.
D’autre part, l’évolution de [M+Cl]- est la plus rapide puisqu’elle est liée à la faible
probabilité d’avoir une molécule de Norflurazon intacte et un ion de chlore libre pour se
recombiner. Cependant ces variations restent beaucoup plus lentes que celles observées en
couches minces. En effet, la valeur de DT50 du [M-H]- est de 4,16 h dans le cas du sol alors
qu’elle est de l’ordre de 1,1 h comparé au cas des couches minces.
Les courbes présentées dans la figure 2.16 sont issues du traitement des valeurs en
appliquant la loi de cinétique de dégradation du second ordre (meilleur accord qu’avec la loi de
cinétique du premier ordre).
72
0.7
Cl[M-H][M+Cl]-
0.6
Rendement (%)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Valeur du rendement du Cl provenant du sol
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.16. Variation du rendement de la molécule déprotonée et des fragments Cl- et [M+Cl]en fonction du temps d’irradiation par le simulateur solaire (La ligne droite indique le rendement
du Cl- provenant du Sol).
C- Ions dont le rendement passe par un maximum
Comme dans le cas de d’étude de la photodégradation du Norflurazon sur couches
minces, il a été observé que la variation du rendement des fragments [M-H+CH3]- et [M+185]- est
typiquement celle d’un produit issu de la dégradation d’une molécule mère (fig. 2.17).
Cependant, l’évolution du fragment [M+185]- paraît plus lente. Ce dernier prend plus de
temps que celui pris le fragment [M-H+CH3]- pour atteindre son maximum. En effet, l’émission
du fragment [M+185]- dépend de la compétition entre la production du fragment à la masse m/z
185- et la dégradation de ce dernier à travers la production du fragment [OCN]-.
D’autre part, la valeur élevée de l’incertitude sur les valeurs trouvées dans le cas du sol ne
permet pas d’obtenir des valeurs de DT50 avec une bonne précision. Ainsi, les valeurs calculées
de DT50 pour ces deux fragments sont de l’ordre de 6 h ± 1 h pour la molécule méthylée et de 20
h ± 4 h pour le fragment [M+185]- (valeurs obtenues en appliquant la loi de cinétique du second
ordre).
73
0.14
[M-H+CH3]- (/5)
[M+185]- (/4)
0.12
Rendement (%)
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.17. Variation du rendement de [M-H+CH3]- et [M+185]- en fonction du temps
d’irradiation par le simulateur solaire. Les courbes sont issues de l’application de la loi de
cinétique du second ordre.
2.B.3.3. Evolution du Norflurazon durant la photodégradation par le
simulateur solaire avec les composants d’UV.
D’après les expériences effectuées sous irradiation UV, il a été observé que la tendance
générale est une cinétique de dégradation plus rapide. Ce résultat est comparable à celui observé
lors des irradiations réalisées de Norflurazon déposés en couches minces.
Dans le cas des pastilles de sol, les valeurs de DT50 de la molécule déprotonée, du
[M+Cl]- et du Cl- ont diminué respectivement d’un facteur de 2,5 ; 2,0 et 3,2 fois par rapport aux
valeurs obtenues lors de la dégradation sans la composante UV.
La figure 2.18 permet la comparaison entre l’irradiation avec et sans la composante UV à
partir de la variation du rendement des fragments [M-H]- et [M-H+CH3]-.
Il a été remarqué que l’effet de l’irradiation avec les composants UV sur le fragment [M
H+CH3]- n’est pas aussi prononcé que dans le cas des couches minces (Fig. 2.12) ; pourtant un
maximum de rendement est atteint plus tôt suivi d’une décroissance (Fig. 2.18). Dans ce cas
particulier, il s’est avéré illogique de déterminer un certain DT50 pour ce fragment du faite qu’à
t0 son émission n’était pas nulle du probablement a des processus naturels non définis.
Il reste à signaler que durant cette expérience sous irradiations UV, les taux de
rendements d’émission des ions [F-] et [CF2O-] sont pratiquement stables.
74
0.6
Sans UV [M-H]Avec UV [M-H]Sans UV[M-H+CH3]-
Rendement (%)
Avec UV [M-H+CH3]-
0.4
0.2
0.0
0
4
8
12
16
Temps d'irradiation (h)
Figure 2.18. Variation du rendement du [M-H+CH3]- et [M-H]- en fonction du temps
d’irradiation par le simulateur solaire avec et sans les composants UV.
2.B.3.4. Comparaison des valeurs des temps de demi-vies (DT50) du
Norflurazon et de ses produits de transformations
Les valeurs des DT50 de la molécule déprotonée [M-H]- et de ses fragments étudiés
([M+Cl]-, [Cl]-, [M-H+CH3]- et [M+185]-) sont présentées dans le tableau ci-dessous ainsi que le
rapport des ces valeurs entre les expériences réalisées avec et sans irradiation UV.
Tableau 2.2. Valeurs des DT50 des fragments du Norflurazon imprégné dans le sol et irradié
avec et sans la composante UV.
DT50 en minutes pour les fragments du Norflurazon en pastille
après dégradation par le simulateur solaire
Sans UV
Avec UV
Sans UV/ Avec UV
[M-H]
250 ± 10
100 ± 4
2,50
[M+Cl]126 ± 10
64 ± 5
2,00
Cl545 ± 50
171 ± 20
3,18
[M-H+CH3]600 ± 60
Non calculé
[M+185]
1200 ± 250
Non calculé
-
75
En comparant les valeurs des DT50 présentées dans ce tableau avec celles du tableau 2.1
(paragraphe 2.B.2.4), nous avons pu remarqué qu’elles sont relativement plus élevées (ce qui
signifie une dégradation plus lente) pour le cas du Norflurazon imprégné dans le sol que celui du
Norflurazon déposé en couches minces.
En plus, sous irradiation sans la composante UV, nous avons pu remarqué que le rapport
des DT50 observé dans le cas des deux matrices étudiées (DT50Sol/DT50Mylar Aluminisé) est de
l’ordre de 3,5 pour la molécule mère (Norflurazon) ainsi que les ions [Cl-] et [M+Cl-]. D’autre
part, ce rapport est moins prononcé (rapport de 2) pour les ions relatifs aux produits de
transformations ([M+CH3]- et [M+185]-) et ceci toujours pour les expériences réalisées sous
irradiations exempte de la composante UV.
Par contre, sous irradiation UV, le rapport (DT50Sol/DT50Mylar Aluminisé) du Norflurazon est
plus important pour atteindre une valeur de l’ordre de 5 confirmant bien une plus faible
dégradation du Norflurazon dans le sol qu’en dépôt même sous irradiation UV.
Les valeurs de demi-vies du Norflurazon que nous avons obtenus avec des échantillons de
sol ne peuvent vraiment pas être comparées d’une façon précise à celles trouvées dans la
littérature. Si nos analyses ont montré un DT50 pour le Norflurazon de l’ordre des jours, d’autres
ont trouvé des DT50 de l’ordre des mois [23-25]. En effet, cette différence tient essentiellement
au fait que nous faisons une analyse de surface pour les premières monocouches du sol les plus
affectée par la photodégradation directe [4]. En revanche, Ying et al [23] ont étudié des
échantillons de sol imprégnés du Norflurazon d’une zone allant jusqu’à 5 cm de profondeur pour
laquelle la dégradation du Norlfurazon est due à plusieurs processus autre que la
photodégradation directe.
76
2.C. Etude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen
L’Oxyfluorfen est un pesticide utilisé en général pour contrôler les mauvaises herbes
autour des légumes et des arbres fruitiers. Nous l’avons choisi lors de cette étude parce qu’il a
montré un rendement d’émission négative satisfaisant dont les caractéristiques sont discutées ci
dessous.
2.C.1. Caractérisation de l’Oxyfluorfen par ToF-SIMS [13]
2.C.1.1. Signatures de l’Oxyfluorfen dans les dépôts et dans le sol imprégné
Un spectre typique d’émission négative de l’Oxyfluorfen est présenté en figure 2.20. La
structure chimique du pesticide en question se trouve en insert.
Figure 2.20. Spectre d’émission négative de l’Oxyfluorfen en couche mince de 140 μg/cm2
déposé sur aluminium, sous bombardement d’un faisceau d’Ar3+ 9 MeV
D’après le spectre d’émission de l’Oxyfluorfen présenté en figure 2.20, nous avons pu
facilement identifié ses ions caractéristiques. En effet, il s’agit des fragments ionisés suivants :
m/z 19 [F-], m/z 35 et 37 [Cl-] et m/z 46 [NO2-] pour les fragments les plus simples. Les
fragments majeurs résultants de la fission de la molécule de part et d’autre de l’atome d’oxygène
central sont : m/z 182- et m/z 195-197 (voir insert figure 2.20). Finalement, nous avons aussi pu
identifier les fragments d’ions associés à la molécule intacte soit : m/z 332 ([M-C2H5]-), 360 ([MH]-), 377 ([M+O]-), 396([M+Cl]-) et 721 ([2M-H]-).
Cependant, afin de pouvoir suivre l’évolution des émissions les plus caractéristiques de
l’Oxyfluorfen durant nos expériences (dans le Sol et sur l’Aluminium), nous avons comparé son
spectre obtenu par dépôt à celui obtenu par imprégnation du sol (figure 2.21). En effet, pour une
77
concentration d’Oxyfluorfen de l’ordre de 40 000 ppm dans le sol, nous avons choisi les pics
relatifs à l’émission négative des fragments suivants : 19 [F-], 35 et 37 [Cl-], 46 [NO2-], 195/197-,
332 ([M-C2H5]-), 360 ([M-H]-). Les autres fragments ionisés ont été écartés à cause des
interférences qui peuvent avoir lieu avec les émissions de fragments provenant du sol. Il s’agit en
effet des ions négatifs suivants : m/z 63-, 79-, 134- et 178-. Ceci a déjà été démontré auparavant
par une analyse d’un sol vierge.
Figure 2. 21. Spectre de l’émission négative de l’Oxyfluorfen imprégné dans du sol à 40 000 ppm
sous bombardement d’un faisceau d’Ar3+ 9 MeV
2.C.1.2. Effet de la pression sous vide, évolution avec le temps et gamme de
détection choisie
Avec une tension de vapeur de l’ordre de 2,7x10-5 Pa, il a été remarqué que l’Oxyfluorfen
n’est pas affecté par les conditions d’analyse (dont la durée est de l’ordre de 10 à 15 min). En
effet, aucune évolution de son spectre d’émission n’a été constatée tant pour l’échantillon pur en
couche mince que celui imprégné dans du sol. Ces échantillons ont subis un conditionnement
dans la chambre sous vide pendant 48 h. Egalement, les spectre d’émission des échantillons
d’Oxyfluorfen ont aussi été étudiés 48 h après leur préparation et stockage à la température
ambiante. Les résultats n’ont montré aucune variation significative.
En ce qui concerne l’aspect physique des échantillons, nous avons remarqué l’apparition
d’une zone hétérogène à la surface d’un échantillon de sol imprégné en Oxyfluorfen et ceci
quatre jours après le dépôt. Les analyses que nous avons entreprises par la suite ont montré que la
concentration de l’Oxyfluorfen est plus importante au centre de la pastille. Toutes les études de
photodégradation d’Oxyfluorfen dans le sol ont été réalisées sur des échantillons pendant les 48 h
qui ont suivies leur préparation.
78
D’autre part, nous avons aussi pu constater d’après l’étude des spectres d’émission de
plusieurs échantillons que le dépôt de l’Oxyfluorfen sur couche mince (support en aluminium
poli) n’a pas montré des rendements tout à fait reproductible. En plus, des rendements d’émission
différents ont été mesurés pour des couches de même épaisseur massique moyenne préparées par
de deux façons différentes : spin coating et séchage des gouttes déposées. Nous rappelons que ces
couches ont toujours été préparées pour une épaisseur moyenne d’au moins 100 μg/cm2, au delà
de la profondeur d’émission du pesticide.
2.C.2. Etude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen en couche mince et
imprégné dans le sol (photo-irradiation sans les composants UV) [22].
Due à la faible reproductibilité de la plupart des échantillons de l’Oxyfluorfen en terme
d’émission, nous avons décidé de présenter les résultats de deux séries d’expérimentations (série
#1 et série # 2) effectuées pendant deux campagnes de mesure différentes. Les différents points
des deux séries ont été, en cas de nécessité, normalisés afin de mieux comprendre l’évolution des
émissions des fragments étudiés.
Une étude détaillée de l’émission des différents ions de l’Oxyfluorfen et de ses fragments
en fonction du temps d’irradiation nous a permis de les classer en trois catégories :
A- Les ions dont le rendement varie peu.
B- Les ions dont le rendement diminue avec l’irradiation.
C- Les ions dont le comportement a été différent d’une série de préparation à l’autre.
Une étude appropriée de ces catégories est présentée ci-dessous.
2.C.2.1. Les ions dont le rendement varie peu avec l’irradiation (Catégorie A)
Comme nous pouvons le constater sur la figure 2.22a, les ions F-, Cl- et CF2O- produits
par ToF-SIMS après irradiation des échantillons d’Oxyfluorfen déposé sur aluminium varient de
peu avec le temps d’irradiation. Une concordance entre les deux séries 1 et 2 est aussi à signaler
sauf pour le Cl- qui montre par contre une convergence de points après deux à trois heures
d’irradiation. Mais ceci n’a pas eu une influence sur la tendance générale de la stabilité des
intensités d’émissions comme dans le cas du Norflurazon en particulier pour l’ion F-. Ceci
montre bien la stabilité de la partie de la molécule comportant le cycle auquel est accroche un
substituant de méthyle trifluoré. Le comportement particulier du Cl- sera discuté ultérieurement.
D’autre part, pour des échantillons d’Oxyfluorfen imprégné dans le sol, nous avons choisi
de suivre uniquement la variation des deux ions F- et Cl-. Les autres ions signalés auparavant ont
été écartés dû à des problèmes de sensibilité mais aussi d’interférences venant de la matrice (sol).
Nous pouvons bien constater d’après la figure 2.22b que les rendements des ions F- et Claugmente légèrement durant les quatre premières heures d’irradiation du sol imprégné puis ils se
stabilisent jusqu'à 24 heures d’irradiation accumulée.
Malgré les points limités de la deuxième série, il n’y a pas de différence de tendance entre
les deux séries pour les deux ions (Cl- et F-).
79
Figure 2.22. Variation du rendement des ions F-, CF2O- et Cl- en fonction du temps d’irradiation
par le simulateur solaire dans (a) les couches minces et (b) le sol imprégné d’Oxyfluorfen
(uniquement pour F- et Cl-). Les courbes sont présentées pour guider l’œil.
80
2.C.2.2. Les ions dont le rendement diminue avec le temps d’irradiation (Catégorie
B)
La variation du rendement de la molécule déprotonée [M-H]- ainsi que du fragment
associé [M+O]- dans le cas du dépôt de l’Oxyfluorfen sur un substrat Aluminium montre une
nette décroissance en fonction du temps d’irradiation (fig. 2.23a). Ce résultat est celui auquel on
s’attend puisqu’il s’agit de fragments liés à la molécule intacte. A partir des courbes associées à
ces deux fragments nous avons pu déterminer les valeurs de demi-vies suivantes : (55 ± 4) min
pour [M-H]- et (85 ± 10) min pour [M+O]-.
