Conditions de synthese de phases monolithiques photopolymerisees a base d’acrylates

Afin de pouvoir insérer des monolithes dans des microsystèmes analytiques notre choix s’est porté sur des réactions de polymérisation photoinitiées (chapitre 1-paragraphe 5). L’originalité de ce mode de synthèse est de permettre la localisation du polymère dans une partie délimitée du capillaire ou du canal. Dans un premier temps, un mélange réactionnel dont la composition a été optimisée, permettant la synthèse de monolithes aux caractéristiques séparatives intéressantes a été étudié. Cependant, il a été nécessaire de réaliser une étape d’optimisation de certains paramètres, pouvant intervenir sur le processus de synthèse, et donc influer sur les propriétés structurales et séparatives du monolithe.

La description de synthèses in situ comporte parfois une étape précédant la polymérisation. Il s’agit d’un prétraitement de la surface du capillaire comprenant notamment une étape de silanisation. La nécessité de ce prétraitement est assez controversée et différents types de prétraitement sont décrits dans la littérature, cependant ces différences de protocole ont été peu évaluées. Néanmoins, nous pensons que cette étape est essentielle pour une immobilisation du monolithe dans la colonne. La réalisation de réactions de photopolymérisation nécessite l’utilisation d’une source d’irradiation UV. Selon les équipes synthétisant ce type de monolithe, le matériel utilisé varie d’une simple lampe UV à un appareil comprenant plusieurs lampes et permettant un suivi de certains paramètres du rayonnement, le niveau d’irradiation variant d’un matériel à l’autre.

La réaction de polymérisation 

Il existe deux manières de classer les réactions de polymérisation : celle de Carothers et celle de Flory, qui est la plus employée et qui sera donc décrite [1,2]. Cette dernière est basée sur les mécanismes réactionnels mis en jeu lors de la synthèse de polymères : les polymérisations sont ainsi classées en réaction par étapes ou en chaîne. La différence fondamentale existant entre ces deux types de réactions réside dans le temps nécessaire à la croissance de polymères de haut poids moléculaire. En effet, les réactions en chaîne produisent des polymères de haut poids moléculaire très rapidement, tandis que les réactions par étapes ne les produisent qu’en fin de réaction de polymérisation. La polymérisation par étapes se produit entre les groupements fonctionnels des réactifs. Il y a donc une plus forte probabilité qu’un dimère réagisse avec un monomère, en fort effectif, en début de réaction et qu’il y ait donc beaucoup de petites macromolécules en croissance. Ces dernières s’associent entre elles pour former des polymères de haut poids moléculaire en fin de réaction.

Principes et mécanismes de la polymérisation radicalaire en chaîne

Ces réactions peuvent se décomposer en trois phases distinctes : l’initiation, la propagation et enfin la terminaison. Brièvement, l’initiation correspond à la formation de monomères activés. Cette étape est lente et nécessite une énergie d’activation importante. La présence de groupements électronégatifs/positifs, ou d’une dissymétrie dans les molécules de monomères influe de façon importante sur la stabilité des radicaux formés et donc sur la vitesse de polymérisation. Ensuite, la propagation correspond à la croissance des chaînes formées précédemment. Cette étape est rapide et ne nécessite que peu d’énergie. Enfin, lorsque les chaînes ne croissent plus ou se désactivent, la phase de terminaison est atteinte. La cinétique du processus global dépend de l’étape d’initiation qui est cinétiquement limitante. Selon l’agent utilisé et le type de monomère employé, cette phase d’initiation présente des caractéristiques différentes.

Les polymères monolithiques utilisés lors de ces travaux sont synthétisés par photopolymérisation sous irradiation UV. La photoinitiation présente des avantages pratiques variés tels qu’une production de radicaux limitée aux zones irradiées ainsi qu’un début et un arrêt simple à maîtriser, en allumant et en éteignant la source lumineuse. De plus, la vitesse d’initiation peut être contrôlée par le choix combiné de l’intensité lumineuse, de la température, et de l’origine des radicaux. L’inconvénient majeur d’un tel mode d’initiation provient de la pénétration limitée des rayons lumineux au travers d’une certaine épaisseur du matériau, si celui-ci ne présente pas une absorbance non-nulle. Par exemple, l’utilisation de contenants en verre pose des problèmes de transparence au rayonnement UV pour des longueurs d’onde d’irradiation inférieures à 300 – 325 nm. Il faut alors utiliser des contenants en quartz qui présentent une bonne transmission des longueurs d’onde en dessous de 300 – 325 nm.

