Analyse GC-MS/MS d’HAP et de PCB dans des echantillons environnementaux

Les polychlorobiphényles (PCB) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) figurent parmi les classes de composés les plus couramment analysées en analyse environnementale. Cet article démontre la façon dont le gaz vecteur hydrogène peut être utilisé à la place de l’hélium dans l’analyse GC-MS/MS de ces composés.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont généralement analysés par HPLC avec détection par UV et par fluorescence. Les polychlorobiphényles (PCB) sont généralement analysés par GC-ECD (détection à capture d’électrons). Les analyses durent environ 30 minutes dans le cas du HPLC et environ 60 minutes dans le cas des méthodes GC. Les polluants environnementaux, tels que les PCB et les HAP, sont présents dans diverses matrices. Ces composés sont généralement d’origine industrielle et sont habituellement surveillés dans le sol, les boues d’épuration et l’eau de drainage.

Les réglementations en matière d’élimination des déchets permettent d’analyser les déchets de classe 0 (déchets non dangereux, déchets minéraux) par GC-MS, conformément à la norme DIN ISO 18287. La norme DIN EN 15308 recommande d’analyser les PCB par GC-ECD ou GC-MS. Les réglementations en matière d’élimination des boues stipulent qu’il ne doit pas y avoir d’interférences entre les PCB 101 et l’o,p’-DDE ou l’ά-Endosulfan ainsi qu’entre les PCB 138 et le p,p’-DDT. Dans cette analyse, la séparation des PCB 28 et des PCB 31 s’avère déterminante. Par ailleurs, il n’y a aucune raison pour que les deux classes de composés ne puissent pas être analysées lors d’une seule analyse GC. Cela s’avérerait avantageux, car les deux analyses combinées offriraient une durée d’analyse beaucoup plus courte que deux analyses séparées, avec la réduction des coûts pour l’utilisateur du laboratoire qui en découle. De plus, le gaz vecteur hydrogène peut être utilisé à la place du gaz vecteur hélium, offrant un gain supplémentaire en termes de temps et de coûts. La migration de toutes les analyses vers GC-MS nécessite évidemment une optimisation et une validation de la méthode.

Nous présentons ici une comparaison des résultats d’analyses individuelles des PCB et des HAP à partir d’échantillons de sol avec GC-MS à simple quadripôle et avec GC-MS à triple quadripôle (TQ-GCMS). L’utilisation du gaz vecteur hydrogène n’est cependant pas encore au point pour l’optimisation du suivi de réaction multiple (MRM) pour le TQ-GC-MS.

Préparation des échantillons

Les échantillons de sol ont subi une extraction séparée pour les PCB et les HAP et ont été mélangés en proportion 1:1 avant l’analyse. Pour l’étalonnage, les dilutions ont été préparées dans du cyclohexane. Les échantillons d’HAP ont été préparés conformément au bulletin technique numéro 1 de l’Agence fédérale allemande pour l’environnement NRW (LUA-Merkblatt Nr. 1 NRW). Pour l’analyse des PCB, les méthodes suivies sont celles présentées dans la norme DIN 38 414-20. Pour les analyses GC-MS/MS, les échantillons ont été dilués en proportion 1:100 dans du cyclohexane.

Analyse du mélange PCB/HAP

Des étalons de 18 hydrocarbures aromatiques polycycliques ont été mélangés en proportion 1:1. La figure 1 montre le chromatogramme à balayage complet du mélange étalon. L’exigence de séparation des PCB 28 et des PCB 31 (crêtes 10 et 11 sur les figures 1 et 2) a été obtenue avec une résolution supérieure à 0,9.

Figure 1. Chromatogramme en phase gazeuse du mélange étalon de PCB et d’HAP à une concentration de 5 ng µl-1 par composant. La liste complète des composés est présentée sur la droite.