Figure 2.23. Variation du rendement de le molécule déprotonée [M-H]- et des fragments [M+O], [NO2]- et [M-C2H5]- du dépôt de l’Oxyfluorfen en fonction du temps d’irradiation
81
Apparemment la probabilité d’avoir une recombinaison entre la molécule intacte et un atome
d’Oxygène est plus élevée que la probabilité d’avoir une molécule intacte. Ceci se manifeste par
la courbe du dessous (figure 2.22a) montrant que [M-H]-disparaît plus rapidement que le
fragment [M+O]-. Il faut toutefois remarquer que ces résultats sont issus d’une seule série (série
2) de mesures pour des raisons de sensitivité.
Nous pouvons aussi toutefois remarquer que pour les mêmes échantillons (Oxyfluorfen sur
Aluminium) les rendements de NO2- et de [M-C2H5]- diminuent avec le temps d’irradiation
(figure 2.23b). En addition, les valeurs entre les deux séries de mesures sont en bon accord
qualitatif. Néanmoins, une différence en intensité d’un facteur 5 et 8 est observé respectivement
pour NO2- et [M-C2H5]-.
Sur la courbe représentant l’évolution du fragment [M-C2H5]-, nous avons pu signalé la
présence d’un plateau dans les deux premières heures d’irradiation. Ceci ne nous a pas empêché
de déterminer la valeur de DT50 de la courbe appropriée mais avec une grande marge
d’incertitude. En effet, la valeur DT50 du fragment [M-C2H5]- est entre 80 et 230 minutes alors
que celle du [NO2]- se trouve entre 45 et 64 minutes.
Dans le cas des échantillons d’Oxyfluorfen imprégnés dans le sol, les valeurs des
intensités d’émission des ions [M+O]- et [M-H]- étaient trop faibles pour des raisons
d’interférences avec l’émission de certains éléments du sol. Ceci est aussi vrai pour des raisons
de sensitivité discutées auparavant. Ceci nous a amené à considérer uniquement l’ion [M-C2H5]afin de tracer un schéma comparatif avec les échantillons d’Oxyfluorfen déposé sur aluminium.
Figure 2.24. Variation du rendement du fragment [M-C2H5]- d’une pastille de sol imprégné par
40000 ppm d’Oxyfluorfen en fonction du temps d’irradiation.
En effet, la figure 2.24 montre encore une fois une divergence entre les valeurs de
rendement d’une série à une autre, surtout dans les premières heures d’irradiation. Au-delà de
82
quatre heures d’irradiation, l’écart semble diminuer ce qui peut être probablement attribué à une
homogénéisation de la surface de l’échantillon avec le temps d’irradiation. Notons toutefois que
ce fragment n’est plus détectable après des heures d’irradiation prolongées.
2.C.2.3. Les ions dont le rendement diffère d’une série à l’autre (Catégorie C).
La différence la plus flagrante entre les deux séries de mesures effectuées sur les dépôts
sur Aluminium de 100 μg/cm2 concerne particulièrement les variations de rendement des deux
fragments complémentaires 182- et 195/197- (figure 2.25).
Figure 2.25. Variation du rendement des fragments 185-, 195/197- et du Cl- en fonction du temps
d’irradiation par le simulateur solaire du dépôt d’Oxyfluorfen pur sur un support Aluminium
pour deux séries de mesure.
Comme le montre la figure 2.25, pour les échantillons de la série 2 les rendements de ces
deux fragments ont des variations quasi-symétriques : un plateau initial dans les deux premières
heures d’irradiation suivi d’une décroissance (croissance) où les courbes se croisent pour
atteindre un autre niveau de stabilité après huit heures d’irradiation.
Un tel comportement n’a pas été observé pour les courbes relatives à la série 1 mais on peut
imaginer par une simple lecture ou extrapolation des courbes en question que ses dernières
peuvent avoir un comportement similaire mais après 10 heures d’irradiation au lieu de 2 h.
Notons aussi que pour cette série les rendements sont de 2 à 3 fois plus faibles.
Nous avons aussi trouvé intéressant de représenter également la variation du rendement
du chlore car il est associé au fragment m/z 195/197.
83
Toutes ces variations que nous venons d’évoquer doivent être cohérentes avec le schéma
général que nous avons proposé pour décrire les effets attendus de la photo-irradiation sur le
rendement des émissions sous l’impact d’un faisceau de bombardement ionique.
Dans notre cas, nous rappelons qu’après 3-4 h de photo-irradiation, la molécule d’Oxyfluorfen ne
présente aucune émission sous bombardement ionique. Ses deux fragments qui lui sont associés
([M-H]- et [M+O]-) décroîtront à zéro.
En effet, pour tenir compte de la différence des rendements entre les séries 1 et 2 des ions Cl-,
[M-C2H5]- mais aussi des fragments m/z 182 et 195/197, d’autres scissions doivent être
considérées.
La figure 2.25 montre que le rendement d’émission de l’ion Cl- est en accord avec celui
du fragment m/z 195/197. En effet, durant la photo-irradiation de la série 2, quand le fragment à
m/z 195/197- décroît brusquement, le rendement du chlore décroît également pour atteindre
rapidement un certain palier de stabilisation. Ceci est attribué à un nouvel apport de Cl- venant du
fragment complémentaire de m/z 195/197 (m/z 182) qui devient plus significatif et par la suite
majoritaire. Ceci peut supporter l’observation du changement du rendement d’émission du Cl- qui
est sans doute relie à un changement de l’environnement chimique du Cl-.
En addition des scissions considérées ci-dessus, nous allons évoquer dans ce qui suit
celles conduisant à la libération de NO2- et C2H5-. En effet, ces dernières doivent diminuer la
probabilité d’émission du fragment 182- sauf si son émission est supportée par la photoirradiation ; ainsi elle sera compensée. De plus, il est intéressant de noter dans le cadre de ce
schéma que la décroissance du fragment [M-C2H5]- est plus lente que celle de NO2- tel qu’il a été
montré dans la figure 2.23 b (série 2). Ce comportement ainsi que le fait que ces rendements
continuent de décroître alors que celui de l’ion m/z 182 croît, est une indication que les scissions
en question sont moins efficaces quand elles ont lieu sur des fragments de la molécule mère
comparés à des scissions établies au sein de la molécule de départ elle-même.
Pour la série 1 (Fig. 2.23b), la décroissance du fragment [M-C2H5]- est plus rapide car l’ion m/z
182 a un rendement beaucoup moins important et par conséquent un faible effet de compensation.
La cause de cette différence dans les rendements d’émission des ions entre les deux séries
1 et 2 n’est pas encore claire. Ainsi, plusieurs questions peuvent se poser, par exemple :
x Pourquoi les intensités d’émission des fragments avant même la photo-irradiation
sont différentes d’une série à une autre?
x Pourquoi l’évolution des fragments complémentaires de la série 2 en fonction du
temps de la photo-irradiation a lieu sur une courte durée avant que soudainement
un changement dans la photo-irradiation induit la rupture de la liaison d’oxygène
reliant les deux noyaux phényls. Dans ce cas la scission de la liaison gauche de
l’oxygène (voir figure 2.25) est-elle devenue privilégiée?
Dans le cas des échantillons de l’Oxyfluorfen imprégné dans le sol, nous avons choisi de
suivre l’évolution du fragment m/z 195/197. En revanche le fragment m/z 182 était écarté pour
des raisons d’interférences avec l’émission d’élément provenant du sol.
84
Figure 2.26. Variation du rendement du fragment 195-/197-de l’Oxyfluorfen imprégné dans le sol
en fonction du temps d’irradiation.
Comme pour le cas du fragment [M-C2H5]- (fig. 2.24), nous avons pu constater une
différence dans les rendements relatifs aux ions m/z 195/197 pendant les quatre premières heures
de photo-irradiation entre les deux séries 1 et 2. Cette observation ne reste plus valable après
quatre heures d’irradiations où les rendements semblent converger.
2.C.3. Etude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen en couche mince et
imprégné dans le sol (photo-irradiation avec la composante UV) [22]
Durant cette étude, nous avons réalisé une seule série de mesures avec un nombre limité
d’échantillons pour les couches minces mais ainsi pour les pastilles de sol imprégnées par de
l’Oxyfluorfen.
Comme nous l’avons déjà montré auparavant, le manque de reproductibilité dans la
préparation des échantillons lors du dépôt de l’Oxyfluorfen en solution sur support (aluminium et
sol) s’est manifesté avec des intensités d’émission non cohérentes pour des échantillons préparés
à l’identique. Des écarts sont apparus même avant de procéder aux irradiations (t = 0). Ceci est
bien visible sur les figures 2.27 à 2.30. Cette différence n’a cependant pas affecté la tendance
générale de la variation de la plupart des fragments choisis.
85
Figure 2.27. Comparaison de la variation du rendement des dépôts de l’Oxyfluorfen en fonction
du temps d’irradiation avec et sans les composants UV
Pour l’Oxyfluorfen en dépôt, la figure 2.27 montre clairement une variation quasiidentique du rendement des deux fragments [OCN]- et [CF2O]- avec ou sans la composante UV.
Par contre, selon les figures 2.28a et 28b, la variation des fragments F- et Cl- pour les dépôts ainsi
que pour le sol imprégné passent plus rapidement par un maximum (à 4 heures d’irradiation)
dans le cas de l’irradiation avec les composants UV. Cependant, sans irradiation UV, les courbes
des échantillons d’Oxyfluorfen en dépôt présentent un léger maximum retardé (variation plus
lente) alors que celles des échantillons d’Oxyfluorfen dans le sol sont pratiquement presque
stable.
86
(a)
Figure 2.28. Comparaison des variations des fragments F- et Cl- en fonction du temps
d’irradiation avec et sans UV dans : a) les dépôts et b) le sol.
87
Il a été remarqué qu’après 1 h d’irradiation sous UV, les rendements des ions dépendants
directement de la présence de la molécule mère [M-H]- et [M+O]- se sont totalement anéantis.
Cependant, nous avons décidé de suivre l’évolution du [M-C2H5]-. En effet, la figure 2.29 illustre
l’effet de la photo-irradiation avec les composants UV sur la variation du fragment [M-C2H5]dans les deux cas de figures : Oxyfluorfen en dépôt (a) et dans le sol (b). On peut constater que
dans le cas (a), le DT50 de l’ion [M-C2H5]- obtenus avec des expériences effectuées sous
irradiation UV diminue plus rapidement (facteur de 2.4) comparé à celles ne subissant pas des
rayons UV.
D’autre part, dans le cas (b), malgré les grands écarts obtenus entre les mesures (mauvaise
statistique), l’effet de l’irradiation de l’échantillon sous UV a fait disparaître le fragment de l’ion
[M-C2H5]- après 4 heures d’irradiation.
(a)
(b)
Figure 2.29. Comparaison des variations du fragment [M-C2H5]- en fonction du temps
d’irradiation avec et sans UV dans : a) les dépôts et b) le sol.
88
Nous avons aussi suivis les fragments m/z 182 et m/z 195/197 lors de cette étude. Mais
comme nous l’avons déjà signalé avant (paragraphe 2.C.2.2), le comportement de ces ions est très
particulier puisqu’il dépend quelque part des conditions de préparation des échantillons mais
aussi des effets d’une potentielle dégradation naturelle de la molécule.
Finalement, en analysant les courbes de la figure 2.30, nous pouvons dire que l’effet de la
photo-irradiation avec les composants UV sur les deux fragments m/z 182- et m/z 195-/197consiste à accentuer soit la dégradation d’un fragment pour qu’il ne soit plus détectable après 8
heures d’irradiation (cas du fragment m/z 182-) soit la variation d’un fragment dont le rendement
passe plus tôt par un maximum (cas du fragment m/z 195-/197-).
(a)
(b)
Figure 2.30. Comparaison des variations du fragment (a) m/z 182- dans les dépôts et du fragment
(b) m/z 195/197- dans le sol et dépôts en fonction du temps d’irradiation avec et sans UV.
89
2.C.4. Valeurs de DT50 [22]
Les valeurs des DT50 calculées avec l’intermédiaire des courbes de cinétiques associées aux
variations des fragments issus des dépôts d’Oxyfluorfen sont présentées dans le tableau cidessous.
Tableau 2.3. Comparaison des valeurs de DT50 des fragments de l’Oxyfluorfen en dépôt de
couche mince sur Aluminium poli après photo-irradiation avec et sans les composants UV
DT50 en minutes pour les fragments d’Oxyfluorfen en dépôt après
dégradation par le simulateur solaire
Sans UV
Avec UV
Sans UV/ Avec UV
[M-H]55 ± 5
30 ± 3
1,8
[M+O]
83 ± 10
48 ± 5
1,8
[M-C2H5]80-230
33± 5
2,4-6,96
[NO2]45-64
74± 5
0,6-0,86
Comme nous pouvons le constater d’après ces valeurs, la dégradation de différents
fragments est plus rapide quand ils sont irradiés avec les composants UV sauf pour [NO2]-.
La plupart de ces fragments n’étaient pas détectables dans le sol imprégné. Mais qualitativement
et d’après la variation d’autres fragments nous pouvons toujours conclure que les composants UV
accentuent la variation de certains fragments (F-, Cl- et 195/197-). Nous estimons qu’ils ne seront
plus détectables après au maximum 24 heures d’irradiation.
Enfin, il faut signaler que d’après la littérature l’Oxyfluorfen se dégrade très lentement
par la lumière quand il est imprégné dans le sol (DT50 de 30 à 70 jours) [26].
90
2.D. Conclusion
Dans ce travail, nous avons démontré que la technique TOF-SIMS est une technique
reproductible et fiable pour l’analyse du Norflurazon dans une matrice hétérogène et complexe
comme le sol. Des données reproductibles) ont été obtenues à partir d’expériences effectuées sur
plusieurs années.
L’originalité de l’étude des pesticides dans le sol avec cette technique est la non destructivité de cette dernière. Le même échantillon est analysé aux différentes phases de sa
photodégradation. Les produits de dégradation seront suivis sans avoir recours à leur extraction
comme pour les techniques chimiques classiques.
L’évolution de l’émission négative des fragments caractéristiques du Norflurazon a été
suivie. Des scissions de la molécule ont été proposées afin d’obtenir ces fragments. Bien sûr, il
est plus facile à céder un ion à un produit de dégradation quand il est identifié séparément (par
extraction) comme pour le produit démethylé. Des manipes complémentaires par extraction
(surtout dans le cas des couches minces) sera utile pour comprendre des processus plus complexe
et d’identifier la décomposition des produits fils séparément de la molécule – mère.
Les valeurs des temps de demi de vie (DT50) ont été extraites en accordant la cinétique
du deuxième ordre sur l’évolution des fragments. Ces valeurs sont 3 à 4 fois plus petites si la
photodégradation a été réalisée avec les composant UV. Elles sont aussi 2 à 3 fois plus petites
dans le cas des couches minces comparant au cas du sol imprégné.
Pour ce dernier cas, le processus de la photodégradation est plutôt présent à la surface
avec un réservoir de molécule intacte de Norflurazon à l’intérieure du sol. Ainsi, une étude par
TOF-SIMS avec une résolution spatiale sera intéressante à réaliser.
L’étude du pesticide Oxyfluorfen par la technique TOF-SIMS était plus compliquée due à
la non reproductibilité des intensités des pics d’un échantillon à un autre préparés dans les mêmes
conditions. En effet, c’était difficile à réaliser une couche assez homogène de ce pesticide sur des
substrats d’Aluminium. Cette difficulté peut être résolue en utilisant la technique d’electrospray.