Initiation photochimique

Plusieurs mécanismes peuvent être à l’origine de la production de radicaux : par un phénomène de photolyse du monomère sous irradiation, à partir d’un initiateur appelé aussi amorçeur ou grâce à un composé photosensible qui sert d’intermédiaire.

● Concernant la photolyse, l’absorption d’un quantum lumineux par un monomère M donne lieu à un état excité (M)* : M + hν → (M)*

Cette espèce excitée subit ensuite une homolyse et produit des radicaux, R• , capables d’initier la polymérisation d’un monomère.

(M)* → R• + R’•
La nature des radicaux R• et R’• n’est généralement pas bien définie.

● L’utilisation de composés photosensibles peut être un autre moyen d’initier une polymérisation photochimique. Ils provoquent l’homolyse d’un monomère ou d’un initiateur, C, pour lequel l’irradiation ne serait pas suffisante ou la fréquence lumineuse mal adaptée. Cet agent reçoit l’excitation d’une radiation et transfère cette énergie au composé C :

Z + hν → (Z)*
(Z)* + C → Z + (C)*
(C)* → R• + R’•

Ainsi, bien que l’espèce C ne puisse être excitée directement par les radiations lumineuses de fréquence ν, l’absorption d’énergie est réalisée grâce à l’espèce Z qui est ainsi capable de la transférer à une fréquence pouvant être absorbée par le composé C.

En effet, certains initiateurs produisant des radicaux par homolyse thermique peuvent aussi être employés en tant que photoinitiateurs. Ces deux modes conduisent en général à la formation des mêmes radicaux. La photopolymérisation permet d’utiliser une gamme plus large d’initiateurs comparée à la polymérisation thermiquement induite. De plus, les réactions photolytiques présentent une plus grande sélectivité des liaisons clivables, et donc des radicaux formés, que les réactions d’homolyse thermique. Ces dernières se produisent à de très hautes températures générant un grand nombre de radicaux différents car plusieurs types de liaison peuvent être cassés.

Les composés azo, comme le 2,2’-azobisisobutyronitrile ou AIBN par exemple, se dissocient facilement non pas à cause d’une liaison faible comme c’est le cas pour les peroxydes car l’énergie de la liaison C-N est élevée, mais parce qu’elle donne lieu à la formation d’une molécule très stable, de diazote, ce qui est le moteur de la réaction.

Réactions de terminaison 

Il existe plusieurs types de processus permettant de mettre fin à une réaction de polymérisation.
● Un cas rare correspond à la cyclisation d’une macromolécule en croissance, ce type de désactivation intervient généralement pour une faible part dans les réactions de polymérisation. Le cas le plus fréquent correspond à la collision de deux macromolécules en croissance qui vont s’associer ou se désactiver par transfert d’hydrogène.
● Un autre processus de désactivation procède par la fixation de l’initiateur sur la partie réactive du polymère en croissance. En effet, une partie des radicaux permettant d’initier des réactions de polymérisation vont aussi participer à des réactions de terminaison et ainsi limiter le degré de polymérisation des macromolécules.
● D’autres phénomènes peuvent induire des désactivations : la présence d’impuretés (acides, bases, O2…), d’agents inhibiteurs ou de composés retardant la polymérisation. Les inhibiteurs réagissent avec les radicaux dès leur formation et ainsi la phase de propagation ne peut avoir lieu tant qu’il est présent en solution. Ils retardent ainsi la tenue de la réaction de polymérisation en accroissant le temps nécessaire à la phase d’initiation. Les retardateurs présentent le même fonctionnement que les inhibiteurs mais ils n’auront pas une action systématique de neutralisation des centres actifs.
● Les impuretés présentes dans les solvants et les monomères utilisés peuvent ainsi provoquer des phases d’initiation plus ou moins prolongées.

