FR3167207A1

FR3167207A1 - Système automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons

Info

Publication number: FR3167207A1
Application number: FR2410815A
Authority: FR
Inventors: Emmanuel Scorsone; David FRAS
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2024-10-07
Filing date: 2024-10-07
Publication date: 2026-04-10

Abstract

L’invention porte sur un système automatisé (1) d’analyse électrochimique multi-échantillons qui comprend : un porte-échantillons (2) apte à recevoir :une pluralité de récipients (16) contenant chacun une solution d’analyse ; et un premier réservoir pour une solution de réactivation de surface ; une sonde (5) portant une électrode de travail à base de diamant dopé (6) et une contre électrode (7) ;un contrôleur (8) ; une plate-forme robotisée (9) apte à être pilotée par le contrôleur pour réaliser un déplacement relatif de la sonde et du porte-échantillons de manière à immerger les électrodes séquentiellement dans la solution de réactivation de surface puis dans la solution d’analyse de l’un des récipients. Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

Système automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons

Le domaine de l’invention est celui de l’analyse chimique en laboratoire, plus particulièrement au moyen d’électrodes à base de diamant dopé.

Il existe de nombreuses méthodes pour l’analyse chimique en laboratoire. Parmi celles-ci, on peut citer par exemple les approches chromatographiques, la spectrométrie de masse ou encore les méthodes colorimétriques. Ces méthodes qui ont fait leurs preuves dans de nombreux domaines d’analyse (santé, agroalimentaire, industrie, environnement, etc.) peuvent toutefois ne pas être adaptées à l’analyse de certains composés spécifiques. Ces composés (notamment redox) pourraient être avantageusement analysés par des méthodes électrochimiques.

Si l’analyse électrochimiques a largement été rapportée dans la littérature scientifique pour de nombreuses cibles chimiques, il n’existe pourtant pas de dispositif d’analyse de laboratoire pouvant analyser une multitude d’échantillons de façon automatisée. La raison principale est que lors des analyses électrochimiques, les électrodes s’encrassent suivant divers phénomènes (électro dépôts, adsorption en surface, biofilm, etc.), ce qui induit en général une dérive dans les mesures d’échantillons successifs. Il existe une exception à cela : la polarographie. Cette dernière est une forme particulière de la voltampérométrie qui utilise comme électrode de travail une électrode de mercure à gouttes tombantes. Ainsi, chaque mesure est réalisée sur une nouvelle goutte de mercure et donc l’encrassement de l’électrode n’est plus un problème. En revanche, cette méthode utilise du mercure qui possède un degré de toxicité élevé à la fois pour l’homme et l’environnement. En outre, ce mercure doit être le plus pur possible ce qui nécessite un traitement particulier. Par ailleurs, sa mise en œuvre est peu compatible avec une analyse automatisée multi-échantillons. Enfin, elle se limite à des analyses pour lesquelles la goutte de mercure constitue un matériau d’électrode approprié en termes de fenêtre de potentiels, etc. Pour le reste, même si des méthodes d’activation d’électrodes (par exemple métallique) existent, consistant par exemple à pratiquer des cycles de voltampérométrie dans des solutions acides, etc., elles sont très peu fiables sur le long terme et en général, la seule approche fiable pour régénérer la surface encrassée est un polissage de la surface de l’électrode. Une telle technique s’avère rédhibitoire quand il s’agit de pratiquer des mesures ampérométriques de façon répétées et automatisées.

L’invention a pour objectif de proposer un système automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons dont les mesures d’échantillons successifs ne sont pas entachées de problème de dérive.