D’autre part, la sensibilité de détecter ce pesticide dans le sol était faible ainsi ce dernier a
été imprégné par 40000ppm d’Oxyfluorfen. Due à cette concentration élevée, nous avons parfois
confronté une ségrégation et regroupement du pesticide dans un seul endroit. La sensibilité de
détecter ce pesticide dans le sol sera meilleure même avec des concentrations plus faibles si
l’analyse sera faite en utilisant des agrégats comme ions incidents [27].
Cette non reproductibilité des intensités n’a pas affecté sur la tendance des variations des
ions caractéristiques de l’Oxyfluorfen d’où nous avons tiré des DT50 dans le cas des dépôts.
L’effet des composants UV a fait diminuer les valeurs de DT50 de 1,8 fois pour la molécule ([MH]- et [M+O]-). Dans le cas du sol, nous pouvons conclure qualitativement que la présence des
UV accentue la variation des fragments détectés dans le cas du sol (ions à m/z 195/197-). D’autre
part, comme dans le cas du Norflurazon, tous les processus de la photodégradation dans le sol
sont plus retardés que dans le cas des dépôts.
L’intéressant dans l’étude de la photodégradation de l’Oxyfluorfen, comparée au
Norlfurazon, est qu’elle n’a pas généré des produits de dégradation. La molécule de
l’Oxyfluorfen a été dissociée en deux fragments principaux à m/z 182 et 195/197 qui était
présents avant la photo-irradiation. En plus, la variation de ces deux fragments était bien affectée
91
par la qualité des couches analysées (des dépôts et des pastilles du sol); e.g., l’homogénéisation,
processus de cristallisation le cas échéant [13].
Limité dans le cadre de cette thèse à deux cas plus ou moins favorables à l’utilisation de la
technique préconisée, ce type d’études, pour être généralisé, demande des améliorations dans
plusieurs directions.
En ce qui concerne le mécanisme de dégradation de la molécule seule, il parait intéressant de
travailler sur des dépôts de l’ordre de la monocouche pour se rapprocher des conditions réelles où
l’absorption peut être très hétérogène (sites) et les recombinaisons moins systématiques. Même
« passifs » d’autres substrats méritent aussi d’être étudiés.
En ce qui concerne l’imprégnation dans les sols, nous avons conscience que les concentrations
nécessaires aux observations sont élevées et que les situations réelles impliquent nécessairement
des gradiants de concentration à partir de la surface. S’il a été observé que la vitesse de
dégradation des pesticides en phase liquide dépend de leur concentration, peu d’informations sont
disponibles pour la phase solide et il est de toute façon nécessaire d’étendre nos investigations à
des domaines de concentration plus faibles, plus représentatifs de situations concrètes. Dans la
perspective d’une amélioration significative de la sensibilité nous proposons d’une part d’utiliser
des agrégats lourds pour sonder la surface le gain en taux d’émission étant au moins d’un facteur
100 par rapport aux ions atomiques [28] et d’autre part d’utiliser un temps de vol orthogonal OToF qui permet de gagner encore un facteur 100 en cycle utile par rapport au ToF classique.
L’analyse des sols deviendrait alors très intéressante pour l’étude des résidus peu ou non
extractibles. On sait par exemple que l’atrazine peut se retrouver à 50% à l’état de résidus liés
(source de pollution chronique) dans des sols à blé [29]. L’accès à l’étude de tels phénomènes
d’accumulation nous parait également une ouverture importante dans les disciplines déjà citées.
De tels gains de sensibilité pourraient par ailleurs rendre la technique particulièrement
interessante dans l’étude des phases extraites de sols traités en comparant avec les résultats des
techniques du type GC-MS. Des étapes particulièrement lourdes de cette dernière technique
pourraient peut-être être évitées ouvrant ainsi de nouveaux champs d’investigation dans le
domaine de l’agronomie et plus généralement des problèmes environnementaux.
C’est le cas en particulier du rôle de l’état chimique dans la présence de métaux et métaux lourds
(cause d’extractions très lourdes) en partant de matériaux modèles y compris dans le cas de
mélanges.
92
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Fate One Line Summary: Oxyfluorfen. Environmental Fate and Effects Division, US
EPA, Washington, DC.
[27] A. Novikov, M. Caroff, S. Della-Negra, J. Depauw, M. Fallavier, Y. Le Beyec, M.
Pautrat, J.A. Schultz, A. Tempez, A.S. Woods, Rapid Commun. Mass. Spectrom.
19 (2005) 1851.
[28] A. Tempez, J. A. Schultz , S. Della-Negra , J. Depauw et al. Rapid Com. In Mass
Spec. 18 (2004) 371.
[29]
E. Barriuso. Analusis Magazine 1994, M13-M15, 22.
94
95
Chapitre 3
Analyse des médicaments par
IBA et TOF-SIMS
96
97
Analyse des médicaments par IBA et TOF-SIMS
3.A. Introduction
Un médicament est composé de deux sortes de substances [1]:
- Une ou plusieurs molécules actives (principe actif) qui possèdent des propriétés
curatives ou préventives à l’égard des maladies humaines ou animales.
- Plusieurs substances auxiliaires (excipients), autrefois considérés comme inertes,
qui sont des adjuvants2 au principe actif et interviennent dans la formulation assez complexe du
produit final. Ces excipients vont conférer au produit final des qualités de stabilité, forme,
dissolution, goût, couleur et esthétique. Ils jouent également un rôle important dans le contrôle le
temps et du milieu de la libération de la substance active [2].
La Conférence Internationale pour l’Harmonisation (ICH) des conditions techniques
d’enregistrement des produits pharmaceutiques et l’Administration américaine d’Aliments et de
Médicaments (Food and Drug Administration- FDA) valident les conditions du contrôle qualité
des produits pharmaceutiques. Avec enfin, l’existence sur le marché de médicaments non
conformes (malfaçons, contrefaçons et produits dégradés ou totalement périmés) ceci explique la
mise au point des méthodes analytiques très performantes dans ce domaine.
Ainsi la détermination de la concentration du principe actif dans un médicament commercial est
une étape importante et déterminante dans le processus de contrôle des produits pharmaceutiques.
La détermination courante de la concentration d’un ou de plusieurs principes actifs dans des
médicaments solides se fait à l’aide de techniques analytiques éprouvées comme entre autres, la
chromatographie en phase liquide ou gazeuse [3, 4], la spectrophotométrie UV [5], et
l’électrophorèse [6]. L’échantillon doit être à l’état liquide et des processus de purifications et
d’extractions plus ou moins complexes sont alors appliqués. Pour un grand nombre
d’échantillons les procédures de préparation peuvent être lourdes, longues et coûteuses.
La FDA a validé récemment le développement de nouvelles techniques analytiques rapides, non
destructives et robustes de produits à l’état final (analyse directe) et le contrôle qualité non
seulement du produit final mais aussi des produits bruts et intermédiaires.
Des techniques comme la spectroscopie proche Infra-Rouge (NIR) [7], Raman à Transformée de
Fourier (FT-RAMAN) [8], Spectroscopie à Diffusion Ordonnée - Résonance Magnétique
Nucléaire (DOSY-NMR) [9], Spectrométrie de masse par temps de vol (ToF-SIMS) [10],
Emission X sous bombardement de particules (Thick Target-PIXE) et Emission gamma sous
bombardement de particules (PIGE) [11] peuvent remplir les conditions susmentionnées. La
plupart de ces techniques sont en cours de développement, de validation et d’optimisation.
Les techniques d’analyse multi-élémentaire utilisant les faisceaux d’ions accélérés comme
la technique PIXE et la technique PIGE ont été intensivement employées pour la détermination
des éléments légers et lourds dans divers échantillons biologiques et organiques [12, 13].
2
Un adjuvant est une substance qui aide et renforce l'effet pharmacologique d'un principe
actif ou augmente la capacité d'un antigène de stimuler le système immunitaire.
98
Pour que le principe actif du médicament puisse être quantifié il faut alors qu’il contienne au
moins un hétéroatome autre que l’azote et l’oxygène, comme par exemple le soufre, le chlore, le
brome, le fluor…, à partir duquel s’effectuera l’analyse.
La technique PIXE peut être appliquée quand le principe actif contient des hétéroatomes de Z >
11 et la technique PIGE pour la détermination des éléments légers (B, F, Na,…). Ces techniques
n’ont pas seulement l’avantage d’analyser des solides dans leur état final sans manipulation
préalable, mais ce de manière rapide (quelques minutes par échantillons).
De même, sur le plan analytique et validation, les techniques PIXE et PIGE sont connues pour
leur linéarité et leur sélectivité. Reste la question des interférences possibles entre le principe actif
et les excipients s’ils contiennent des molécules ayant le même hétéroatome, avec des
concentrations notables.
Un problème récurrent avec l’analyse élémentaire des échantillons biologiques ou
organiques comme les médicaments par des techniques utilisant des faisceaux d’ions accélérés
avec une intensité dans le domaine du nA est la stabilité de telles matrices thermofragiles sous le
bombardement.
La mise en œuvre de ces techniques sera examinée à travers des cas de complexité croissante, du
cas d’école à celui nécessitant la prise en compte de paramètres divers.
Les cas traités seront dans l’ordre :
i) Médicaments unaires (à un seul principe actif) :
®
- Le Fegenore dont la substance active, Fenofibrate, contient du Cl.
- Le Tiemmonium methyl sulfate® dont la substance active, Tiemonium methyl sulfate,
contient du S.
- Le Fluphenazine® dont la substance active, Fluphenazine dihydrochlorée, contient du F,
S et du Cl - cas également étudié par la technique ToF-SIMS.
- Le Lipitor®, Lipinorm® et Storvas® dont la substance active, Atorvastatin, contient du F
et du Ca.
ii) Médicament binaire à deux principes actifs qui contiennent chacun un ou des
hétéroatomes différents:
®
Le Fludinium dont les deux substances actives, Trifluoperazine dihydrochlorée et
Clidinium bromide, contiennent respectivement (F, S et Cl) et Br.
iii) Médicament binaire dont l’un des principes actifs contient le même hétéroatome que
l’autre :
L’Aldactide® dont les deux substances actives, Spironolactone et Hydrofluméthiazide,
contiennent respectivement S et (S et F).
La technique TOF-SIMS constitue potentiellement une alternative aux techniques PIXE et
PIGE pour l’étude des produits pharmaceutiques en ce sens qu’en identifiant les molécules
présentes et leurs fragments elle supprime la nécessité des hétéroatomes et lève l’interférence sur
leur présence commune dans le(s) principe(s) actif(s) et les excipients.
Cette technique TOF-SIMS est surtout connue dans le domaine pharmaceutique pour
l’imagerie spatiale des constituants [10, 14], son utilisation pour la quantification de principes
actifs restant confinée aux milieux liquides comme l’urine ou le sang [15]. A notre connaissance
99
aucune étude analytique n’a été menée jusqu’ici sur les mélanges complexes que constituent les
poudres compactées des produits pharmaceutiques dans leur état final.
Le potentiel de cette technique TOF-SIMS en vue d’une quantification des principes
actifs de médicaments dans leur état final (ou préparation minimale) de l’échantillon sera estimé
à partir de :
i)
Médicament déjà analysé par PIXE et PIGE:
- Fluphenazine®
ii)
Médicament dont le principe actif ne contient pas un hétéroatome :
- Prednisone® dont la substance active est le Prednisone.
La validation de ces outils analytiques sera établie sur les caractéristiques de validation
classifiées par ICH [16] : la Spécificité, la gamme d’analyse, la linéarité, le nombre d’étalons, la
précision et la limite de détection.
3.B. Résultats et discussion d’analyse de médicaments par les techniques PIXE
et PIGE
Les échantillons ont été bombardés par un faisceau de proton de 3 MeV, d’intensité de l’ordre
de 1 nA et pour charge entre 0.3 et 0.6 μQ (5-10 minutes). Pour évaluer l’effet de dose, chaque
échantillon a été bombardé sur un même point d’impact à plusieurs reprises par la charge
nécessaire pour une analyse (avec une bonne statistique).
Sous ces conditions, la plus part des médicaments ont présenté une très bonne stabilité. Le
taux de l’émission des rayons X et gamma caractéristiques des hétéroatomes en fonction de la
dose, présents dans ces médicaments, est resté pratiquement stable. Sauf que pour le Cl venant de
la partie HCl de la Fluphenazine et de la Trifluoperazine dihydrochlorées. Le taux d’émission de
ses rayons X diminuait avec le temps (étude développée ultérieurement).
Pour étudier l’homogénéité des échantillons et la répétabilité de nos analyses plusieurs point
d’impacts sur un même échantillon ont été analysés. De même deux pastilles du principe actif pur
ont été analysées et quatre à six pastilles du médicament ont été préparées de la façon suivante :
- Deux pastilles ont été préparées de chaque comprimé (ou capsule).
- Deux à trois comprimés (ou capsules) ont été analysés. Tout dépend s’il y avait une
différence entre les masses de ces derniers.
Les résultats seront présentés pour chaque médicament comme valeurs moyennes de tous les
résultats obtenus avec une incertitude calculée selon l’équation suivante :
Incertitud e
( E fit ) 2 ( E stat ) 2 ( S r ) 2 ( E prep ) 2
(eq 3.1)
Avec, Efit est l’erreur d’intégration des pics à suivre.
Estat est l’erreur de statistique.
Sr est l’écart type de la répétabilité.
Eprep est l’erreur due à la préparation des échantillons.
100
3.B.1. Médicaments unaires
3.B.1.1. Quantification du Fenofibrate dans Fegenore® 200mg et Lipanthyl® 200 mg
par la technique PIXE.
Le Fenofibrate, dont la formule semi-développée est présentée sur la figure 3.1, est
principalement utilisé dans les médicaments pour réduire le taux de cholestérol chez les patients à
risque de maladie cardio-vasculaire.
Figure 3.1. Structure moléculaire de Fenofibrate
Le Cl de ce principe actif est un hétéroatome qui n’est pas présent dans les excipients.
La figure 3.2 présente le spectre PIXE de l’étalon externe (Fenofibrate pur) comparés aux deux
médicaments, Fegenore® et Lipanthyl®. La quantification du Fenofibrate sera faite via la
quantification du Chlore à partir des raies KĮ et Kȕ visibles sur le spectre PIXE.
5000
KD Cl
Coups/PC
4000
Fenofibrate pur
Fegenore medicament
Lipanthyl medicament
3000
2000
KE Cl
1000
0
60
80
100
120
140
Canal
Figure 3.2. le spectre PIXE de 3 échantillons épais obtenu en bombardant la cible par des
protons de 3 MeV avec une intensité de ~ 1 nA et une durée d’analyse de ~ 5 minutes :
Fenofibrate pur, Fegenore® 200 mg et Lipanthyl® 100 mg.
101
En ce qui concerne la stabilité de ce médicament sous bombardement ionique, nous observons
que le taux d’émission des rayons X du chlore est stable dans les conditions d’analyse
habituelles. Cette stabilité s’explique par la forte liaison du Cl dans la structure de la molécule
La concentration de ce principe actif dans Fegenore® et Lipanthyl® est respectivement de
56% et 70%. Ces valeurs, considérées comme élevées, vont permettre une quantification par
simple comparaison à l’étalon externe. En effet 70% de la matrice des médicaments est du
Fenofibrate pur et les excipients sont surtout composés de carbone, hydrogène et oxygène. A titre
de confirmation, la composition élémentaire de l’étalon et des médicaments a été mesurée par la
technique RBS. Les résultats, présentés dans le tableau 3.1, montrent une grande similarité entre
la composition du standard et la composition du médicament Fegenore®, à l’exception de la
présence du sodium dans le médicament provenant des excipients.