Remarques générales sur les facteurs influençant la polymérisation 

Des travaux décrivant les conditions de synthèse et leur influence sur le polymère obtenu ont été réalisés sur divers types de mélanges mais ne traitent pas du cas particulier des monolithes. Cependant, on peut en tirer quelques conclusions générales sur l’importance de divers paramètres qui correspondent aux équations décrites précédemment.

1- Le monomère est le facteur principal d’un système photoinduit, de par la réactivité ou les propriétés chimiques et physiques qu’il présente. Cependant, en dehors du monomère, d’autres facteurs vont influencer les réactions de photopolymérisation : le type d’initiateur, sa concentration, la présence d’inhibiteur, la température, le spectre d’émission de la lampe et son intensité [6,7].

2- Le choix de l’initiateur et du matériel d’illumination est primordial afin d’obtenir de bonnes conditions pour une photopolymérisation. En effet pour avoir une vitesse de polymérisation suffisante, il faut que le spectre de la lampe UV présente un maximum qui corresponde au maximum d’absorbance de l’initiateur. Un autre paramètre important est l’intensité des radiations émises par la lampe. Ainsi, une irradiation à une longueur d’onde moins appropriée peut être compensée par une intensité plus importante de la source lumineuse [6].

3- La réactivité élevée des acrylates et méthacrylates lors de photopolymérisation a été soulignée ainsi que leur possibilité à être modifiés par la présence de groupements esters sur le polymère [7,8].