Les échantillons ont été analysés en utilisant un GC-MS/MS à triple quadripôle de Shimadzu. L’instrument fonctionnait comme MS à simple quadripôle pour la détection SIM et comme MS à triple quadripôle pour les analyses MRM, l’argon étant utilisé en tant que gaz de collision. Un générateur d’hydrogène de Peak Scientific (Precision Hydrogen 500cc) a fourni le gaz vecteur haute pureté. La colonne utilisée était une Restek Rxi-XLB (20 m x 0,18 mm x 0,18 µm). Des échantillons ont été injectés en utilisant une injection pulsée sans diviseur à 150 kPa pendant 0,5 min dans une entrée chaude avec/sans diviseur (280 °C). Le gaz vecteur a circulé à une vitesse linéaire constante s’élevant à 80 cm-1. La vitesse d’augmentation de la température du four a été réglée de telle sorte que l’échantillon peut être séparé en environ 11 minutes.

Figure 2. Séparation déterminante des PCB 28 et des PCB 31 réalisée avec le MRM. La concentration du composé sur la colonne s’élevait à 5 pg. La résolution chromatographique entre les crêtes s’élevait à R > 0,94 min.

Figure 3. Signal MRM pour fluoranthène. La pseudo-transition 202,1 > 202,1 (rouge) montre une meilleure sensibilité que la transition SRM 202,1 > 199,9 (noir).

Optimisation des transitions de suivi de réaction multiple

Les courbes d’étalonnage ont été définies dans la plage comprise entre 0,5 et 50 pg µL-1 pour les PCB et entre 5 et 500 pg µL-1 pour les HAP. Les transitions de suivi de réaction multiple pour les congénères PCB sont relativement simples à optimiser en raison de la stabilité de leurs fragments. En outre, elles permettent une sensibilité élevée. L’analyse des HAP avec des détecteurs MS à triple quadripôle n’offre qu’une sensibilité légèrement supérieure à celle des instruments utilisant la détection SIM grâce à la grande stabilité de la molécule.

Les transitions pseudo-MRM se sont révélées avantageuses dans l’analyse des HAP. Ainsi, les ions mères et filles sont réglés sur les mêmes masses, aussi bien sur le quadripôle 1 que sur le quadripôle 3. Cela entraîne un double filtrage des ions interférents. Ce double filtrage augmente la sensibilité, à une énergie de collision qui permet aux substances à analyser cibles de survivre tout en supprimant le bruit de la matrice. Pour le pseudo-MRM, l’optimisation des énergies de collision a donné des valeurs différentes dans les étalons et les échantillons. Alors que l’énergie optimale s’élevait à 5 V dans les échantillons étalons, dans les échantillons de sol, l’énergie optimale s’élevait à 10 V. Ce phénomène ne peut être expliqué que si l’énergie supérieure fragmente plus fortement les composants de la matrice sans diminuer le signal du détecteur. Une augmentation de l’énergie de collision au-dessus de ce niveau conduit à une diminution de la force du signal des transitions pseudo-MRM pour le fluoranthène.

Comparaison d’échantillons de sol réels

Un échantillon de sol préparé a été analysé en utilisant les méthodes traditionnelles de HPLC-par UV/fluorescence et GCECD. L’analyse HPLC a donné une teneur totale en HAP dans l’échantillon s’élevant à 7,71 mg kg-1. L’analyse des HAP par GC-MS en mode SIM a donné une valeur s’élevant à 7,03 mg kg-1, tandis que l’analyse en mode MRM a montré que la teneur s’élevait à 8,08 mg kg-1. Une analyse simultanée de la teneur totale en PCB des échantillons pourrait être effectuée par GC-MS. Les résultats ont montré une teneur détectée en mode SIM s’élevant à 31 μg kg-1 et une teneur détectée en mode MRM s’élevant à 45 μg kg-1.

Pour les composants PCB, le triple quadripôle du GC-MS a donné une meilleure précision. En outre, il était capable de détecter les PCB 28 et les PCB 52 n’ayant pas été détectés par GC-ECD. L’analyse quantitative a montré des résultats du même ordre de grandeur. Cependant, la détection TQ -GC-MS donne des résultats plus sensibles que la détection GC-ECD, et des composés qui étaient précédemment inférieurs à la limite de détection étaient alors détectables en utilisant TQ-GC-MS. Avec une durée d’exécution totale de 11 minutes, l’analyse combinée est au moins deux fois plus rapide que les analyses classiques. Le gaz vecteur hydrogène donne une séparation chromatographique améliorée à des vitesses linéaires plus élevées.

Références :

1. Lin, Y.P. Talanta 9/2013, 113:41-48