Tableau 3.1. Comparaison de la composition élémentaire théorique (t) et mesurée (m) du
Fenofibrate pur et celle du Fenegore® mesurée par la technique RBS.
Ct
Fenofibrate 66.6
pur
Fegenore® ---
Composition élémentaire (%)
Cm
Ht
Hm
Ot
Om
Clt
65.2 5.8 6.1
17.7 18
9.85
Clm Nat
10.7 ---
Nam
---
67.2
6.2
2.1
---
8.6
---
15.9 ---
---
Ainsi l’analyse quantitative sera faite par l’application de la formule suivante :
m p.a
mmed u
Ymed
Yetalon
(eq. 3.2)
m p.a est la masse du principe actif à déterminer
m med est la masse totale du médicament analysé
Ymed est le nombre de coups des rayons X de l’hétéroatome en question par unité de charge
durant l’analyse de l’échantillon.
Ystd est le nombre de coups des rayons X de l’hétéroatome en question par unité de charge durant
l’analyse de l’étalon externe.
Le tableau ci dessous présente les résultats des concentrations du Fenofibrate déterminés par
PIXE, via la quantification du chlore, dans les deux médicaments analysés.
Masse en mg de Fenofibrate
Affichée
200
Fegenore®
®
200
Lipitor
Calculée
200 ± 4
206 ± 8
Tableau 3.2. Comparaison des résultats obtenus par quantification directe du Fenofibrate via la
quantification du Cl par la technique PIXE.
La masse du Fenofibrate déterminée expérimentalement par quantification directe,
présentée dans le tableau 3.1, est en parfait accord avec les masses affichées par les producteurs.
L’écart ne dépasse pas 4% dans le pire des cas.
102
La quantification du Fenofibrate dans Fegenore® 200 mg et Lipanthyl® 100 mg par PIXE peut
être considérée comme le cas le plus idéal pour une telle technique. Ceci est dû à :
1- la stabilité thermique sous faisceau des médicaments.
2- Le pourcentage élevé du principe actif dans les médicaments qui nous a servi à la
quantification directe et rapide (quelques minutes) et des valeurs exactes à < 4%
près.
3.B.1.2 Quantification du Tiemonium methyl sulfate dans Timozin® 50 mg par la
technique PIXE.
Le Tiemonium methyl sulfate, dont la structure semi-développée est présentée sur la
figure 3.3, est un antispasmodique utilisé pour traiter les douleurs spasmodiques digestives,
urinaires ou gynécologiques.
S
O
HO
+
N
H 3C
O
-O
S
OCH3
O
Figure 3.3. Structure moléculaire du Tiemonium methyl sulfate
Le principe actif contient du soufre et représente 16% de la masse totale du médicament.
Le principe actif pur a été utilisé comme étalon externe.
Comme le montre le tableau 3.4 une quantification directe de la masse du principe actif
dans le médicament via la quantification du soufre par PIXE donne un résultat 20% plus élevé
que la valeur donnée par le producteur alors que les excipients ne contiennent pas de soufre.
Une analyse RBS a été faite pour déterminer la composition élémentaire du principe actif pur et
du médicament. Le tableau 3.3 montre le bon accord entre la composition théorique du principe
actif pur et mesurée par la technique RBS (Figure 3.4). En outre, il montre une différence, entre
les compositions élémentaires du médicament et du principe actif, qui est surtout au niveau de
l’oxygène et du soufre.
Tableau 3.3. Comparaison de la composition élémentaire théorique (t) et mesurée (m) du
Tiemonium methyl sulfate pur et celle du Timozin® mesurées par la technique RBS.
Ct
53.15
®
--Timozin
Etalon
Composition élémentaire (%)
Cm
Ht Hm
Nt
Nm Ot
Om
St
Sm
53.7 6.3
8
3.26
4 22.3 19.49 14.92 14.6
56.4 --8.5
--4
--27
--4
Cette différence dans la composition de matrice engendre non seulement une différence
sur les pouvoirs d’arrêts des ions incidents dans les deux matrices mais aussi une différence dans
103
la section efficace d’émission des raies X caractéristiques du soufre entre l’étalon et le
médicament.
En effet, l’énergie du KĮ du soufre étant relativement faible (2,3 keV), les écarts sur la
composition en oxygène et soufre peuvent expliquer une forte auto-absorption. Ceci le montre les
résultats calculés par le code de simulation GUPIX qui tient en considération la variation du
pouvoir d’arrêt des particules dans l’épaisseur analysable ainsi que de l’autoabsorption des
rayons X, en particulier en tenant compte de la présence d’éléments légers (C, O) dans la matrice.
Figure 3.4. Spectre expérimental du Tiemonium methyl sulfate pur bombardé par un faisceau
d’H+ 2 MeV, 7 μC et spectre simulé par le code SIMNRA
Timozin®
50
Masse en mg du Tiemonium methyl sulfate
Analyse directe selon (eq.3.2)
Analyse selon le code Gupix
60 ± 1.2
48.7 ± 1.1
Tableau 3.4. Comparaison entre la masse annoncée du principe actif dans Timozin® et mesurée
par analyse directe et par analyse avec correction de matrice.
L’analyse de ce principe actif peut être considéré comme un cas favorable et simple ainsi
que rapide. En effet, l’utilisation du code de simulation GUPIX est simple et aboutit à des
résultats à moins de 4 % d’écart de la valeur annoncée.
104
3.B.1.3 Quantification du Fluphenazine dihydrochloré dans le médicament
Fluphenazine® 5mg par les techniques PIXE et PIGE.
La Fluphenazine, dont la formule semi-développée est présentée sur la figure 3.5, est un
médicament antipsychotique typique utilisé pour le traitement des psychoses comme la
schizophrénie et les phases maniaques aigus du trouble bipolaire.
Figure 3.5. Structure moléculaire du Fluphenazine dihydrochloré
Ce principe actif contient 3 hétéroatomes ; F, S et Cl. La concentration de ce principe actif est
considéré comme faible dans le médicament à analyser (~ 1.56 %). La liste et le pourcentage des
excipients nous a été donné confidentiellement par le producteur de ce médicament.
L’intérêt de la détermination de la stabilité de ce médicament tient au fait que l’acide
chlorhydrique est lié par des liaisons faibles à la formulation. Pour évaluer l’effet de la dose
d’irradiation sur cette stabilité, nous avons accumulé sur chaque échantillon des doses de l’ordre
de 0.5 à 1 μQ (8-15 minutes) par un faisceau de proton de 3 MeV et d’intensité de l’ordre de 1
nA .
Au cours de l’irradiation le taux d’émission des rayons X du soufre et des gammas
caractéristiques du fluor est resté pratiquement stable alors que celui des rayons X
caractéristiques du Cl a décru. Par conséquent, le chlore ne sera pas considéré pour la
quantification du principe actif. (Une étude détaillée sur ce sujet est présentée dans la section
3.B.2.1).
La quantification de ce principe actif par PIGE se fait via le rayon gamma de 197 keV émis par la
réaction nucléaire 19F(p, p'Ȗ)19F. Comme nous l’avons expliqué au chapitre I, l’émission gamma à
197 keV est considérée pour la quantification du fluor car sa section efficace d’émission est assez
élevée, et elle permet une identification spécifique sans interférence avec d’autres éléments [15].
Les spectres gamma présentés sur la figure 3.6 sont pour le médicament (b) et le principe actif
pur (a). L’émission gamma à 440 keV, présent dans le spectre PIGE du médicament, est
caractéristique du soufre. L’origine de ce dernier est l’excipient lauryl sulfate de sodium (SLS) et
glycolate d'amidon sodique qui entrent dans la formulation de ce médicament. Le pic de 511 keV
est le pic d’échappement électronique due à la dématérialisation des photons dans la partie
surfacique du détecteur (HPGe).
La quantification de ce principe actif par PIXE à partir du soufre doit tenir compte du fait que ce
dernier est présent dans le principe actif et dans le SLS à des teneurs comparables. Pour séparer
les contributions nous avons utilisé un échantillon de mélange d’excipients (fourni par le
producteur) afin de soustraire la quantité correspondante du soufre total.
105
Figure 3.6. Spectres PIXE et PIGE du a) Fluphenazine pur et b) médicament.
La présence de bore dans le spectre PIGE indique une faible contamination de la surface
provenant de l’acide borique utilisé comme liant externe dans la préparation des échantillons.
Les concentrations de Ca et de Fe correspondant aux pics observés dans le spectre PIXE du
médicament se trouvent dans la gamme des traces et résultent du processus de fabrication. Nous
noterons également qu’un filtre de Kapton de 131 μm a été mis devant le détecteur Si (Li). Ce
filtre atténue d’avantage les rayons X de S que ceux du Ca et du Fe. C’est la raison pour laquelle
l’émission X de ces deux derniers apparaît comparable à celle du S alors que Ca et Fe sont à l’état
de traces.
106
Le tableau 3.5 présente les résultats de la quantification directe et avec correction de matrice
(code GUPIX) de la masse du principe actif :
Masse en mg du principe actif dans Fluphenazine®
Quantification directe (eq.3.2)
Quantification par GUPIX code
Affichée
Mesurée
Affichée
Mesurée
5
5.2 ± 0.2
5
--F (PIGE)
5
4.5* ± 0.6
5
4.7* ± 0.5
S (PIXE)
*après soustraction du soufre provenant des excipients.
Tableau 3.5. Comparaison des résultats obtenus par la quantification directe et via le code
GUPIX du médicament Fluphenazine.
Malgré la faible concentration du principe actif dans le médicament la composition
élémentaire de ce dernier peut être considérée comme très proche de celle du principe actif pur.
L’accord entre la valeur obtenue à partir de l’analyse du fluor et la valeur affichée est excellent
Les valeurs obtenues à partir du soufre par quantification directe et par le code GUPIX montrent
également un bon accord. L’écart de 6 à 10% des valeurs obtenues par les deux méthodes de
quantification à partir du soufre est essentiellement dû à la soustraction du soufre provenant des
excipients.
L’analyse de ce médicament par TOF-SIMS (développée ultérieurement) fait l’objet
d’une collaboration avec le producteur qui nous a fournit le mélange des excipients de ce
médicament et des médicaments « étalons » à différents dosages entourant la valeur
commercialisée (5 mg). Ces étalons ont été analysés par PIXE et PIGE pour valider leurs valeurs
affichées.
La comparaison entre les valeurs mesurées et affichées est représentée dans le tableau cidessous :
Tableau 3.6. Valeur affichée et mesurée de la masse du Fluphenazine dans les étalons préparés
par le producteur.
Masse en mg du Fluphenazine dans les médicaments étalons
Etalons à 4 % de fluphenazine®
Etalons à 2.5 % de fluphenazine®
Etalons à 1 % de fluphenazine®
Quantification directe via le fluor par la technique PIGE
Affichée
Mesurée
12.60
12.40 ± 0.24
7.88
7.90 ± 0.24
3.15
3.38 ± 0.30
La limite de détection (LOD) du fluor est de 40 ppm. Par conséquent, la LOD du médicament
Fluphenazine® 5 mg est de 0.11 mg.
107
3.B.1.2. Quantification du Atorvastatin dans Lipinorm® 10 mg, Lipitor® 10 mg et
Storvas® 10 mg par la technique PIGE
L’atorvastatin, dont la formule semi développée est présentée sur la figure 3.7 est utilisé
en cas d’hypocholestérolémie (taux plasmatique de cholestérol trop élevé).
Figure 3.7. Structure moléculaire de l’Atorvastatin
®
L’Atorvastatin a deux hétéroatomes, F et Ca. Les médicaments analysés, Lipinorm ,
®
®
Lipitor et Storvas , ont une concentration en Atorvastatin relativement faible (~ 6,5 % en
masse). Les excipients des médicaments analysés sont composés de carbonate de calcium, cire de
candelilla, croscarmellose de sodium, hydroxypropyl cellulose, lactose monohydraté, stéarate de
magnésium, cellulose microcrystalline, hypromellose, polyéthylène glycol, talc, dioxyde de
titane, polysorbate 80 et émulsion de siméthicone.
La quantification d’Atorvastatin dans les médicaments est faite à partir du fluor. Ce
dernier a été détecté en suivant l’émission gamma à 197 keV (voir figure 3.8)
Le calcium n’a pas été retenu en raison de la présence de carbonate de calcium à un taux élevé
dans les excipients (voir figure 3.9).
En se basant sur la détermination relative (quantification directe) de la concentration du
fluor dans les échantillons analysés par rapport à l’étalon externe, la quantification de
l’Atorvastatin dans les trois formulations a montré un écart significatif entre les valeurs
déterminés expérimentalement et les valeurs affichées par chaque formulation (20 à 25%). A titre
d’exemple, la masse de l’Atorvastatin calculée dans le Storvas® était mesurée à 12,5 mg contre
10 mg déclarée par le producteur de cette formulation.
Cet écart peut venir d’une différence significative entre la composition élémentaire du
standard et de celles des médicaments analysés.
Une analyse RBS a été faite pour déterminer la composition élémentaire du principe actif
pur et des 3 formulations. Sur la figure 3.8 nous présentons les spectres RBS du médicament
Lipitor® et Atorvastatin.
108
109
10
B (429 keV)
511 keV
1010
Na (440 keV)
1011
F (197 keV)
F (110 keV)
1012
8
(d)
Coups
107
106
(c)
105
104
(b)
103
102
(a)
101
100
100
200
300
400
500
Canal
Figure 3.8. Spectres PIGE du (a) Atorvastatin (b) Lipitor® (c) Lipinorm® et (d) Storvas®.
Le pic de Na provient des excipients. La présence du Bore dans les spectres résulte d’une
contamination de la surface par l’acide borique durant la préparation des échantillons.
4000
C
Atorvastatin
Lipitor medicament
Coups/PC
3000
2000
O
1000
N
Ca
F
0
1300
1400
1500
Canal
1600
1700
1800
Figure 3.9. Spectres RBS du Atorvastatin pur et du médicament Lipitor® en utilisant un faisceau
de proton de 2 MeV.
109
Le tableau 3.7 montre un parfait accord entre les valeurs théoriques et mesurées de la
composition du principe actif pur. Il confirme aussi la différence de matrice entre le médicament
et son principe actif.
Atorvastatin
Lipitor®
Ct
68.61
---
Cm
69.42
40.33
Ht
5.93
---
Composition élémentaire (%)
Hm
Ft
Fm
Nt
Nm
6.00 3.29 3.29 4.85 4.78
6.76
--0.25
--4.16
Ot
13.85
---
Om
12.82
35.60
Cat
3.47
---
Tableau 3.7. Comparaison de la composition élémentaire théorique (t) et mesurée (m) du
®
Atorvstatin pur et celle du Lipitor mesurées par la technique RBS.
Le médicament Lipitor®, comparé au Atrovastatin pur, est plus riche en oxygène mais
plus déficitaire en carbone. Ce tableau montre également un taux élevé de calcium dans le
médicament qui parvient plutôt du carbonate de calcium que du Atorvastatin.
Avec une telle différence de matrice la quantification d’Atorvastatin ne sera correcte que si les
variations de pouvoir d’arrêt sont prises en considération. Ainsi avec cette nouvelle approche,
l’analyse quantitative sera faite par l’application de la formule de l’équation suivante :
m p.a
S ( E 1 ) med
Ymed
2
u
mmed u
Yetalon S ( E 1 ) etalon
2
(eq 3.3)
Avec
mp.a est la masse du principe actif à trouver.
mmed est la masse du médicament analysé
Ymed : est le nombre de rayons Ȗ/μC spécifique du F à 197 keV détectés durant l’analyse du
médicament à analyser.