A cet effet, l’invention propose un système automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons, comprenant :

un porte-échantillons apte à recevoir :
- une pluralité de récipients contenant chacun une solution d’analyse ; et
- un premier réservoir pour une solution de réactivation de surface ;
une sonde d’analyse portant des électrodes dont une électrode de travail à base de diamant dopé et une contre électrode ;
un contrôleur ;
une plate-forme robotisée apte à être pilotée par le contrôleur pour réaliser un déplacement relatif de la sonde d’analyse et du porte-échantillons de manière à immerger les électrodes séquentiellement dans la solution de réactivation de surface puis dans la solution d’analyse de l’un des récipients ;
un instrument de mesure électrochimique couplé aux électrodes et apte à être piloté par le contrôleur pour, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, appliquer aux électrodes un protocole de mesure électrochimique et, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution de réactivation de surface, appliquer aux électrodes un protocole de réactivation de surface.

Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants :

il comprend en outre :
- un deuxième réservoir pour une solution de référence ;
- une électrode de référence immergée dans la solution de référence ;
- un pont salin dont une première extrémité est immergée dans la solution de référence et dont une deuxième extrémité est reliée à la sonde d’analyse de telle manière que, lorsque les électrodes de la sonde d’analyse sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, la deuxième extrémité est également immergée dans la solution d’analyse ;
il comprend en outre un détecteur optique et la plate-forme robotisée est en outre apte à être pilotée par le contrôleur de manière à ce que, lorsque les électrodes de la sonde d’analyse sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, ledit récipient est placé devant le détecteur optique ;
la sonde d’analyse comprend un épaulement, le porte-échantillons comprend une plaque et une pluralité de porte-récipients, chaque porte-récipient comprenant une bague apte à enserrer un récipient et un élément élastique en appui d’une part sur la bague et d’autre part sur la plaque pour faire passer le récipient d’une position de repos à une position d’analyse lorsque l’épaulement de la sonde vient en appui sur la bague ;
la plateforme robotisée comprend une platine avec un déplacement en xy apte à recevoir le porte-échantillons et un bras avec un déplacement en z apte à recevoir la sonde d’analyse ;
le bras est également apte à recevoir le deuxième réservoir et l’électrode de référence ;
le premier réservoir est apte à recevoir un volume de solution de réactivation de surface au moins cinq fois supérieur à un volume de solution d’analyse contenue dans l’un des récipients.

D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- laFIG. 1est un schéma d’un système automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons conforme à une réalisation possible de l’invention ;

- les figures 2 et 3 sont des schémas représentant deux modes de réalisation possibles d’un agencement d’une électrode de référence et d’un deuxième réservoir pour une solution de référence dans le système selon l’invention ;

- les figures 4A et 4B sont des schémas illustrant une réalisation possible d’une présentation automatisée d’un récipient d’analyse devant un détecteur optique afin de réaliser des mesures d’électrochimiluminescence.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

En référence à laFIG. 1, l’invention concerne un système automatisé 1 d’analyse électrochimique multi-échantillons. Ce système trouve notamment application à l’analyse d’échantillons alimentaires (résidus de pesticides dans des extraits végétaux ou des boissons par exemple), à l’analyse de fluide biologique (tel que l’urine, par exemple pour la détection des nitrites dans le cadre du diagnostic de l’infection urinaire), à la détection de stupéfiants dans la salive. Dans une réalisation possible, ce système peut également permettre de réaliser des analyses selon des méthodes d’électrochimiluminescence (ECL), pour, par exemple, la détection des tryptophanes ou encore le dosage du 3-méthyindole extrait du gras de porc.

Ce système 1 comprend un porte-échantillons 2 apte à recevoir une pluralité de récipients contenant chacun une solution d’analyse ainsi qu’un premier réservoir pour une solution de réactivation de surface. Le porte-échantillons 2 prend la forme d’un plateau ou d’un carrousel dans lequel sont ménagés des porte-récipients 3 (dont un exemple de réalisation sera décrit en liaison avec les figures 4A et 4B) ainsi qu’un réceptacle 4 pour le premier réservoir.

Le porte-échantillons 2 peut par exemple accueillir de 10 à 100 porte-récipients. Il est à noter que si le porte-échantillons accueille par exemple 50 porte-récipients, 50 récipients ne seront pas nécessairement analysés à chaque cycle d’analyse, mais autant que nécessaire entre 1 et 50.