Le type de mélange réactionnel étudié lors de ces travaux a été défini dans le chapitre précédent. Brièvement, il s’agit d’un mélange contenant des monomères à base d’acrylates, de solvants porogènes et d’AIBN comme initiateur. L’optimisation de la concentration en initiateur et en monomère ayant déjà été menée, les proportions optimisées ont été conservées [9]. Toutefois, il a fallu déterminer et adapter les conditions de synthèse : choix d’une source lumineuse, temps d’exposition.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. BIBLIOGRAPHIE GENERALE
1. Les phases particulaires
1. 1 Description des phases stationnaires particulaires
1. 2 Description des procédés de fabrication
1. 2. 1 Remplissage de la colonne
1. 2. 2 Immobilisation des phases stationnaires : fabrication de frittés
1. 3 Avantages et inconvénients des phases stationnaires particulaires
2. Les colonnes non remplies, phases en tube ouvert
2. 1 Description des procédés de préparation et des chimies de phases stationnaires associées
2. 1. 1 Phases greffées ou physisorbées
2. 1. 2 Phases liées chimiquement
2. 1. 3 Phases à base de polymère inorganique obtenues par le procédé sol-gel
2. 1. 4 Phases à base de polymères organiques
2. 2 Avantages et inconvénients des colonnes non remplies
3. Les phases monolithiques
3. 1 Origine et description de ce type de phase stationnaire
3. 1. 1. Définition et origine
3. 1. 2. Caractéristiques des phases monolithiques
3. 2 Description des principaux types de matériaux monolithiques
3. 2. 1 Monolithes inorganiques
3. 2. 1. 1- Colonnes monolithiques à base de particules immobilisées
3. 2. 1. 2-Colonnes monolithiques obtenues in situ par le procédé sol-gel
3. 2. 2 Monolithes organiques réalisés in situ
3. 2. 2. 1-Monolithes obtenues par métathèse et ouverture de cycles
3. 2. 2. 2-Phases stationnaires obtenues par polymérisation radicalaire
3. 3 Phases monolithiques adaptées à l’ECC
3. 3. 1. Les phases utilisant le procédé sol-gel
3. 3. 2. Les phases à base de monomères organiques
3. 4 Comparaison des technologies de colonne en ECC et choix retenu
4. Phases monolithiques organiques photopolymérisées in situ
4. 1 Processus de polymérisation
4. 2 Influence des divers constituants du mélange sur la structure et les propriétés séparatives du monolithe
4. 2. 1 Concentration en initiateur et conditions d’illumination
4. 2. 2 Influence du rapport des solvants porogènes
4. 2. 3 Influence du rapport entre les monomères et les solvants
4. 2. 4 Influence du pourcentage en agent réticulant
4. 2. 5 Influence du pourcentage en monomère chargé
4. 3 Fonctionnalités de surface des monolithes
4. 4 Monolithes développés au laboratoire
5. Les microsystèmes séparatifs
5. 1 Description et intérêts des microsystèmes
5. 2 Les microsystèmes séparatifs électrophorétiques
5. 3 Microsystèmes séparatifs électrochromatographiques
5. 3. 1 Structures microfabriquées
5. 3. 2 Canaux remplis de particules
5. 3. 3 Monolithes polymériques poreux formés in situ dans les microcanaux
6. Principes de l’électrochromatographie capillaire
6. 1 Principe et définition
6. 2 Flux électroosmotique et électromigration
6. 2. 1 Flux électroosmotique en EC
6. 2. 2 Flux électroosmotique en électrochromatographie capillaire
6. 2. 3 L’électromigration
6. 3 Rétention en ECC
6. 4 Efficacité et phénomènes de dispersion
7. Conclusion
8. Références bibliographiques
CHAPITRE 2. CONDITIONS DE SYNTHESE DE PHASES MONOLITHIQUES PHOTOPOLYMERISEES A BASE D’ACRYLATES
1. Introduction
2. La réaction de polymérisation
2. 1 Principes et mécanismes de la polymérisation radicalaire en chaîne
2. 1. 1 Initiation photochimique
2. 1. 2 Phase de propagation
2. 1. 3 Réactions de terminaison
2. 2 Vitesse globale des réactions de polymérisation en chaîne
2. 2.1 Cas général
2. 2. 2 Cas des réactions de photopolymérisation
2. 2. 2 Remarques générales sur les facteurs influençant la polymérisation
3. Etat de l’art sur l’influence des paramètres énergie d’irradiation UV et prétraitements du capillaire sur la réaction de polymérisation
3. 1 Energie d’irradiation UV
3. 2 Traitement de surface du capillaire
3. 2. 1 Définition et description
3. 2. 1. 1- Activation des sites sous forme silanol
3. 2. 1. 2- La réaction de silanisation
3. 2. 2 Polymérisation sans aucun prétraitement
3. 2. 3 Polymérisation utilisant un mélange réactionnel contenant un agent silanisant
3. 2. 4 Description des différents protocoles de prétraitement et de silanisation
4. Influence du prétraitement du capillaire sur les caractéristiques séparatives et optimisation
4. 1. Conditions de prétraitement
4. 2. Evaluation des performances (méthodologie)
4. 2. 1 Analyses électrochromatographiques
4. 2. 2 Images MEB
4. 3. Comparaison des méthodes de prétraitement par les images MEB
4. 4. Comparaison des méthodes de prétraitement par les facteurs de rétention
4. 5. Comparaison des méthodes de prétraitement par les courbes de van Deemter
4. 6. Conclusions
5. Optimisation de l’énergie d’irradiation imposée sur l’obtention d’un matériau analytique