Yetalon : est le nombre de rayons Ȗ/μC spécifique du F à 197 keV détectés durant l’analyse de
l’étalon.
Smed (E1/2) est le pouvoir d’arrêt des particules incidentes à l’E1/2 du médicament.
Setalon (E1/2) est le pouvoir d’arrêt des particules incidentes à l’E1/2 de l’étalon.
E½ est une énergie moyenne déterminée expérimentalement via la fonction d’excitation du
gamma de 197 keV du fluor.
Pour déterminer E½, nous avons tracé la fonction d’excitation du gamma de 197 keV à partir d’un
échantillon contenant du fluor (dans ce cas, du pur Atorvastatin) par pas de 50 keV depuis
l’énergie d’analyse (ici E0 = 3 MeV) jusqu’au la plus petite énergie pour laquelle il y a une
émission de gamma 197 keV (Figure 3.10). Si Y0 est le nombre de gamma de 197 keV
détectés/PC en bombardant la cible par un faisceau d’énergie à E0, E1/2 sera déterminée
graphiquement, via la fonction d’excitation, comme étant l’énergie avec laquelle on aura Y =
Y0/2.
L’énergie E1/2 est ici de ~ 2525 keV.
110
Cam
3.69
12.90
9000
8000
Fonction d'excitation de l'EJ 197 keV
Y0
E0
7000
Coups/uC
6000
5000
4000
Y1/2
3000
2000
1000
E1/2
0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000
Energie incidente
Figure 3.10. Fonction d’excitation de l’énergie gamma 197 keV du fluor obtenue à partir du
principe actif pur (Atorvastatin).
Les pouvoirs d’arrêt élémentaires S(i) pour E ½ qui ont été extraits du livre « Handbook of
Modern Ion Beam Materials Analysis » [17] sont calculés d’après la loi additive de Bragg.
Ainsi Smed (E ½ ) et Sstd (E ½ ) seront déterminés en utilisant la composition élémentaire des
éléments majeurs, déjà déterminée par RBS, respectivement pour le médicament et pour le
principe actif pur. Par conséquent, le rapport des pouvoirs d’arrêt médicaments / principe actif
pur est de l’ordre de 0,90.
Malgré la correction du pouvoir d’arrêt, la quantification du fluor, par PIGE dans les trois
formulations contenant l’Atorvastatin, montre toujours un écart de ~ 10 % par rapport aux valeurs
théoriques (délivrées par les producteurs des formulations). Cet écart ne peut pas être expliqué
par la différence entre les coefficients d’absorption du gamma de 197 keV dans l’étalon et dans
les échantillons analysés comme dans le cas du Tiemonium methyl sulfate. En effet, vu l’énergie
élevée du gamma utilisé et vu la faible épaisseur analysable (quelques dizaines de micromètres)
l’autoabsorption peut être totalement négligée.
Une analyse supplémentaire, utilisant une technique chimique classique et appropriée est
apparue nécessaire pour s’assurer de la concentration théorique de l’Atorvastatin dans les trois
médicaments analysés. La spectrophotométrie d’absorption dans l’UV a été utilisée. Les résultats
obtenus par cette technique sont en accord avec les résultats obtenus par PIGE après correction de
la matrice et par conséquence la masse de l’Atorvastatin dans les trois formulations analysées est
de ~ 10% de plus par rapport aux valeurs fournies par les producteurs de ces trois médicaments.
Le tableau 3.8 récapitule les résultats obtenus par la technique PIGE avec et sans
correction de la matrice et par la spectrophotométrie UV.
111
Storvas® 10 mg
Lipitor® 10 mg
Lipinor® 10 mg
Masse en mg de l’Atorvastatin
Analyse PIGE
Analyse PIGE avec
directe (eq.3.2)
Correction de Matrice
12.5 ± 0.3
11.2 ± 0.3
11.9 ± 0.3
11.0 ± 0.3
12.1 ± 0.2
11.0 ± 0.3
UV visible
10.9 ± 0.4
10.8 ± 0.2
11.0 ± 0.1
Tableau 3.8. Comparaison entre les valeurs obtenues par analyse PIGE directe, par analyse
PIGE avec correction de matrice et par la technique UV visible des trois médicaments
contenants de l’Atorvastatin.
La précision des mesures pour les 2 techniques (PIGE et UV) est très bonne (écart < 3%).
Mais l’avantage de la technique PIGE est la rapidité (Analyse PIGE et RBS pourront se faire
simultanément) si l’on tient compte du temps nécessaire à l’étape de préparations des échantillons
pour la technique UV visible (passage en phase liquide, courbe d’étalonnage, …).
112
3.B.2. Médicaments binaires
3.B.2.1. Quantification de la Trifluoperazine dihydrochlorée et du Clidinium
®
bromide dans le Fludinium 1/2.5 mg par les techniques PIXE et PIGE.
Le Clidinium bromide est un principe actif qui diminue l’acidité de l’estomac pour
réduire les douleurs provenant de crampes abdominales ou de l’estomac. Il est souvent prescrit en
combinaison avec un antipsychotique comme la Trifluoperazine.
Figure 3.11. Structure moléculaire du Clidinium bromide
et de la Trifluoperazine dihydrochlorée.
Les deux principes actifs peuvent être détectés simultanément par la technique PIXE via
le soufre ou le chlore pour la trifluoperazine et via le Brome pour le Clidinium bromide. De
même, la technique PIGE peut être utilisée pour détecter le Trifluoperazine via le fluor.
L’analyse de ce médicament par les méthodes d’analyse par faisceaux d’ions accélérés
fait l’objet d’une collaboration avec son producteur qui nous a fournit le médicament avec
différents dosages et le mélange d’excipients qui sert à sa formulation.
Les 2 principes actifs purs ont été analysés ainsi que le médicament Fludinium® et deux
médicaments étalons préparés par le producteur à 3 mg / 7.5 mg et à 5 mg / 12.5 mg de
Trifluoperazine et Clidinium bromide respectivement. Les échantillons, qui sont décrits au
dessous, ont été préparés dans notre laboratoire:
1- 50% Clidinium bromide, 50% Trifluoperazine
(Issu d’un mélange de masses appropriées des deux principes actifs)
2- 40% Clidinium bromide, 40% Trifluoperazine, 20% excipients
(Issu d’un mélange de masses appropriées des deux principes actifs avec les excipients)
3- 25% Clidinium bromide, 25% Trifluoperazine, 50% excipients.
(Issu d’un mélange de masses appropriées des deux principes actifs avec les excipients)
4-.12.2% Clidinium bromide, 4.9% Trifluoperazine, 82.9% excipients.
(Issu d’un mélange de masses appropriées du médicament et des deux principes actifs)
5- 7.9% Clidinium bromide, 2.6% Trifluoperazine, 89.5% excipients.
(Issu d’un mélange de masses appropriées du médicament et des deux principes actifs)
3.B.2.1.1. Etude de la stabilité sous bombardement ionique
Compte tenu de la forme dihydrochlorée de la Trifluoperazine une étude systématique de
la dégradation d’échantillons avec différents pourcentages en excipients a été effectuée. Toujours
pour des conditions d’analyse standard (protons de 3 MeV, 1 nA, 0.6-1.3 μC), les échantillons
analysés ont montré une bonne stabilité sous bombardement ionique. Le nombre des rayons
gamma (F) et des rayons X (S, Br) détectés par unité de charge était pratiquement stable et ceci
113
pour des échantillons contenant des concentrations allant de 0% d’excipient (50% de chaque
principe actif) jusqu'à 90% d’excipient (5% de chaque principe actif). Pour l’échantillon à 0%
d’excipient nous avons remarqué une perte de ~ 35% du chlore pendant l’analyse. Cette perte
diminue jusqu'à ~ 24% pour l’échantillon contenant 20% d’excipient. Tout se passe comme si
l’excipient jouait le rôle d’un diluant et épargnait la dégradation thermique partielle de
l’échantillon via la perte du chlore.
Mais la quantification du Trifluoperazine via le chlore reste donc sujette à caution et ne sera pas
considérée dans ce qui suit pour la quantification de son principe actif dans le Fludinium.
3.B.2.1.2. Quantification directe des deux principes actifs du Fludinium®
Sur la figure 3.11 nous présentons le spectre PIXE de l’échantillon préparé dans notre
laboratoire à 25% de Clidinium Bromide, 25% Trifluoperazine hydrochloré et 50% excipients.
Ce résultat a été obtenu pour un faisceau de proton de 3 MeV avec I ~ 1 nA et 0.5 μC de charge
collectée. Afin de pouvoir détecter l’émission LĮ du Brome qui a une énergie plus faible que
celle du soufre, un « funny filter » [18] d’Aluminium, d’épaisseur 250 μm et d’un trou de surface
0.295% de la surface active du détecteur, a été placé devant le détecteur.
10000
BrKD
Coups
1000
SKD
BrLD
BrKE
ClKD
100
10
100
200
Canal
300
400
Figure 3. 12. Spectre PIXE de l’échantillon à 25% de Clidinium Bromide, 25% Trifluoperazine
dihydrochlorée et 50% excipients.
114
Valeur calculee par Q.D /theorique
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
F (EJ=197 keV)
Br (KD 11.9 keV)
0.7
S (KD 2.3 keV)
Br (LD 1.48 keV)
0.6
0
20
40
% excipients60
80
100
Figure 3.13. Variation du rapport entre la concentration mesurée par quantification directe
(Q.D) et la concentration théorique du F, S et Br en fonction de la concentration de l’excipient
La figure 3.13 présente le rapport entre la concentration obtenue par simple comparaison avec les
standards externes utilisés (quantification directe) et la concentration théorique à partir des
éléments F, S et Br et en fonction du pourcentage de l’excipient.
Nous remarquons que, ce rapport est proche de l’unité (à 3% près) pour le fluor et le brome (Br
KĮ) et ceci indépendamment de la concentration de l’excipient. Ceci montre que les techniques
PIXE et PIGE peuvent quantifier directement les deux principes actifs du Fludinium® quelle que
soit la concentration de l’excipient. D’après ces résultats, nous pouvons considérer que le
changement de la matrice due à la variation des concentrations de l’excipient et des deux
principes actifs n’a pas de répercussions sur le pouvoir d’arrêt.
Par contre la quantification de la Trifluoperazine via l’élément soufre est fortement dépendante
de la composition de la matrice (Effet d’auto-absorption). Et si nous utilisons le code GUPIX, qui
tient en compte l’effet de la matrice, pour traiter les spectres PIXE, les concentrations du soufre
ainsi obtenues sont en parfait accord avec les valeurs théoriques (voir tableau 3.8).
En effet, l’influence de la composition de la matrice sur l’intensité du signal du soufre peut être
expliquée par la faible énergie de la raie KĮ (S) (2,3 keV) en comparaison avec l’énergie du KĮ
(Br) (11.9 keV) et avec celle du Ȗ (F) (197 keV).
De même, l’énergie de la raie LĮ du Brome (1.48 keV) est fortement influencée par l’effet de
l’auto-absorption de la matrice. Mais contrairement au cas du soufre, le rapport entre la
concentration du brome via le LĮ obtenue par simple comparaison avec le standard externe utilisé
et la concentration théorique en fonction du pourcentage de l’excipient est proche de l’unité.
115
Un calcul a été fait du coefficient d’atténuation des ces raies KĮ (S) et LĮ (Br) de ces différentes
matrices. Ce calcul prend en considération la composition de la matrice, le taux d’émission des
raies et l’énergie incidente. Les résultats montrent que le coefficient d’atténuation du LĮ du
brome est assez élevé (890 mu/rho) et ne varie presque pas en passant de l’échantillon à 20%
d’excipients à celui à 80% d’excipients. Tandis que le coefficient d’atténuation du KĮ soufre
diffère considérablement d’une matrice à une autre. Il varie de 453 à 344 mu/rho (écart de 24%)
entre l’échantillon à 25% d’excipients et celui de 50% d’excipients. C’est la raison pour laquelle
une quantification de soufre qui prend en considération le coefficient d’atténuation est nécessaire.
3.B.2.1.3. Résultats obtenus par quantification directe et avec correction de matrice.
Le tableau 3.9 présente les valeurs théoriques et expérimentales obtenues pour les échantillons
préparés dans notre laboratoire, pour les étalons préparés par le producteur et pour le médicament
Fludinium® avec différentes concentrations en Clidinium bromide (PA1) et Trifluoperazine
(PA2).
D’après ces résultats, nous pouvons conclure que la technique PIXE est adaptée à
l’analyse de médicaments à deux principes actifs. La quantification directe des deux principes
actifs est réalisable via la quantification du Brome et de Fluor. Ceci est fait avec un écart des
valeurs théoriques < 8 % pour le brome et < 3 % pour le fluor dans le cas du médicament
Fludinium®.
Composition théorique des échantillons
50mg PA1, 50mg PA2
3.33% S, 5.9% F, 9.25% Br
40mg PA1, 40mg PA2, 20 mg Excipient
2.67% S, 4.7% F, 7.4% Br
25mg PA1, 25m g P 2, 50mg Excipient
1.67% S, 2.97% F, 4.6% Br
12.2mg PA1, 4.9m g PA2, 82.9mg Excipient
0.32% S, 0.58% F, 2.25% Br
7.9mg PA1, 2.6mg PA2, 89.5mg Excipient
0.175% S, 0.31% F, 1.46% Br
Médicament étalon : 12mg PA1, 5 mg PA2
0.17% S, 0.31% F, 1.14% Br
Médicament étalon : 7.5 mg PA1, 3 mg PA2
0.10% S, 0.18% F, 0.7% Br
Fludinium® : 2.5mg PA1, 1 mg PA2
388ppm S, 691ppm F, 2692ppm Br
S en %
F en %
Br en %
Gupix code Analyse directe analyse directe
PIXE
PIGE
PIXE
3.37 ± 0.16
5.6 ± 0.28
10 ± 0.3
2.50 ± 0.12
4.41 ± 0.22
7.47 ± 0.22
1.62 ±0.08
2.73 ± 0.13
4.66 ± 0.14
0.31 ± 0.02
0.57 ± 0.03
2.26 ± 0.07
0.19 ± 0.02
0.35 ± 0.02
1.53 ± 0.05
0.19 ± 0.02
0.34 ± 0.02
1.19 ± 0.04
0.12 ± 0.02
0.20 ± 0.02
0.72 ± 0.04
434ppm±43
705ppm±35
2943ppm±147
Tableau 3.9. Comparaison entre les valeurs théoriques et mesurées du S, f et Br dans les
échantillons analysés.
116
3.B.3.2. L’analyse du Spironolactone et du Hydroflumethiazide dans Aldactide®
25/25 mg par PIXE et PIGE
L’Aldactide® est un médicament binaire utilisé en cas d’insuffisance cardiaque
congestive. Il contient deux principes actifs, le Spironolactone comme antagoniste de
l’aldostérone compétitif et l’Hydroflumethiazide comme agent diurétique thiazidique.
Les formules semi-développées de ces deux principes actifs sont présentées sur la figure 3.14.
Figure 3.14. Structure moléculaire du Spironolactone (à gauche)
et de l’Hydrofluomethiazide (à droite).