Les récipients, qui peuvent prendre la forme de tubes d’analyse (de section ronde, carrée ou rectangulaire), permettent de contenir un volume de liquide suffisant pour réaliser une analyse, typiquement entre 10 et 50 mL. Ils présentent des dimensions compatibles avec les dimensions de la sonde d’analyse décrite ci-après et, le cas échéant, sont transparent dans la gamme spectrale d’intérêt pour l’analyse ECL, typiquement entre 300 et 700 nm. Ils sont de préférence constitués de verre (Pyrex, quartz, silice…). Si l’analyse est seulement électrochimique, la contrainte de transparence ne s’applique pas et des tubes en plastique peuvent être utilisés. Dans tous les cas, les tubes doivent être inertes chimiquement dans les conditions d’utilisation (pas de dégradation du tube, par exemple en présence de solvant organique, pas de relargage de polluants chimiques pour l’analyse).

Le système 1 comprend par ailleurs une sonde d’analyse 5 portant des électrodes dont une électrode de travail à base de diamant dopé 6 (par exemple au bore) et une contre électrode 7. La contre-électrode 7 est de préférence également à base de diamant dopé. Alternativement, la contre-électrode peut être constituée d’un métal noble tel que l’or ou le platine, ou encore être en inox.

La sonde d’analyse 5 est en un matériau inerte chimiquement, par exemple en Teflon ou en PEEK. Les électrodes 6, 7 sont disposées sur la sonde 5 de telles sortent qu’elles soient isolées électriquement l’une de l’autre et qu’elles puissent toutes les deux être mises en contact simultanément dans la solution d’analyse de l’un des récipients lors de l’immersion de la sonde dans cette solution.

Lorsque dopé, par exemple au bore, le diamant de synthèse présente des propriétés électrochimiques remarquables parmi lesquelles on peut citer :

une grande stabilité chimique et une grande résistance à la corrosion, permettant de travailler en milieux hostiles et/ou offrant une longue durée d’utilisation de telles électrodes,
une grande fenêtre de potentiel en milieu aqueux (>3V), permettant par exemple d’oxyder ou de réduire une plus grande gamme d’espèces chimiques qu’avec d’autres matériaux d’électrode - dans le but de les détecter, ou de les détruire dans le cas de la dépollution-,
et enfin une faible capacité de double couche permettant des rapports signaux/bruits plus élevés par exemple dans le cas de la détection ampérométrique d’espèces chimiques.

Le diamant de synthèse peut être fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur par épitaxie, dans un plasma contenant de l’hydrogène et le plus souvent du méthane comme source de carbone. Ce diamant peut être dopé au bore par l’ajout pendant la croissance de diborane ou de trimethylbore dans la phase gazeuse par exemple. Deux méthodes de croissance sont possibles : la méthode dite « par filament chaud » (HF-CVD) ou la méthode assistée par plasma microonde (MP-CVD).

Le plus souvent, le diamant polycristallin est privilégié pour les applications électrochimiques car il est plus facile et moins cher à produire que le diamant monocristallin. En particulier il est possible de déposer sur certains supports du diamant polycristallin sur des surfaces de plusieurs dizaines voire centaines de cm². Pour cela, un substrat est généralement ensemencé avec des nanoparticules de diamant. Ces particules de diamant vont croitre durant la croissance jusqu’à former un film continu (ou revêtement) à la surface du substrat.

Des analyses chimiques de plus en plus nombreuses sont rapportées dans la littérature à l’aide d’électrodes diamant dopé bore, en raison des intérêts cités ci-dessus de telles électrodes. Même si ces électrodes sont réputées pour être relativement moins sensibles à l’encrassement que d’autres matériaux d’électrodes, elles subissent malgré tout le même problème. Pour s’affranchir de ce problème, il a été proposé dans le brevet EP 2 675 941 B1 une méthode de réactivation efficace qui permet de régénérer/réactiver la surface de l’électrode diamant afin d’obtenir des réponses parfaitement reproductibles d’une mesure à l’autre. L’invention propose une mise en œuvre pratique de la méthode de réactivation du brevet EP 2 675 941 B1 dans le système 1 automatisé d’analyse électrochimique multi-échantillons.

