Auteur : Patrick BERNARD-MOULIN*

* : Thermo Optek, Division Nicolet, 1 Square Franklin, 78180 Montigny le Bretonneux, tél : 01-39-30-53-00, fax : 01-39-30-53-03, E-mail : pbernard-moulin@thermo-optek.fr

UN NOUVEL ANALYSEUR INDUSTRIEL POUR LA QUALIFICATION ET L’ANALYSE DE COMPOSITION DE MELANGES DE VITAMINES

1) INTRODUCTION

A) Le Proche IR est une solution analytique appropriée pour le contrôle en réception des matières premières, le suivi de fabrication, la validation de formulation ou de conformité des produits finis.

Ce sont les groupements R-H qui possèdent les harmoniques les plus fortes car leur moment dipolaire est élevé. Les liaisons de type OH,NH,CH,SH sont fortement absorbantes dans le Proche IR.(1)

Les avantages de l’analyse Proche IR sont liés à la nature même de l’absorption : les bandes sont moins intenses donc le trajet optique peut être plus grand et par conséquent l’échantillonnage sera facilité.

Le rapport signal sur bruit en Proche IR est significativement plus élevé qu’en infrarouge moyen.

A partir de ces deux caractéristiques(trajet et sensibilité) on peut tirer un certain nombre d’avantages pour la technique :

. analyse d’un volume d’échantillon plus représentatif et absence de préparation

. analyse in situ c’est à dire au travers du verre ou des emballages

. précision et exactitude

. rapidité d’analyse

. pas d’utilisation de produits chimiques potentiellement toxiques

. simplicité d’utilisation.

B) La spectroscopie Proche IR joue une rôle important depuis quelques années dans l’industrie pharmaceutique, en cosmétologie, en chimie et industrie des polymères et bien sûr en agroalimentaire.

2) INSTRUMENTATION

Contrairement au moyen infrarouge où la technologie par transformée de Fourier est la seule actuellement utilisée, en Proche IR plusieurs approches coexistent :

Systèmes à filtres, dispersifs, appareils à Transformée de Fourier de type Michelson, appareils à Transformée de Fourier de type polarisation, AOTF,systèmes à barrettes de diodes, systèmes multisources

C’est souvent l’objectif visé, la précision et la vitesse de mesure ainsi que la localisation de l’appareil ( at line, in line, on line) qui déterminent le choix de l’une ou l’autre des technologies.

L’ analyseur utilisé est le modèle ANTARIS fondé sur une technologie Interféromètre de Michelson et Transformée de Fourier qui implique les avantages suivants(2) :

. Exactitude et précision en nombre d’onde(0,01cm-) grâce à la calibration interne faite par le laser HeNe

. Résolution 2cm-1 sur toute la gamme spectrale couverte

. Pas de lumière parasite donc meilleure précision photométrique

. Avantage de Felgett consistant à mesurer simultanément toutes les longueurs d’onde

D’autre part ce modèle se caractérise par

. Une optique constituée de pièces préalignées enfichables sur un châssis : ceci garantit que tout analyseur fabriqué a les mêmes caractéristiques et qu’il restera inchangé pendant toute la durée de son utilisation. Il s’agit d’un point fondamental pour transférer des étalonnages entre différents analyseurs ou pour pérenniser un étalonnage sur un analyseur donné lorsqu’une maintenance est effectuée.

. La possibilité sur un seul analyseur d’avoir toutes les techniques d’échantillonnage , transmission, sphère d’intégration et fibres optiques. Toutes ces techniques qui permettent de répondre à tous les types d’échantillons potentiels sont réunies sur un seul appareil et le passage de l’une à l’autre se fait sans aucune manipulation ou alignement

. Un analyseur ProcheIR-TF est un appareil monofaisceau qui nécessite donc de faire précéder la mesure de l’échantillon par celle d’une référence. Les analyseurs utilisent donc généralement des références externes(spectralon par exemple) qui doivent être manipulées par l’utilisateur. Il a été établi que cette manipulation permanente était la principale source d’erreur en spectroscopie Proche IR ; en effet la référence finit par être souillée ou bien l’utilisateur n’utilise pas la bonne. Sur ANTARIS tous les modules d’échantillonnage sont équipés de leur propre référence interne et toute manipulation est donc évitée.