La concentration de chacun des principes actifs est de 14% de la masse totale du
médicament. Le reste est composé de sulfate de calcium dihydraté, d’amidon de maïs, de
polyvinyl pyrolidone, de stéarate de magnésium, de felocoix peppermint, d’hypromellose, de
polyéthylène glycol et d’opaspray jaune (E 172 et E 171).
Le principe actif Spironolactone contient du soufre et l’hydrofluomethiazide contient du Fluor et
du soufre. Ainsi, la quantification de l’Hydrofluomethiazide sera déterminée via la quantification
du fluor. Alors que celle du Spironolactone sera déterminée via la quantification du soufre après
soustraction du soufre total « mesuré » dû à la contribution du soufre provenant de
l’Hydrofluomethiazide.
Le spectre de la figure 3.15 montre la présence non négligeable du calcium qui vient du sulfate de
calcium dihydraté (un des excipients de la formulation). Ainsi, Il faudra en tenir compte que le
soufre total calculé pour le médicament Aldactide® provient de trois sources : Les deux principes
actifs et l’excipient.
117
400
SkD
300
Coups
CakD
200
100
CakE
0
0
50
Canal
100
150
200
Figure 3.15. Spectre PIXE du médicament Aldactide® obtenu sous bombardement de protons de
3 MeV avec un filtre Al de 250 μm troué positionné devant le détecteur Si(Li).
Toutefois, le soufre des excipients qui provient du Sulfate de calcium peut être calculé à
partir de la teneur du Ca.
Tableau 3.10. Comparaison entre concentration théorique et mesurée du S, F et Ca dans le
médicament Aldactide et ses deux principes actifs. Le calcul de F dans le médicament a été fait
par quantification directe selon (eq. 3.2.). Calcul du S et du Ca a été fait par le code GUPIX.
Concentration élémentaire (%) des hétéroatomes
S théorique
S mesurée
F théorique
F mesuré
Calcium
7.69
7.77 ± 0.23
------Spironolactone
19.3
19.8 ± 0.6
17.2
----Hydroflumethiazide
2.04*
11.5 ± 0.3
1.2
1.2 ± 0.01
11.9 ± 0.3
Aldactide®
* 0.54% de S provenant du Spironolactone, 1.5% de S provenant de l’Hydrofluomethiazide
D’après le tableau 3.10, la concentration du fluor déterminée par PIGE est en excellent
accord avec la valeur théorique assurant la certification de la concentration du Hydrofluothiazide.
Les concentrations du soufre dans les deux standards externes sont également en bon accord avec
les valeurs théoriques.
Pour calculer la concentration du Spironolactone via la quantification du soufre il faut
soustraire de la valeur du soufre totale «mesurée » du médicament Aldactide® la contribution du
soufre provenant de l’hydrofluomethiazide ainsi que de l’excipient sulfate de calcium.
En conséquence, la valeur calculée du soufre provenant du Spironolactone est de 0.58% ± 0.04.
Cette valeur est en bon accord avec la valeur théorique (0.54%) à une différence de moins de 6%.
118
3.B.4. Conclusion
Dans ce travail, on a montré pour la première fois la faisabilité des techniques PIXE et PIGE
pour la quantification des principes actifs dans des médicaments solides commerciaux. La
condition essentielle pour un tel résultat est que le principe actif possède des hétéroatomes
comme, dans les exemples décrits, le fluor, le chlore, le soufre et le brome.
Les médicaments étudiés (quatres unaires et deux binaires) ont été choisis pour illustrer des
cas plus ou moins complexes avec des concentrations plus ou moins importantes en principes
actifs des matrices diverses.
Deux conditions sont nécessaires à la validation de l’analyse quantitative de tels échantillons :
1L’étude de la dégradation des échantillons sous bombardement ionique nous a permis
d’optimiser les conditions de l’analyse (Protons de 3 MeV avec une intensité de 1 – 2
nA et un temps d’acquisition de 5 – 20 minutes) pour assurer la stabilité de la matrice
analysée durant l’acquisition.
2Chaque échantillon a été analysé sur plusieurs points d’impacts et l’analyse de chaque
point répétée. Deux à trois comprimés de chaque médicament ont été analysés. De
chaque comprimé deux échantillons ont été préparés.
La technique PIXE est très spécifique dans le cas de la quantification d’un principe actif via
des éléments comme le F, Cl, Br car les excipients sont exempts de composés contenant ces
éléments. Le soufre est rarement présent dans les excipients et il est assez souvent à l’état de
traces, sa présence dans la formulation ne pose pas une limitation sérieuse.
L’analyse directe par PIXE et PIGE, en utilisant un standard externe approprié (le principe
actif pur), a été discutée et validée dans le cas de la similarité de la matrice de l’échantillon
médicament avec le standard utilisé. La prise en compte de l’autoabsorption des rayonnements
émis sur l’épaisseur analysable ainsi que la variation éventuelle du pouvoir d’arrêt des protons
incidents a été faite chaque fois que la matrice du standard externe était différente de celle de
l’échantillon médicament.
La rapidité, la bonne précision et la reproductibilité de l’analyse a été démontrée dans ce
travail. Ceci rend ces techniques très attractives sur le plan analytique tout en offrant une
nouvelle ouverture vis-à-vis de la caractérisation des échantillons solides sans traitement
préalables.
La deuxième étape dans le développement de ces techniques pour l’étude des médicaments
sera d’analyser ces derniers « en l’état » :
-Si le médicament est sous forme de comprimé, il conviendra de rendre sa surface la plus
plane possible, ce qui n’apparaît pas poser de difficultés insurmontables dans la plupart des cas.
Nous pouvons imaginer qu’un simple polissage suffise de la surface même du médicament ou à
partir d’une fracture, polie elle aussi.
- Si le médicament est sous forme de poudre dans une capsule, le défi sera d’analyser cette
poudre dans son milieu. Nous pensons trouer la capsule et travailler avec de très faibles intensités
de microfaisceaux pour ne pas brûler la capsule. Bien sur, pour que l’analyse soit quantitative
quelques paramètres doivent être bien maîtrisés comme les dimensions du trou et du faisceau,
l’épaisseur de la capsule et le nombre de charges arrivés à l’échantillon.
119
3.C. Résultats et discussion de l’analyse des médicaments par la technique
TOF-SIMS
3.C.1. Choix des médicaments, modes de préparation
Même avec la médiocre résolution en masse de notre détecteur la technique ToF-SIMS a la
sélectivité suffisante pour détecter un principe actif en présence d’un mélange d’excipients. En
effet, la probabilité d’une interférence entre les signatures moléculaires des deux substances reste
faible sauf à très faible concentration.
Deux des principaux obstacles à l’analyse par ToF-SIMS pour de tels mélanges de poudres
sont illustrés par les deux exemples suivants :
La technique d’acquisition la plus simple à mettre en œuvre dans le cas des cibles épaisses
que sont les pastilles de poudre est celle décrite comme « start electron » au chapitre I qui ne
permet que la détection de l’émission négative.
1/ Si la cible ne présente pas de problèmes de polarisation, le spectre obtenu n’est pas
nécessairement exploitable comme le montre la figure 3.16 dans le cas du médicament
Fluphenazine®. Le fragment moléculaire déprotoné n’est pas détectable et seuls le chlore et le
fluor peuvent être considérés comme caractéristiques du principe actif Fluphenazine
dihydrochlorée. Les nombreux pics de masses plus élevées sont à attribuer aux excipients.
Outre le fait que la détection de Cl et F n’apporte rien de nouveau par rapport à l’analyse IBA, le
fait majeur est aussi la comparaison directe.
30000
Fluphenazine 5 mg
Fluphenazine dihydrochlore
35Cl-
25000
-
CN
20000
15000
Excipients
10000
F-
5000
0
500
1000
Canal
1500
2000
2500
Figure 3.16. Spectre de l’émission négative du médicament Fluphenazine® et de son principe
actif (Ions incidents : Ar3+ 9 MeV).
120
2/ Si la cible, et en particulier la poudre de principe actif est très isolante le spectre devient
inexploitable. Dans l’exemple du Dexamethazone, le meilleur spectre est obtenu en enchâssant la
poudre avec de l’acide borique (utilisé pour rigidifier la pastille) et de la poudre de carbone.
Comme le montre le spectre de la figure 3.17 la résolution en masse est très insuffisante pour
l’analyse du médicament (même les masses 24, 25 et 26 sont mal séparées).
Bien entendu ce problème doit être résolu quelle que soit le mode de détection et nous verrons
par la suite les méthodes utilisées pour le résoudre, très dépendante de la nature même de ces
poudres.
Figure 3.17. Spectre de l’émission négative du principe actif pur Dexamethazone utilisé dans le
médicament Decadron (Ions incidents Ar3+ 9 MeV).
Outre la nécessité de pouvoir détecter l’émission positive sur les poudres dans des conditions de
préparation éliminant ou minimisant les problèmes liés à la polarisation des cibles un autre fait
majeur peut être aisément constaté : contrairement aux techniques IBA, la simple comparaison
des résultats de l’analyse du principe actif pur et dans le mélange du médicament est rarement
représentative de sa concentration. De fait comme le montrera ce travail, la linéarité est rarement
observée pour ces poudres mettant en évidence des « effets de matrice » systématiques pour de
tels mélanges. Compte tenu de ces phénomènes tout notre travail va consister à obtenir des
courbes d’étalonnage fiables.
La nature de ces « effets de matrice » a été discutée en montrant à travers de nombreux
exemples le rôle prépondérant des interfaces de diverses natures (chimiques et structuraux) [19].
Si l’on passe des dépôts aux poudres, on franchit une étape de complexité supplémentaire comme
l’ont montré par exemple Barra et al. [20] à travers les associations de grains de composition et
de nature différente régis par la granulométrie, l’énergie de surface ou la force de cohésion de
121
chaque particule. Afin de réduire ces paramètres et se mettre dans les conditions d’analyse plus
« confortables » des couches, nous avons décidé de même de travailler sur le système le plus
simple d’un principe actif associé à un seul excipient soluble comme dans l’alcool et donc
susceptible de conduire à un dépôt de même concentration que le mélange de poudre initial. Cela
permet d’obtenir la meilleure homogénéité à partir de la recristallisation du mélange liquide par
spin-coating.
Le médicament le plus intéressant à cet égard est le Fluphenazine® car elle comporte un
excipient soluble, le Lauryl sulfate de sodium (SLS).
Un autre medicament dont le principe actif ne contient pas d'hétéroatomes, le
Prednisone®, est aussi analysé en pastille par cette technique.
Que ce soit à partir de dépôts ou de poudres, tous les échantillons, présentés dans ce
travail, ont été analysés au minimum sur trois impacts différents. Chaque point a été analysé au
minimum deux fois de suite. Les résultats présentés dans ce qui se suit sont une valeur moyenne
des résultats obtenus pour chaque médicament ou échantillon avec une incertitude calculée
d’après l’équation (3.1).
122
3.C.2. Médicament avec hétéroatomes
La Fluphenazine dihydrochlorée dans le médicament Fluphenazine® 5 mg
3.C.2.1. Signature de la Fluphenazine dihydrochlorée pur en couche mince et en
pastille dans le médicament
Ainsi que nous l’avons déjà mentionné, le médicament Fluphenazine® est aussi
intéressant parce qu’il contient des hétéroatomes et que les résultats pourront donc être comparés
à ceux obtenus par les autres techniques déjà présentées dans ce travail.
Sur les figures 3.18 et 3.19 sont représentés les spectres de l’émission négative et positive
de la Fluphenazine dihydrochlorée à partir d’un dépôt spin-coating. La structure moléculaire dans
l’insert de la figure 3.18 permet d’attribuer les valeurs de m/z identifiées à des fragmentations ou
recombinaisons de la molécule sous l’impact du faisceau incident : 19 (F), 35 et 37 (Cl) dans
l’émission négative ; 99, 101 ([98+nH]+), 143, 248.5 ([Fragment 266.5-F+H]+), 266.5, 280.5
(voir l’insert) et 438.5 ([M-2HCl+H]+) dans l’émission positive. D’autres pics provenant de
groupements de carbone sont présents dans le spectre mais ils ne seront pas considérés comme
des pics caractéristiques. Ce sont les pics à m/z 25 (C2H-), 26 (CN-), 48, 49, 50 (C4Hn-), 73 (C6H) en émission négative, et 42, 56 et 70 (CnH2n+ pour n = 3, 4 et 5) en émission positive.
Figure 3.18. Spectre positif de la Fluphenazine pure de 110 μg/cm2 d’épaisseur
déposée sur mylar aluminisé par spin coating.
En insert :Structure moléculaire de la Fluphenazine
123
35Cl-
3000
CN-
2000
Coups
37
Cl-
1000
C2H-
C4Hn-
(n=0-2)
F
C6H-
0
10
30
50
70
90
110
130
m/z
150
170
190
210
230
Figure 3.19. Spectre négatif de la Fluphenazine pure de 110 μg/cm2 d’épaisseur
déposée sur mylar aluminisé par spin coating.
Dans le cas de telles couches minces, il convient de s’assurer que les valeurs de
rendement obtenues le sont sur des épaisseurs présentant une bonne homogénéité avec un
recouvrement total.
A cet effet, neuf couches minces de différentes épaisseurs allant de 10 μg/cm2 à 110
μg/cm2 ont été préparées à partir d’une solution de la Fluphenazine dihydrochlorée pure à 2.5
mg/mL d’éthanol absolu.
La figure 3.20 présente pour chacun des ions significatifs détectés la variation de son rendement
en fonction de l’épaisseur massique de la couche analysée.
124
20
Rendement (%)
+
[M-2HCl+H]
19 35F -*1.3
Cl
+
m/z 280.5+ *2
m/z 265.5
*2.5
+
m/z 143 *2
15
10
5
0
0
20
40
60
80
2
Epaisseur de la couche (Pg/cm )
100
120
Figure 3.20. Variation de l’émission des fragments de la Fluphenazine pure en fonction de
l’épaisseur de la couche. Les courbes sont issues d’un « fit » des points.
Nous constatons ainsi que toutes les émissions augmentent jusqu’à un palier. Au-delà de
80 μg/cm2, nous pouvons considérer que toutes les émissions sont à saturation : afin d’être sûr
que toutes les couches satisferont à ce critère l’épaisseur moyenne adoptée se situera toujours
entre 100 et 130 μg/cm2
En ce qui concerne le médicament fluphenazine® à l'état de pastille, les spectres
correspondant aux émissions négatives et positives sont représentés sur la figure 3.21.
Si on les compare à ceux de la fluphenazine dihydrochlorée pure (figure 3.18, 3.19), on remarque
que la contribution du principe actif à l'émission positive est quasi exclusive malgré sa faible
teneur dans le médicament (annoncée a 1.56%). Seul le pic à m/z 23 (Na+) traduit la présence de
deux excipients; le Lauryl sulfate de sodium (SLS) et le Glycolate d’amidon sodique (SSG).
Par contre, les excipients sont très émissifs négativement avec les pics à m/z 45 (C2H5O)-, 59
(C2H3O2)-, 71(C3H3O2)-, et 87 (C3H3O3)- qui sont attribués aux lactose (C12H22O11), cellulose
(C6H10O5)n et SSG. Bien entendu, les pics surlignés dans le spectre sont attribués au SLS.
Ainsi, malgré la faible teneur de ce dernier excipient, ses pics caractéristiques sont
majoritaires dans le spectre de l’émission négative du médicament. La figure 3.22 présente les
spectres d'émission positive et négative de cet excipient pur à partir d'un dépôt par spin-coating.