Pour ce faire, le porte-échantillons comprend comme présenté ci-dessus un réceptacle 4 pour un premier réservoir d’une solution de réactivation de surface. Ce premier réservoir est apte à recevoir un volume de solution de réactivation de surface au moins cinq fois supérieur à un volume de solution d’analyse contenue dans l’un des récipients. Il est de la sorte possible de minimiser la contamination de la solution de réactivation de surface par effet de dilution lorsque la sonde d’analyse, trempée au préalable dans une solution d’analyse, est ensuite immergée dans cette solution de réactivation de surface. Le volume du premier réservoir est ainsi typiquement compris entre 50 et 500 mL, par exemple de 250 mL.

La solution de réactivation de surface est de préférence constituée du même solvant que celui des solutions d’analyse (par exemple eau, acétonitrile…). Ces solutions d’analyse comportent un sel de fond à une concentration comprise idéalement entre 0.05 M et 5 M (de préférence 1 M). Dans le cas où l’eau est utilisée comme solvant, les sels de fond sont choisis parmi LiClO₄, Na₂SO₄, NaCl, KCl. Un sel de fond utilisé dans le cas de l’acétonitrile peut être le tétrabutylammonium hexafluorophosphate ou le tétrabutylammonium tetrafluoroborate.

Par ailleurs, le système 1 comprend un contrôleur 8 et une plate-forme robotisée 9 apte à être pilotée par le contrôleur pour réaliser un déplacement relatif de la sonde d’analyse 5 et du porte-échantillons 2 de manière à immerger les électrodes séquentiellement dans la solution de réactivation de surface puis dans la solution d’analyse de l’un des récipients.

Le système 1 comprend par ailleurs un instrument de mesure électrochimique 10 (i.e., un potentiostat/galvanostat) couplé aux électrodes et apte à être piloté par le contrôleur 10 pour, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, appliquer aux électrodes un protocole de mesure électrochimique (par exemple un protocole de mesure voltampérométrique tel qu’un protocole de voltammétrie à onde carrée) et, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution de réactivation de surface, appliquer aux électrodes un protocole de réactivation de surface tel que celui décrit dans le brevet EP 2 675 941 B1.

Il s’avère ainsi possible de réactiver la surface de la ou des électrodes à base de diamant de la sonde d’analyse après la réalisation d’une mesure dans l’un des récipients et avant la réalisation d’une autre mesure dans un autre des récipients. Le contrôleur peut notamment être programmé pour permettre une telle réactivation de surface entre chaque nouvelle mesure ou série de mesures.

L’invention rend ainsi possible l’analyse automatisée de multiples échantillons sans dérive dans les mesures. Par ailleurs, avec la présence, sur le porte-échantillons, du premier réservoir pour la solution de réactivation de surface à côté des récipients d’analyse et avec l’utilisation de la même plateforme robotisée pour réaliser les mesures et la réactivation de surface, l’invention offre une facilité de mise en œuvre d’un tel protocole de réactivation de surface, et ce avec un impact réduit de la durée d’un tel protocole entre chaque nouvelle mesure ou série de mesures. Comme représenté sur laFIG. 1, le réceptacle 4 pour le premier réservoir peut notamment être agencé au centre du porte-échantillons 2 de manière à globalement limiter la durée du déplacement relatif de la sonde d’analyse et du porte échantillon pour faire passer la sonde d’une position d’analyse où elle est immergée dans une solution d’analyse à une position de réactivation de surface où elle est immergée dans la solution de réactivation de surface, et vice-versa. Enfin, le volume du premier réservoir est pensé pour permettre de multiples réactivations de surface sans problème de contamination.

Dans une réalisation possible illustrée sur laFIG. 1, la plateforme robotisée 9 comprend une platine avec un déplacement en xy apte à recevoir le porte-échantillons 2 et un bras avec un déplacement en z apte à recevoir la sonde d’analyse 5.

