Caractérisation des NPs de TiO2 dans les aliments par Sp-ICP-MS

Optimisation de la méthode Sp-ICP-MS

Données de la littérature

Le Tableau 22 répertorie de nombreuses études sur la méthode Sp-ICP-MS. Plusieurs paramètres se distinguent à savoir le traitement de données utilisé, la méthode pour calculer l’efficacité de transport (TE), le temps d’acquisition (Dt) ou encore la méthode pour déterminer le seuil bruit de fond-particule. Ces différents paramètres seront étudiés pour pouvoir optimiser la méthode Sp-ICP-MS. Plusieurs éléments du tableau seront repris afin de les comparer avec les différentes optimisations qui vont être menées

Réactifs

 Les solutions étalons d’or (1000 µg/L), de titane (1000 µg/L) et de calcium ionique (1000 µg/L) proviennent de Astasol (Prague, République Tchèque). Le sulfate d’ammonium (99,999%), le chlorure de magnésium (≥ 98%) et l’hydrogénophosphate de sodium (> 98%) ont été achetés chez Sigma (Steinheim, Allemagne). Les nanoparticules (NPs) d’or proviennent de BBI Solution (Cardiff, RoyaumeUni) et leur diamètre moyen est garanti par le producteur à 51,2 nm (mais ce n’est pas considéré comme un Matériau de Référence Certifié (MRC)) à l’aide de la microscopie électronique. La concentration en particules est aussi garantie à 4,5×1010 particules/mL. L’acide nitrique (67-69%) provient de NORMATOM (Leuven, Belgique). Le méthanol (≥ 99,9%) a été acheté chez Merck (Darmstadt, Allemagne) tandis que l’acide acétique (NORMApur, > 99,8%) provient de VWR (Louvain, Belgique). L’eau ultra pure utilisée (18,2 mΩ) est obtenue à partir d’un système de purification d’eau Millipore Milli-QTM (Millipore S.A., St Quentin en Yvelines, France). Pour toutes les optimisations effectuées, le Matériau de Référence (MR) NM-100 sera utilisé. Ce matériau est constitué de NPs de TiO2 de structure cristallographique anatase, avec une surface spécifique de 9-10 m²/g. Le NM-100 a été caractérisé par le Joint Research Center (JRC) de la Commission européenne (Rasmussen et al., 2014). Les particules observées par Microscopie Électronique en Transmission (MET) présentent des diamètres variés allant de 20 à 660 nm, avec un diamètre moyen de 164,2 nm et une fraction nanoparticulaire en nombre de 27,1%. Ces deux valeurs ont servi de valeurs cibles pour les différentes optimisations. Le NM-102 n’a pas pu être utilisé comme pour l’AF4-ICP-MS car le diamètre des NPs est de l’ordre de 20 nm, ce qui est plus faible que la plupart des limites de détection en taille (LDt) obtenues avec la méthode Sp-ICP-MS (Tableau 22). 

Protocole d’étalonnage de l’ICP-MS

 Les analyses ont été effectuées avec un ICP-MS iCapQ de Thermo Scientific (Courtabœuf, France). Plusieurs paramètres de l’appareil sont contrôlés avant chaque analyse et sont présentés dans l’annexe (Annexe D, Tableau D2). Pour chaque optimisation, plusieurs manipulations ont été effectuées et sont détaillées dans les paragraphes suivants

Mesure du débit

Avant et après la séquence d’analyse, le débit d’introduction est mesuré. Cette mesure se fait à l’aide d’un flacon contenant de l’eau ultrapure dont la masse est mesurée avec une balance de précision XP 504 DR (Mettler-Toledo, Viroflay, France). L’eau est ensuite aspirée pendant 4 à 20 min par le système de nébulisation, puis la masse du flacon est de nouveau mesurée. Le débit est alors déterminé suivant l’Équation 16.

Mesure de l’Efficacité de Transport (TE) 

Le TE est déterminé avant chaque analyse. Une gamme d’étalonnage à partir de quatre solutions d’or ionique à 0 ; 0,5 ; 1 et 2 µg/L est préparée dans le même solvant utilisé pour disperser les particules de TiO2 afin d’avoir des conditions identiques. Une dispersion de NPs d’or de 50 nm à une concentration de 45 000 particules/mL est préparée en triplicata dans le même solvant que l’or ionique. La dispersion mère des NPs d’or est mise dans un bain ultrasons (Modèle 86483, Fisher BioBlock Scientific, Rungis, France) pendant 5 min à 140% de puissance avant de préparer les dispersions. Le TE est calculé à partir de la méthode basée sur la concentration des particules (voir paragraphe II.9.1.3) et de la méthode basée sur la masse des particules (voir paragraphe II.9.1.2). 