125
Figure 3.21. Spectre des émissions positive et négative du médicament Fluphenazine® après
bombardement par un faisceau d’Ar 5+ de 17 MeV.
126
4000
C2H-
SO3-
3000
C 4 HHSO4SO2-
Coups
2000
C 2C4 -
SO4[SLS-Na]-
C6H-
1000
C3Hnn=0-2
C6-
0
25
50
75
m/z
100
125
250
1000
Na+
164
+H
800
Coups
600
400
C5H3+
m63+
[m/z164+H]+
200
[m/z164-O+H]+
0
15
40
65
90
m/z 115
140
165
190
Figure 3.22. Spectres négatif et positif du SLS pur déposé sur du mylar aluminisé.
En insert: Structure moléculaire du SLS.
Il faut noter qu’une étude sur le taux de recouvrement des couches du SLS pur a été faite.
Une bonne homogénéité est atteinte à partir de 40 μg/cm2.
127
Compte tenu de la structure de la molécule de SLS présentée en insert, les valeurs
suivantes de m/z peuvent être attribuées à des fragmentations ou recombinaisons de la molécule
sous l’impact du faisceau incident : 64 (SO2-), 80 (SO3-), 96 (SO4-), 97 (HSO4-) et 261, 263 et 265
([mSLS-Na-nH]-avec n=0, 2, 4) dans l’émission négative et Na+, 148 ([m165-O]+) et 165 (suivant la
scission proposée dans l’insert) dans l’émission positive. Les pics de groupement carbone à m/z
24, 25, 36, 37, 38, 48, 49, 72 et 73 (CnHm- avec n = 2, 3, 4, 6 et m varie de 0-2) dans l’émission
négative et m/z 63 (C5H3+) dans l’émission positive ne sont pas considérés comme des pics
caractéristiques.
3.C.2.2. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée dans des échantillons sous forme
solide
Les meilleures conditions d’analyse des médicaments à l’état solide et utilisant la
détection dite « start feuille » décrite au chapitre 1 sont pour une présentation en pastille de
surface plane, dans la mesure où de telles pastilles n’induisent pas d’effets de charge sous
polarisation et où les poudres sont broyées dans des conditions bien contrôlées.
Pour cette étude, le fabriquant nous a préparé trois étalons élaborés dans les conditions
industrielles du médicament lui-même avec des concentrations du principe actif de 1, 2.5 et 4%,
soit proches et de part et d’autre de la valeur annoncée.
Afin de compléter la courbe d’étalonnage deux autres échantillons ont été élaborés au laboratoire
par ajout de la poudre du principe actif à l'un de ces étalons.
12
[mAPI-2HCl+H]+
11
m280+*3
m248+*4
Cl-*5
10
Rendement (%)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
70
80
90 100
% massique du p.a
Figure 3.23. Variation du rendement des fragments du principe actif en fonction de son % dans
la poudre initiale. Les échantillons ont été bombardés par un faisceau Ar5+ 17 MeV.
128
Les évolutions des rendements des ions caractéristiques de la Fluphénazine en fonction de
la concentration massique de cette dernière sont représentées sur la figure 3.23. Pour
surprenantes qu’elles soient aux faibles valeurs, elles ne peuvent être attribuées à un artefact de
préparation. Un maximum au voisinage de la valeur de 2.5% de principe actif est observé aussi
bien pour la molécule protonée que pour son fragment de m/z 280.5. Seul le fragment de m/z
248.5 a un comportement proche de ce qui est observé pour les dépôts. Par contre, le chlore
présente une variation quasi-linéaire pour des faibles valeurs du pourcentage massique du
principe actif (< 10%) .
De même, la variation du rendement des ions caractéristiques du SLS : [MSLS-Na]-, m/z 80 et 96
est presque constante pour les faibles quantités du principe actif. Ceci peut être du a une
ségrégation des molécules du SLS à la surface. En effet, Ho et al [25] ont montré que ce
phénomène existe et qu'il est lié à la granulométrie du SLS. Par contre, l’ion Na+ a un
comportement différent des autres fragments du SLS. Comme nous l’avons déjà mentionné, cet
ion provient de deux excipients: SLS et SSG.
Toutes ces variations sont représentées sur la figure 3.24
6
Na+
SO 3-*3
5
HSO 4-*3
Rendemenet (%)
[mSLS-Na]4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
70 80 90 100
% massique du p.a
Figure 3.24. Variations du rendement du sodium et des fragments du SLS en fonction de la
concentration massique du principe actif dans la poudre.
De telles évolutions, outre qu’elles confirment l’existence des effets de matrice de façon
spectaculaire dans le cas de la molécule protonée, illustrent l’importance des effets d’agrégation
de poudres de natures différentes (nombreuses dans le cas du médicament Fluphénazine®) dont
Barra et al. [20] ont évoqués les configurations.
Dans le but d’aller un peu plus loin dans la mise en évidence de tels effets, mais aussi de tenter
l’analyse de comprimés « en l’état », nous avons aménagé notre porte-cible de façon à ce que la
129
zone analysée de la face bombée du comprimé soit à la bonne distance d’extraction avec une
zone de champ électrique de collection la moins déformée possible. Ainsi que le montre la figure
3.25 les valeurs de rendement apparaissent diminuées d’un facteur de l’ordre de 2 mais les
variations observées en fonction de la concentration sont homogènes et surtout ne reproduisent
plus le maximum observé précédemment dans le cas des pastilles.
12
11
[mAPI-2HCl+H]+ Pastille
10
[mAPI-2HCl+H]+ Surface du comprimeé
[mAPI-2HCl+H]+ Zone fracturee
é du comprimeé
Rendement (%)
9
[mAPI-2HCl+H]+ Zone fracturee
é polie
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
70
80
90 100
% massique du p.a
Figure 3.25. Variations du rendement de la molécule protonée de la Fluphénazine
en fonction de sa teneur massique dans différents échantillons correspondant à différentes
préparations de surface
Nous avons également pu fracturer la surface d’un comprimé et accéder au « bulk » de
l’échantillon à 1.5% . Enfin, sur la fracture réalisée sur un autre échantillon (à 2.5%) nous avons
effectué un polissage léger avec un papier abrasif 320 à grain fin (taille des grain 36 μm). Les
valeurs de rendement obtenues à partir de ces deux configurations ont été reportées sur la même
figure 3.25: nous remarquons que la variation observée semble reproduire la courbe initiale des
pastilles. Il est par contre difficile d’attribuer les écarts d’amplitude de ces résultats aux seuls
traitements mécaniques que nous venons de décrire et il est hautement probable que la géométrie
d’analyse a joué son rôle. Nous sommes cependant assez confiant sur la reproductibilité des
résultats obtenus à l’aide de ce montage rudimentaire.
Afin d'avoir une idée des état de surface respectifs d'un échantillon préparé en pastille et
d'un autre tel qu'il résulte de l'élaboration en comprimé, nous avons pris des clichés au moyen
d'un microscope binoculaire de l’étalon à 4% de principe actif dans ces deux configurations
130
Figure 3.26. Clichés de la surface d’un comprimé et d’une pastille à 4% de principe actif (le
diamètre approximatif du faisceau d'analyse a été superposé)
La compacité des deux échantillons apparaît bonne, la surface de l'échantillon pastillé
semblant moins rugueuse. Les zones sombres pourraient traduire une quasi-amorphisation alors
que les points blancs semblent traduire l'émergence d'agglomérations de densité (cristalline?)
différente. L'étendue de ces zones n'excède cependant pas quelques dizaines de pourcent de la
zone analysée.
Il n’a pas été possible au cours de cette étude d’aller plus en avant dans la compréhension
des phénomènes conduisant à de tels effets sur les rendements. A l’évidence, le procédé de
compactage du mélange excipients – principe actif joue un rôle supplémentaire dans les effets de
matrice. De plus, la saturation constatée au-delà de 4% en masse du principe actif montre les
limites d’une analyse de surface pour rendre compte de teneurs moyennes au cœur du matériau.
Manifestement l’organisation des grains et l’état de la surface sont responsables du phénomène
observé et ce phénomène demande une étude au-delà des objectifs de notre travail.
131
Enfin, du strict point de vue analytique et compte tenu de la reproductibilité des
phénomènes observés, la quantification du principe actif dans le médicament apparait réalisable
dans la zone de concentration intéressant le fabricant, c.à.d. autour de 1.5%. Autour de cette
valeur la précision de la mesure est de ~17 %.
Dans le cas où la valeur recherchée est comprise entre 1 et 5%, l’incertitude due au passage du
rendement par un maximum autour de 2.5% peut être facilement levée en se référant à la valeur
du rendement du chlore qui varie linéairement dans cette zone.
3.C.2.3. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée en couche mince dans un
mélange de deux substances : le principe actif et le lauryl sulfate de sodium.
Dans le but d’éliminer les effets de matrices observés dans le cas précédent où un grand
nombre de substances est impliqué nous nous nous sommes d'abord intéressé au mélange le plus
simple en couche mince celui de deux substances solubles. En effet, la recristallisation d’un
mélange liquide par spin coating assure une meilleure homogénéisation.
A partir de la liste des excipients du médicament Fluphenazine® il apparaît que le seul excipient,
soluble totalement dans l’éthanol absolu, est le SLS. Ainsi neuf préparations du mélange du
principe actif et SLS à 1.5 mg/mL dans l’éthanol pur ont été réalisées couvrant une gamme allant
de (2.2:97.8) à (94:6) en % massique en sus des solutions de principe actif et de SLS purs afin
d’obtenir des dépôts sur mylar aluminisé (avec une épaisseur > 100 μg/cm2).
Sur la figure 3.27 est représentée la variation des rendements des fragments principaux des deux
substances (principe actif et SLS) et de leurs hétéroatomes en fonction du pourcentage du
principe actif dans le mélange. Le rendement de la molécule protonée du principe actif ainsi que
celui du fluor sont les seuls à présenter une variation linéaire. Alors que l’émission du Chlore
reste faible (comparée à celle de la molécule protonée) mais linéaire jusqu’au 80% de principe
actif, son rendement grimpe rapidement pour atteindre sa valeur dans le principe actif pur.
Par contre, la variation du rendement des ions ([mSLS-Na]- et de Na+du SLS est constante à ±10 %
(droites en tirets) jusqu'à une valeur aussi faible que 6% du SLS dans le mélange. L’interprétation
possible d’un tel comportement de ces 2 fragments pourrait être une ségrégation en surface de la
molécule. Cette hypothèse est basée sur les travaux de Kozevich et al. [23] qui ont montré que le
surfactant SLS est l’objet d’un auto - assemblage (supra molécule) à l’interface air-liquide ou
vide-liquide quand il est mélangé au produit à analyser dans du glycerol voire de l'éthanol (cet
assemblage est fait avec une orientation de la chaîne carbonique du SLS vers l’air et la partie
ionique vers le liquide). Il faudrait également que cette répartition soit conservée dans la
construction de la couche après évaporation.
132
22
20
18
Rendement (%)
16
14
12
+
Na *2.5
[(mp.a-2HCl)+H]+
Cl[mSLS-Na] *2.3
F *7
10
8
2
R
0
.99
=0
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% massique du p.a.
Figure 3.27. Variation du rendement des fragments caractéristiques du Fluphenazine
dihydrochloré et du SLS en fonction du pourcentage massique du principe actif (p.a) dans le
mélange.
Sur la figure 3.28, Nous pouvons observer des variations symétriques des rendements des
fragments du principe actif et du SLS. La variation non constante des fragments du principe actif
et de quelques fragments du SLS (comme le fragment à m/z 165 et m80) indique que la couche
de SLS, supposée former à la surface, n’est pas faite de la quantité entière de SLS tout en laissant
le principe actif se déposer au fond. En effet, nous pensons que quelque soit la quantité de SLS
dans le mélange la même portion de ces quantités fait l’objet d’une ségrégation en surface. De
cette couche, les deux fragments [MSLS-Na]- et Na+ sont surtout émis. Alors que le reste des
fragments sont surtout émis de la partie de la couche où le reste de la quantité de SLS est en
mélange avec le principe actif.
Dans le cadre de ce travail, nous n’avons pas cherché à prouver nos interprétations sur les
différences dans ces comportements mais nous pouvons conclure que dans le cas le plus simple
d’un mélange à deux substances il existe un effet de matrice auxquelles seules les molécules
quasi-entières échappent.
Par contre, du strict point de vue analytique la quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée à
partir d’un tel mélange est réalisable sur toute la gamme de concentration avec une précision
meilleure que 7% . La limite de détection du principe actif est ici de 0.35% massique.
133
22
20
[Mp.a-2HCl+H]+
m280.5+
m165+ *6
m80-
18
Rendemenent (%)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% massique du p.a
Figure 3.28. Variation de rendements des fragments du p.a (symboles en noir) et
du SLS (symboles en blanc) par rapport au % massique du p.a.
3.C.2.4. Quantification de la Fluphenazine dihydrochlorée dans un dépôt en couche mince
de la partie soluble du médicament.
Compte tenu des courbes d'étalonnage obtenues à partir du mélange principe actif +SLS
purs, nous nous sommes intéressés à la phase soluble des mélanges de poudres.
Les étalons ont ainsi été dissous dans la quantité minimale d’éthanol requise pour dissoudre
seulement le principe actif et le SLS puis centrifugés afin de déposer 110 μg/cm2 de la partie
soluble sur du mylar aluminisé.
Si la partie soluble dans l’alcool du médicament ne contient que le p.a. et le SLS, les dépôts issus
de cette phase devraient refléter les proportions respectives de ces deux molécules dans la poudre
initiale. Aisni la figure 3.29 présente la variation du rendement des fragments principaux du
principe actif et du SLS, en fonction la proportion massique du principe actif dans le mélange
« principe actif+SLS » dans la poudre initiale.
La variation du rendement de [M-2HCl+H]+ reste quasiment linéaire mais ne passe plus
par zéro. Par contre, le Chlore a un comportement comparable au cas précédent ainsi que le
fragment [Msls-Na]- dont l'émission reste toujours stable même pour de très faibles valeurs du
134
SLS dans le mélange. Ni l’ion F- ni l’ion Na+ dont le rendement décroît linéairement, n'ont un
comportement semblable au cas précédent.
Figure 3.29. Variation des rendements des fragments principaux du principe actif ([Mp.a2HCl+H]+,F-, Cl-) et ceux du SLS ([Msls-Na]-, Na+) par rapport a la proportion massique du
principe actif dans le mélange (principe actif +SLS) dans la poudre initiale.
Cette différence de comportements par rapport au cas précédent soulève la question du
passage en solution d’une substance autre que le principe actif pur et le SLS. En effet, même si
aucun des autres excipients présents n’est connu pour être soluble dans l’alcool le glycolate
d’amidon sodique (SSG) peut relâcher des quantités appréciables de sels de sodium dans la
solution [22]. A la différence du sodium du SLS, celui du SSG est sans doute le plus abondant
aux faibles valeurs du principe actif. Plus tard, le sodium provenant du SSG décroît rapidement
probablement à cause de la décroissance de la solubilité par rapport à celle du principe actif.