En référence auxFIG. 2et 3, le système comprend en outre un deuxième réservoir 11 pour une solution de référence, une électrode de référence 12 immergée dans la solution de référence de manière à l’isoler de la solution d’analyse pour éviter toute possibilité de contamination. Tout comme l’électrode de travail 6 et la contre-électrode 7, l’électrode de référence 12 est reliée à l’instrument de mesure électrochimique 10. Le système comprend par ailleurs un pont salin 13a, 13b dont une première extrémité est immergée dans la solution de référence et dont une deuxième extrémité est reliée à la sonde d’analyse 5 de telle manière que, lorsque les électrodes de la sonde d’analyse sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, la deuxième extrémité est également immergée dans la solution d’analyse. Le pont salin assure de telle manière une conductivité ionique entre la solution d’analyse et la solution de référence.

Le pont salin 13a, 13b peut prendre la forme d’un tube souple constitué d’un matériau inerte (par exemple PTFE ou PFA) rempli d’un gel chargé en sel. L’électrode de référence peut être une électrode calomel ou encore Ag|AgCl. La solution de référence est quant à elle typiquement une solution saline, de préférence à base de KCl (avec une concentration comprise entre 0.5 M et saturation, par exemple 3 M).

Dans une première réalisation possible illustrée sur laFIG. 2, le deuxième réservoir 11 est fixe relativement à la sonde d’analyse 5, ceci dans le but de faciliter le lien entre la solution de référence et la solution d’analyse par le pont salin et éviter tout problème éventuel de mobilité du tube constituant le pont salin 13a. Par exemple, le bras à déplacement en z peut également recevoir le deuxième réservoir 11 et l’électrode de référence 12. Le deuxième réservoir 11 se déplace ainsi en même temps que la sonde d’analyse en étant par exemple fixé et positionné directement au-dessus de la sonde d’analyse 5. Dans cette réalisation, le pont salin peut être constitué d’un tube en teflon de 20 cm de longueur et de diamètre interne 2 mm (externe 4 mm), rempli d’un gel d’agar-agar chargé d’une solution saturée en KCl.

Dans une deuxième réalisation possible illustrée sur laFIG. 3, le deuxième réservoir est fixe et immobile relativement au porte-échantillon tandis que la sonde d’analyse et le porte-échantillon peuvent être entraînées en un déplacement relatif (la sonde pouvant dans l’exemple illustré enFIG. 1être entrainé selon l’axe z). Dans ce cas, seul le pont salin est mobile, ce qui réduit considérablement l’encombrement de la sonde d’analyse qui n’a plus à porter le deuxième réservoir et l’électrode de référence.

Dans une variante de réalisation du système d’analyse selon l’invention, celui-ci est également configuré pour permettre la réalisation de mesures d’électrochimiluminescence (ECL). Pour ce faire, en référence à laFIG. 1, le système 1 comprend également un détecteur optique 14 capable de détecter les photons émis lors des réactions d’ECL et la plate-forme robotisée est apte à être pilotée par le contrôleur de manière à ce que, lorsque les électrodes 6, 7 de la sonde d’analyse 5 sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, ledit récipient est placé devant le détecteur optique 14. De telle manière, pendant une mesure ECL, la sonde d’analyse immergée dans la solution d’analyse est amenée automatiquement en face du détecteur optique.

Le détecteur optique 14 peut être un tube photomultiplicateur, une diode SiPM ou une diode à avalanche refroidie. Alternativement, le détecteur optique peut prendre la forme d’un réseau de diodes permettant l’enregistrement d’un spectre d’émission globale.

Le détecteur optique 14 peut être agencé en-dessous du porte-échantillons et logé dans un boitier présentant sur sa face supérieure un orifice permettant l’introduction d’une partie inférieure du récipient faisant l’objet de la mesure.