5. 1. Choix et description des protocoles opératoires
5. 2. Evaluation des performances
5. 2. 1 Par électrochromatographie
5. 2. 2 Par MEB
5. 3. Comparaison des énergies d’irradiation par les images MEB
5. 3. 1 Energies inférieures à 3 J/cm²
5. 3. 2 Energies supérieures ou égales à 20 J/cm²
5. 3. 3 Energies comprises entre 3 et 20 J/cm²
5. 4. Comparaison des énergies d’irradiation par les facteurs de rétention
5. 5. Comparaison des énergies d’irradiation par les courbes de van Deemter
5. 3. 1 Monolithes préparés avec des énergies comprises entre 3 et 12 J/cm²
5. 3. 1 Monolithes préparés avec des énergies supérieures à 12 J/cm²
5. 6. Conclusions sur l’influence du paramètre énergie d’irradiation
6. Répétabilité et reproductibilité des phases monolithiques
7. Conclusion
8. Annexes
9. Références bibliographiques
CHAPITRE 3. UTILISATIONS DE PHASES MONOLITHIQUES POUR LA SEPARATION
1. Introduction
2. Caractéristiques physico-chimiques et chromatographiques des phases monolithiques étudiées
2. 1 Porosité
2. 1. 1 Rappels bibliographiques
2. 1. 2 Résultats expérimentaux
2. 2 Le Flux Electroosmotique (FEO)
2. 2. 1 Rappels bibliographiques sur le FEO en ECC
2. 2. 2 Résultats expérimentaux
2. 3 Conclusion
3. Modes de séparation étudiés
3. 1 Performances et comportements séparatifs des diverses colonnes monolithiques
3. 1. 1 Phase négativement chargée, effet de la variation de l’hydrophobie du monomère
3. 1. 2 Phases négativement chargées ,effet de la variation de la nature de la charge
3. 1. 3 Phases positivement chargées
3. 2 Etude des phénomènes rétentifs
3. 2. 1 Influence du pourcentage de solvant de la phase mobile sur les phénomènes rétentifs
3. 2. 3 Influence de la force ionique sur les phénomènes de rétention
4. Comparaison avec la chromatographie électrocinétique micellaire capillaire (CEMC)
4. 1 Description de la CEMC
4. 2 Comparaison des séparations de mélanges tests en CEMC et en ECC
4. 2. 1 Présentation des composés des mélanges tests
4. 2. 2 Discussions sur les séparations obtenues
4. 3 Comparaison de ces deux techniques analytiques
5. Annexes
6. Références bibliographiques
CHAPITRE 4 : UTILISATION DES PHASES MONOLITHIQUES POUR LA PRECONCENTRATION
1. Introduction
2. Principe de préconcentration
2. 1 En électrophorèse capillaire
2. 2 Préconcentration couplée en ligne avec la chromatographie en phase liquide
2. 3 En électrochromatohraphie capillaire
2. 3. 1 Techniques développées pour la préconcentration
2. 3. 2 Evaluation d’un facteur d’enrichissement en signal
3. Méthodes et conditions utilisées pour la préconcentration en ECC
4. Augmentation de la sensibilité en ECC par augmentation du volume injecté
5. Préconcentration des échantillons aqueux
5. 1 Calculs théoriques
5. 2 Etude de l’élargissement de bande, choix du composé le plus polaire
5. 2. 1 Milieu de l’échantillon aqueux
5. 2. 2 Milieu de l’échantillon de force ionique égale à la phase mobile
5. 2. 3 Conséquences de l’élargissement de bandes lors de la préconcentration sur le FES et sur l’analyse quantitative
5. 2. 4 Recherche de la concentration minimale détectable
5. 3 Applications aux HAP et à d’autres composés
5. 3. 1 Les HAP
5. 3. 2 Les pesticides et les acides aminés
6. Conclusion
7. Références bibliographiques
CHAPITRE 5 : ADAPTATION DES TECHNOLOGIES ET METHODES DEVELOPPEES EN CAPILLAIRE AU FORMAT MICROSYSTEME
1. Introduction
2. Mise en oeuvre et adaptation du procédé de synthèse
2. 1 Caractéristiques des microsystèmes
2. 2 Adaptation des procédures développées en format capillaire au format microsystème
3. Séparations analytiques d’hydrocarbures polycycliques aromatiques (HAP) dans les microsystèmes
3. 1 Description des composés étudiés
3. 2 Optimisation des séparations observées
3. 2. 1 Influence du champ électrique sur la séparation
3. 2. 2 Influence de la largeur de la fenêtre de détection sur l’électrophorégramme expérimental
3. 2. 3 Longueur utile
3. 2. 4 Discussion sur l’optimisation de la séparation
4. Couplage des étapes : préconcentration et séparation
4. 1 Mise en œuvre d’une étape de préconcentration dans des microsystèmes
4. 2 Couplage d’une étape de préconcentration à la séparation
4. 3 Conclusion – perspectives
5. Vers des phases stationnaires spécifiques : développement de monolithes adaptés au greffage d’anticorps
5. 1 Etude bibliographique de la synthèse des phases monolithiques modifiées
5. 2 Développement d’une méthode permettant le greffage orienté d’anticorps
5. 2. 1 Synthèse et caractérisation du monolithe contenant des groupements carboxyle
5. 2. 2 Réaction et protocole de greffage d’une diamine sur les groupements carboxyle
5. 2. 3 Caractérisation de la phase greffée présentant des groupements amine
5. 2. 4 Perspectives : greffage d’anticorps
6. Annexes
6.1 Description du montage et du matériel utilisé pour les microsytèmes
6. 2 Modes d’injection en microsystèmes
6. 3 Calcul du champ électrique appliqué dans un microsystème lors d’une séparation
7. Références bibliographiques
CONCLUSION GENERALE

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