Il reste à s’assurer que le passage en solution d’éléments en provenance d’autres
excipients comme le SSG n’affecte pas la dissolution du principe actif et du SLS qu’on ne
retrouverait plus dans les proportions initiales du mélange solide. Pour s’en assurer, à partir de
trois étalons à 1%, 1.56% et 4% du principe actif, des dépôts ont été réalisés dans les conditions
habituelles de celles utilisant le mylar aluminisé comme substrat mais cette fois sur des plaquettes
de silicium pour l’analyse par PIXE et PIGE. L’analyse PIXE permet de déterminer la quantité de
soufre présente dans le mélange, soufre qui provient à la fois du principe actif et du SLS mais à
l’exclusion de tous les autres. L’analyse PIGE permet de déterminer la quantité de fluor présente,
caractéristique du seul principe actif. La détection simultanée des X et des gammas s’effectue
pour les dépôts et les pastilles dans les mêmes conditions par un faisceau de proton 3 MeV avec
une intensité < à 1 nA.
135
Bien entendu, pour des concentrations identiques de principe actif / SLS, les rapports d’émission
gamma (F) et X (S) ne seront pas les mêmes entre dépôts et pastilles pour des raisons évidentes
d’épaisseurs concernées par les émissions. Dans le cas des couches minces il faut simplement
s’assurer que la perte d’énergie dans la couche est suffisamment faible pour que la section
efficace d’émission gamma puisse être considérée comme constante et pour que l’absorption des
X soit négligeable. Pour les pastilles, il suffit que l’intégrale de la fonction d’excitation soit la
même sur l’épaisseur considérée en ce qui concerne l’émission gamma et que l’autoabsorption
des X soit identique, ce qui est bien entendu le cas.
Le tableau 3.11 présente ainsi des rapports différents pour le rapport des émissions
gamma (F) et X (S) suivant que l’on considère les pastilles ou les dépôts, mais c’est surtout le fait
que ces valeurs évoluent de la même façon entre pastille et dépôt (rapport de ~ 0.34) qui prouve
que le principe actif et le SLS sont dans le même rapport massique dans les deux cas.
Etalons préparés par le producteur à
4%
2.5%
1%
Rapport
2.7
2.8
2.08
(F/S)
Pastille
Rapport
0.91
0.95
0.72
(F/S)
dépôt
Tableau 3.11. Comparaison du rapport de nombre de coups du F/S pour les étalons préparés par
le producteur pour des échantillons épais et en couche mince.
Du point du vue strictement analytique, la quantification du principe actif dans le
médicament (annoncé à 75% du p.a dans (pa.+SLS)) est réalisable avec une précision qui peut
être meilleure que 13% pour le fragment de la molécule protonée.
Enfin le tableau 3.12 permet une comparaison des performances des techniques utilisées
dans cet exemple pour la quantification du principe actif.
PIXE
PIGE
ToF-SIMS
couche mince
ToF-SIMS
pastille
Quantification du principe actif du
medicament fluphenazine®
LOD
Gamme de
Precision
(mg)
linearité (mg)
0.6
> 1.2
<7%
0.3
>1,2
<5%
0.09
0.18 – 19
10-13%
0.02
0.04 – 7.87
10-17%
Tableau 3.12. Comparaison des valeurs de LOD, précision et gamme de linéarité entre les trois
techniques PIXE, PIGE et TOF-SIMS.
136
Même si la technique ToF-SIMS permet une linéarité dans la zone qui intéresse le fabricant (5
mg de principe actif pur), la valeur de la précision sur les mesures restent 2 à 3 fois plus élevée
que pour le cas de l’étude par PIXE et PIGE. Les techniques IBA restent le meilleur choix pour la
précision et la rapidité de l’analyse.
137
3.C.2. Médicament sans hétéroatomes.
Quantification du Prednisone dans le médicament Prednisone® à 5, 20 et 50 mg.
Le Prednisone est un corticostéroïde synthétique utilisé pour traiter certaines maladies
inflammatoires et (à des doses plus élevées) des cancers. Sa structure moléculaire est présentée
sur la figure 3.30 ainsi que le spectre positif du Prednisone® médicament 50 mg.
3000
Na+
2500
C3H3+
M=358.5 u.m.a
Coups
2000
121+
1500
*3
[M+H]+
1000
365+
500
0
20
40
60
80
100
120
140
300
325
350
375
400
m/z
Figure 3.30. Spectre positif du médicament Prednisone 50 mg
analysé en pastille avec la structure moléculaire du principe actif.
La comparaison de ce spectre à celui du prednisone pur permet d’attribuer les pics
correspondant à m/z 358 ([M+H]+) et à m/z 121 au principe actif (voir insert de la figure) et à m/z
23 (Na+), 39 (C3H3) et 365 aux excipients. La liste complète de ces derniers n’étant pas connue,
c’est par comparaison au spectre du p.a. pur que le m/z 365 est attribué à un des excipients.
La concentration du principe actif dans les médicaments est respectivement 3.12%, 6.45%
et 14.4% pour les valeurs affichées 5, 20 et 50 mg.
Ces trois formulations de médicament, le principe actif pur en poudre ainsi que 2 étalons
préparés au laboratoire ont été analysés en pastille sous un faisceau d’Ar5+ 17 MeV. Le premier
étalon à 10.5% a été fait en mélangeant les deux médicaments de 20 et 50 mg ensemble. Le
deuxième étalon à 40% a été fait en mélangeant du principe actif pur avec le médicament à 50
mg.
138
La figure 3.31 illustre la variation du rendement des fragments [M+H]+ et m/z 121 du
principe actif et m/z 365 de l’excipient en fonction du pourcentage du principe actif dans la
poudre initiale.
1.8
1.6
1.4
Rendement(%)
1.2
m/z 121+
[M+H]+
m/z 365+
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% massique du p.a
Figure 3.31. Variation du rendement de la molécule protonée et du fragment à m/z 121 du
principe actif Prednisone ainsi que du fragment de m/z 365 (caractéristique d’un excipient) en
fonction du pourcentage en masse du p.a.
Nous pouvons déduire de ces évolutions que l’émission des deux fragments du principe
actif dans ce graphe est linéaire entre 1% et 25-30% de principe actif avant de connaître une
saturation. Les concentrations annoncées du médicament Prednisone pour les 3 dosages proposés
sont heureusement dans cette zone.
Il est intéressant de noter que les mélanges de poudres effectués au laboratoire par ajout de
principe actif pur (40%), surtout en mélangeant deux poudres de médicaments (10.5%), donnent
lieu à des valeurs de rendement qui se positionnent remarquablement sur les courbes d’évolution.
Au moins pour cet exemple la préparation des pastilles est reproductible et n’induit pas d’effet
particulier sur les rendements.
On notera cependant que la même tendance à la saturation que celle de la Fluphénazine est
observée quand la teneur en excipients atteint une certaine valeur.
La quantification du principe actif du médicament Prednisone est ainsi démontrée dans la
gamme de concentration jusqu’à 25 – 30% ave une LOD de 0.4% de principe actif et une
précision de l’ordre de 10%.
139
3.C.3. Conclusion
Dans ce travail, nous avons montré pour la première fois la faisabilité de la technique TOFSIMS pour la quantification de principes actifs dans des médicaments solides commerciaux.
Bien que notre étude se soit limitée à deux médicaments, nous avons montré que la technique
TOF-SIMS est très spécifique avec des signatures du principe actif toujours distinctes de celles
des excipients.
Le rôle de l’environnement chimique (effet de matrice et – ou inter-éléments) sur l’émission
du principe actif nécessite le tracé de courbes d’étalonnages pour l’analyse.
La précision des résultats dépend bien entendu de la pente de cette courbe d’étalonnage au
voisinage de la valeur à certifier. Il peut être alors utile de suivre la variation d’une autre
substance (comme marqueur) pour quantifier le principe actif.
En ce qui concerne le médicament Fluphenazine®, l’analyse est réalisable dans deux
configurations :
1Dans un mélange du principe actif fluphenazine et des excipients solubles issus de la
dissociation du médicament et des étalons dans l’éthanol en couche mince : Nous
avons une unicité de variation du rendement de la molécule protonée du principe actif
dans la gamme qui intéresse le fadriquant. La précision est de l’ordre de 13%.
2Dans le médicament et des étalons en pastille, la variation du rendement de la molécule
protonée est linaire jusqu’au 2.5% où elle passe par un maximum pour après se
stabiliser à un niveau proche de la valeur du rendement de cette molécule à 100% du
principe actif pur. Pour une teneur massique en principe actif de l’ordre de 1.5% (ce
qui est le cas dans quelques médicaments), la variation du rendement est linéaire avec
une précision de l’ordre de 17%.
Un médicament ne contenant pas d’hétéroatomes a également été étudié. La variation du
rendement de la molécule protonée du principe actif du médicament, le Prednisone®, est linéaire
dans la gamme qui intéresse le fabriquant : Précision de l’ordre de 10%, LOD de 0.4% et une
gamme de linéarité allant jusqu’au 40% massique du principe actif dans la poudre.
Ce type d’étude, pour être généralisé, demande des améliorations dans plusieurs
directions.
Concernant l’étude des comprimés tels qu’ils sont une question se pose si la surface reflète
vraiment la concentration du centre. Une étude de détermination du gradient de concentration
d’une section d’un échantillon en comprimé pourra répondre à cette réponse.
D’autre part, comme nous l’avons vu, le procédé du compactage en pastille et les différentes
granulométries des substances du médicament jouent un rôle sur les effets de matrices. Ainsi,
nous pensons à améliorer le protocole de préparation des pastilles surtout dans la partie du
broyage et homogénéisation des poudres. Nous savons par exemple que dans le cas de la
technique « solvent-free MALDI » le temps du broyage et le diamètre des balles utilisé dans la
méthode de préparation « mini-ball mill » jouent un rôle sur l’émission ionique du matériau
analysé [24].
140
Enfin, dans la perspective de mieux comprendre les phénomènes qui affectent les courbes
d’étalonnages obtenues une étude de l’état de surface (en imagerie spatiale) doit être réalisée.
Ainsi nous proposons d’utiliser des agrégats lourds pour sonder la surface des comprime et des
pastilles. Le gain en taux d’émission est au moins d’un facteur 100 par rapport aux ions
atomiques [25].
141
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(2004) 371
143
Conclusion Générale
Ce travail a été initié dans deux groupes de recherche qui développent et utilisent des
techniques de caractérisation de matériaux solides basées sur l’emploi de faisceaux d’ions de
l’ordre du MeV. Dans le groupe IBAL (Ion Beam Analysis Laboratory) de la Commission
Libanaise de l’Energie Atomique, nous avons réalisé l’analyse élémentaire alors que l’analyse
moléculaire a été faite par la technique TOF-SIMS au sein du laboratoire de l’Institut de Physique
Nucléaire de Lyon.
Dans le premier chapitre nous avons présenté brièvement la base des techniques TOFSIMS, PIXE, PIGE et RBS ainsi que les moyens expérimentaux utilisés durant les expériences.
Les caractéristiques de ces techniques ont été de même abordées et finalement les différents types
de préparations des échantillons ont été détaillés.
L’analyse des deux pesticides Norlfurazon et Oxyfluoren, imprégnés dans du sol naturel
et l’étude de leur photodégradation sont présentées dans le deuxième chapitre. La technique ToFSIMS a été utilisée pour cette analyse. L’étude a commencé par l’analyse des dépôts de ces
pesticides sur des substrats d’aluminium poli afin d’apporter des données basiques sur la
photodégradation. Ces échantillons ainsi que les échantillons en forme solide de sol imprégné ont
été irradiés à l’aide d’un simulateur solaire et réanalysés après avoir cumulé diverses doses de
photons. Les deux pesticides ont montré une bonne stabilité sous les conditions d’analyses.
Des données reproductibles pour l’analyse du Norflurazon ont été obtenues à partir
d'ensemble d’expériences effectuées sur plusieurs années. L’évolution de l’émission négative des
fragments caractéristiques au Norflurazon a été suivie. Des scissions de la molécule ont été
proposées afin d’obtenir ces fragments. Due à la photo-irradiation la molécule principale a
disparu en suivant la cinétique du deuxième ordre de dégradation, d’autres fragments apparus
durant l’irradiation ont évolué en passant par des maxima. Les valeurs de demi-vies (DT50) ont
été extraites d’après l’évolution des tous ces fragments. L’évolution du Norflurazon sur des
substrats d’Aluminium était 5 fois plus rapide que celle dans le sol. En outre, la photodegradation
du Noflurazon dans les deux cas précédents était, en moyenne, 3.5 fois plus rapide quand les
composants UV n’étaient pas filtrés.
L’étude du pesticide Oxyfluorfen par la technique TOF-SIMS était plus compliquée due à
la non reproductibilité des intensités des pics d’un échantillon à un autre préparés dans les mêmes
conditions. Cependant cette différence n’a pas affecté la tendance générale des évolutions sous
photo-irradiation d’où nous avons pu déterminer les valeurs de DT50. La présence des
composants UV durant la photo-irradiation a accéléré la dégradation de l’Oxyfluorfen de 1.8 fois
dans le cas des couches minces. La sensibilité de détecter la molécule principale de
l’Oxlyfluorfen imprégné dans le sol était faible mais la même conclusion qualitative a pu être
déduite des autres fragments. La présence des composants UV accentue la variation des
fragments (même ceux pour lesquelles la variation était stable durant la photo-irradiation sans les
composants UV).
144
Dans le troisième chapitre, le potentiel des techniques IBA et TOF-SIMS de vérifier la
concentration du ou (des) principe (s) actif(s) présents dans des médicaments commerciaux
choisis a été prouvé.
Six médicaments dont leurs principes actifs contiennent au moins un hétéroatome autre
que l’azote et l’oxygène ont été étudié par les techniques PIXE et PIGE à leur état solide. Nous
avons montré la stabilité des ces molécules sous bombardement ionique dans les conditions
d’analyses (quelques minutes par échantillon). Nous avons aussi montré que les techniques
utilisées sont rapides, très spécifiques avec une bonne précision qui est compatible avec les
exigences du contrôle industriel (différente pour chaque médicament). Nous avons également
décris des procédures de calibration sûres où le nombre d’étalons a été réduit au produit pur.
Dans le cas de la similarité de la composition élémentaire de l’échantillon médicament avec le
standard utilisé, une analyse directe a été effectuée et validée. Dans le cas contraire, nous avons
pris en considération dans le calcul de la concentration des principes actifs l’autoabsorption des
rayonnements émis sur l’épaisseur analysable ainsi que la variation éventuelle du pouvoir d’arrêt
des protons incidents.
La technique TOF-SIMS a été proposée comme une alternative aux méthodes précédentes
quand les produits du mélange ne sont plus différenciables par leurs atomes. L’étude du
médicament fluphenazine avec cette technique nous a permis de comparer les performances de
cette technique aux celles d’IBA. L’étude a été fait en couche mince de ce médicament ainsi
qu’en phase solide. D’après cette comparaison nous pouvons conclure que pour l’étude des
principes actifs contenant des hétéroatomes les techniques IBA sont les plus fiables et mais aussi
les plus efficaces alors que les potentialités de la technique ToF-SIMS demeurent grandes pour
ceux qui sont exclus du champ d’application de premières. Un medicament ne contenant pas des
hétéroatomes a été de même étudié.
Des courbes d’étalonnage ont été réalisées d’après des échantillons étalons préparés par le
fabriquant du médicament en question avec les mêmes conditions de ce dernier et d’après des
échantillons étalons préparés dans notre laboratoire. D’après ces courbes d’étalonnages nous
avons déterminé la précision de la mesure et les limites de détection. Ces courbes étaient
affectées par des effets de matrices. Ces derniers ont parfois diminué la sensibilité de quantifier
un principe actif. En effet, ces effets de matrices étaient attendus vu la nature complexe du
médicament qui est un mélange de nombreux matériaux de natures physique et chimique très
variées.
145