Etalonnage du titane

 Pour convertir les intensités mesurées des particules de TiO2 en diamètre, un étalonnage est réalisé à partir de sept solutions étalons de Ti ionique : 0 ; 0,25 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 5 ; 10 µg/L. Ces étalons sont préparés dans le même solvant que celui utilisé pour les dispersions de NPs de TiO2 et d’Au, afin d’avoir des conditions de milieu identique. Pour vérifier la qualité de l’analyse, un échantillon de NM-100 à 1 µg/L (à partir d’une dispersion mère de 1000 mg/L) est analysé après passage préalable aux ultrasons pendant 15 min. Le diamètre et la fraction nanoparticulaire sont contrôlés et un intervalle de confiance de 30% est arbitrairement fixé pour valider nos résultats par rapport aux valeurs cibles du JRC (164,2 nm et 27,1%). 

Séquence d’analyse 

Lors de la séquence d’analyse, un rinçage successif à l’acide nitrique (2%, v/v) et à l’eau ultrapure pendant 2 min est effectué après l’analyse de chaque échantillon contenant des particules. Avant injection, chaque échantillon est passé au vortex pendant 5 s afin de maintenir en suspension les particules. 

Traitement des données 

Le traitement des données est effectué à partir de la feuille de calcul interne précédemment optimisée (Cf. Chapitre IV). 

Optimisation du temps d’acquisition (Dt) 

Méthodes

 Afin d’optimiser le temps d’acquisition (Dt), une suspension de NM-100 est préparée à 1 µg/L dans de l’eau ultrapure et analysée pendant 3 min à différents Dt : 0,5 ; 1 ; 5 ; 10 ; 50 et 100 ms. Les différentes étapes présentées dans le paragraphe V.2.2.2 ont été réalisées. L’efficacité de transport (TE) utilisée est celle issue de la méthode basée sur la concentration des particules (voir paragraphe II.9.1.3). Lors de cette expérience, la feuille de calcul interne n’était pas encore finalisée et il n’était pas encore possible d’intégrer les signaux consécutifs (paragraphe IV.3.2.7). Le diamètre moyen et la fraction nanoparticulaire ont été mesurés et comparés avec les valeurs de référence du JRC (Rasmussen et al., 2014). 

Résultats et discussion 

La Figure 77 présente pour chaque Dt, la fraction nanoparticulaire et le diamètre moyen du NM-100 mesurés.Concernant les Dt de 50 et 100 ms, le diamètre moyen est surestimé tandis que la fraction nanoparticulaire est nettement sous-estimée. Cela est probablement dû au fait qu’avec des Dt élevés, la probabilité d’avoir deux particules concomitantes pendant une acquisition est plus élevée. De ce fait, la taille des particules est surestimée (Figure 60) et la fraction nanoparticulaire sous-estimée. A l’inverse, pour les Dt de 0,5 et 1 ms, le diamètre est sous-estimé et la fraction nanoparticulaire surestimée (Figure 60). Cela provient du fait que la probabilité de détecter une fraction de particule augmente et que la feuille de calcul interne utilisée pour cette optimisation n’était pas encore capable d’intégrer des signaux consécutifs liés à une particule (paragraphe IV.3.2.7). Les Dt de 5 et 10 ms permettent d’obtenir un diamètre moyen et une fraction nanoparticulaire proche des valeurs de référence fournies par le JRC. Un Dt de 10 ms fournit deux fois moins de données à traiter qu’un Dt de 5 ms pour un temps d’analyse identique. Par conséquent, le Dt de 10 ms est retenu pour la suite. Mitrano et al. (2012) ont aussi évalué différents Dt (0,1 à 20 ms) et ont également considéré qu’un Dt de 10 ms était optimal. Il est important de noter que plusieurs études ont mis en avant l’intérêt d’avoir un Dt de 100 µs pour diminuer la limite de détection en taille (Montaño et al., 2014 ; Abad-álvaro et al., 2016 ; Jiménez-Lamana et al., 2018). Néanmoins, les Dt compris entre 3 et 10 ms sont encore largement utilisés actuellement (Tableau 22)