Par exemple, en référence aux figures 4A et 4B, le porte-échantillons 2 comprend une plaque traversée d’orifices de réception de récipients. Le porte-échantillons accueille une pluralité de porte-récipients comprenant chacun une bague 15 apte à être enfichée dans l’un des orifices et à venir enserrer un récipient 16 inséré dans l’orifice. Chaque porte-récipient comprend par ailleurs un élément élastique 17 tel qu’un ressort de compression en appui d’une part sur la bague 15 et d’autre part sur la plaque. La sonde d’analyse 5 comprend quant à elle un épaulement 18 apte à venir en appui sur la bague 15 lorsque la sonde est plongée dans le récipient 17, permettant de faire passer le récipient d’une position de repos (FIG. 4) à une position d’analyse (FIG. 4) où une partie inférieure du récipient dépasse de la plaque et peut ainsi être présentée devant le détecteur optique 14. Le retrait de la sonde d’analyse du récipient permet, sous l’effet d’une décompression de l’élément élastique du ressort 17, de faire repasser automatiquement le récipient dans sa position de repos.

Pour s’affranchir d’un signal de fond pouvant nuire à la mesure ECL, le système d’analyse 1 peut comprendre un capotage permettant de placer dans l’obscurité absolue l’échantillon objet de l’analyse ECL. Ce capotage vient notamment enfermer le porte-échantillons, la sonde d’analyse et le détecteur optique.

Claims

Système automatisé (1) d’analyse électrochimique multi-échantillons, comprenant :
un porte-échantillons (2) apte à recevoir :

une pluralité de récipients (16) contenant chacun une solution d’analyse ; et

un premier réservoir pour une solution de réactivation de surface ;

une sonde d’analyse (5) portant des électrodes dont une électrode de travail à base de diamant dopé (6) et une contre électrode (7) ;

un contrôleur (8) ;

une plate-forme robotisée (9) apte à être pilotée par le contrôleur pour réaliser un déplacement relatif de la sonde d’analyse et du porte-échantillons de manière à immerger les électrodes séquentiellement dans la solution de réactivation de surface puis dans la solution d’analyse de l’un des récipients ;

un instrument de mesure électrochimique (10) couplé aux électrodes et apte à être piloté par le contrôleur pour, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, appliquer aux électrodes un protocole de mesure électrochimique et, lorsque les électrodes sont immergées dans la solution de réactivation de surface, appliquer aux électrodes un protocole de réactivation de surface.
Système selon la revendication 1, comprenant en outre :
un deuxième réservoir (11) pour une solution de référence ;

une électrode de référence (12) immergée dans la solution de référence ;

un pont salin (13a, 13b) dont une première extrémité est immergée dans la solution de référence et dont une deuxième extrémité est reliée à la sonde d’analyse de telle manière que, lorsque les électrodes de la sonde d’analyse sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, la deuxième extrémité est également immergée dans la solution d’analyse.
Système selon l’une des revendications 1 et 2, comprenant en outre un détecteur optique (14) et dans lequel la plate-forme robotisée est apte à être pilotée par le contrôleur de manière à ce que, lorsque les électrodes de la sonde d’analyse sont immergées dans la solution d’analyse de l’un des récipients, ledit récipient est placé devant le détecteur optique.
Système selon la revendication 3, dans lequel la sonde d’analyse comprend un épaulement (18), le porte-échantillons comprend une plaque et une pluralité de porte-récipients, chaque porte-récipient comprenant une bague (15) apte à enserrer un récipient (16) et un élément élastique (17) en appui d’une part sur la bague et d’autre part sur la plaque pour faire passer le récipient d’une position de repos à une position d’analyse lorsque l’épaulement de la sonde vient en appui sur la bague.
Système selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la plateforme robotisée comprend une platine avec un déplacement en xy apte à recevoir le porte-échantillons et un bras avec un déplacement en z apte à recevoir la sonde d’analyse.
Système selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel le bras est également apte à recevoir le deuxième réservoir (11) et l’électrode de référence (12).
Système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier réservoir est apte à recevoir un volume de solution de réactivation de surface au moins cinq fois supérieur à un volume de solution d’analyse contenue dans l’un des récipients.