3) ILLUSTRATION DES AVANTAGES APPORTES PAR UN ANALYSEUR PROCHE IR DE TYPE ANTARIS : EXEMPLE DE L’ANALYSE DE VITAMINES

L’analyse quantitative de vitamines sous diverses formes est importante pour s‘assurer de l’efficacité, de la pureté et de la stabilité des composants.

L’exemple porte sur un mélange de type complexe B avec de la vitamine C constitué de 7 composants. La gamme de quantification a été poussée aux extrêmes de façon à pouvoir suivre l’influence des facteurs étudiés.

Le mode d’échantillonnage choisi est la sphère d’intégration munie d’un détecteur InGaAs , le temps de mesure est de 30s.

L’influence de la résolution et de la sensibilité sont évaluées et l’intérêt d’un analyseur à transformée de Fourier est démontrée sur la base de la robustesse d’un étalonnage et du transfert de méthodes

1. Influence de la résolution
2. Figure 2 : Influence de la résolution sur la définition spectrale

   La figure 2 montre que l’accroissement de la résolution se traduit par une meilleure définition spectrale qui permet une lecture plus fine de la structure. La résolution plus élevée facilitera la différentiation entre des produits proches.

Figure 3 : Influence de la résolutionsur le coefficient de corrélation

Pour étudier son influence sur l’analyse quantitative la résolution est variée de 4cm-1 à 32cm-1, le nombre de scans est constant, l’analyse quantitative est faite avec PLS avec un nombre de facteurs déterminé automatiquement pour chaque composant de façon à minimiser l’erreur de validation croisée. Le facteur de corrélation est utilisé pour comparer les différents étalonnages en fonction de la résolution. On observe sur la figure 3 que pour un composant mineur du mélange(la pyridoxine) le coefficient de corrélation est sensiblement amélioré ; ceci indique que l’accroissement de résolution (lié au modèle d’analyseur) permet d’améliorer la précision de la détermination quantitative et la limite de quantification.

 

1. Transfert de méthodes

   Les étalons(au nombre de 99) sont mesurés sur un analyseur à la résolution de 16cm-1. L’analyse est faite avec PLS et les facteurs sont calculés de façon à minimiser l’erreur de validation croisée. Aucune correction spectrale ou de trajet optique est effectuée.

   La validation est faite sur le même analyseur mais aussi sur deux autres analyseurs(target 1 et target 2) afin de tester le transfert de méthodes.

Figure 4 : Transfert d’étalonnages entre différents appareils pour un composant majoritaire

La figure 4 montre que pour un constituant majoritaire, l’acide ascorbique, la qualité de la prédiction d’échantillons inconnus est la même sur les trois analyseurs et aucune correction n’est nécessaire pour transférer une méthode.

Figure 5 : Transfert d’étalonnages entre différents appareilspour un composant type

 

Pour un composant comme la thiamine on observe un décalage entre les valeurs prédites sur l’analyseur utilisé pour l’étalonnage et celles prédites sur les deux instruments cibles(Figure 5). Un tel décalage peut être corrigé par logiciel mais il est préférable de s’en affranchir par un traîtement préalable des données.


 

1. Traitement des données

Le traitement des données peut éliminer ou réduire le besoin d’apporter un correctif à l’étalonnage lorsque l’on transfère une méthode. Ainsi faire une dérivée accompagnée d’un lissage améliore l’étalonnage pour les différents composants du mélange comme l’illustre le cas de l’hydroxy mehtyl cellulose.Les figures 6 et 7 montrent que le pré traitement des données réduit les différences spectrales dues à l’échantillonnage et conduit à un meilleur transfert d’étalonnages entre appareils.

Figure 7 : Transfert d’étalonnage avec pré traitement

pré traitement des donnée des données.

CONCLUSIONS

. La résolution et la sensibilité associées à un analyseur Proche IR par Transformée de Fourier sont des paramètres corrélés qui permettent une meilleure lecture des différences spectrales et par conséquent un meilleur étalonnage.

. Le transfert de méthodes entre analyseurs différents conçus sur le principe d’optiques préalignées est possible et se fait le plus souvent sans correction ou avec un simple décalage des valeurs.

. Les méthodes de pré traitement des données rendent plus robustes les étalonnages et améliorent le transfert entre analyseurs.

BIBLIOGRAPHIE

1. R.F. Goddu et D.A.Delker " Spectra –Structure Correlations for the Near-Infrared Region " Anal.Chem.1960,32, 140-141
2. Todd Clermont, Leza Luchetta, Nicolet Industrial Solutions Note ISN 0001 2/00