BTS de BIOPHYSICIEN. Session. Épreuve de. TECHNIQUES d ANALYSES SPECTRALES & SEPARATIVES ÉPREUVE SUR 40 POINTS. Durée : 2h00. Matériel autorisé :

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1 BTS de BIOPHYSICIEN Session 2013 Épreuve de TECHNIQUES d ANALYSES SPECTRALES & SEPARATIVES ÉPREUVE SUR 40 POINTS Durée : 2h00 Matériel autorisé : Aucun document autorisé. Machine à calculer autorisée. Chaque exercice est indépendant. École Technique Supérieure du Laboratoire 95, rue du Dessous des Berges, PARIS

2 Exercice 1 : Dosage d'un conservateur par spectrophotométrie UV-Visible (14,5 points) On se propose de doser un conservateur présent dans un jambon blanc, le nitrite de sodium. La méthode employée est un dosage spectrophotométrique UV-Visible par étalonnage, qui permet de déterminer des concentrations faibles de conservateur et ainsi de réaliser un contrôle qualité sur un produit alimentaire. Ce dosage permet de doser indirectement les ions nitrite présents dans une solution par formation d'un composé fortement coloré. Le nitrite de sodium (E 250) est un conservateur présent dans les charcuteries. La norme européenne précise que le taux de nitrite de sodium maximum autorisé est de 150 mg par kilogramme de jambon. 1/ Les solutions de nitrite de sodium n'absorbent pas dans le visible, que peut-on en déduire sur l'aspect de ces solutions? (0,5 point) 2/ On veut transformer quantitativement les ions nitrite en une espèce colorée, dans quel but? (0,5 point) 3/ Cette espèce est un colorant azoïque dont la réaction de formation s'effectue en deux étapes comme indiquée sur la figure 1 ci-dessous : Figure 1 : 1ère étape : formation d'un ion diazonium (noté X) par action des ions nitrite sur l'acide sulfanilique - 2ème étape : substitution électrophile aromatique sur le cycle aromatique de la (N)-1- naphtyléhtylènediamine pour former le composé azoïque Y. En quoi la structure du composé Y permet-elle d'expliquer sa coloration rose-violette. (1 point) 2

3 4/ Au laboratoire, on veut extraire les ions nitrite, pour cela on hache une tranche de jambon, on pèse avec précision 44,1 g de jambon haché et on l'introduit dans un ballon de 500 ml. On chauffe à reflux, sous agitation pendant vingt minutes, puis on laisse refroidir. Après filtration, on récupère les liquides que l'on transfére dans un erlenmeyer de 250 ml. La solution obtenue est trouble : on observe des particules grasses en suspension. Il va être nécessaire de faire précipiter toutes ces substances pour les éliminer, expliquer pourquoi? (1 point) Après précipitation, on filtre la solution sur Büchner, puis on transfére le filtrat dans une fiole jaugée de 200 ml que l'on complète jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée. On obtient ainsi une solution limpide que l'on notera J. 5/ Préparation de la gamme : on dispose d'une solution S 1 de nitrite de sodium de titre précis à 13 mg.l -1. On veut préparer 50 ml de solutions S 2, S 3, et S 4 qui sont respectivement les solutions diluées au 1/5ème, 1/10ème et 1/25ème de la solution S 1. Liste du matériel : 20 ml de solution S 1, 200 ml de réactif R (R contient de l'acide sulfanilique, du (N)- 1-naphtyléthylènediamine, et de l'eau distillée), des fioles jaugées de 50, 20, et 10 ml, et différentes pipettes jaugées de 20, 10, 5, 2, et 1 ml. - a - Indiquer la procédure pratique à mettre en oeuvre. Vous présenterez vos résultats sous la forme d'un tableau. (volumes de S 1 et de R utilisés ainsi que les concentrations de chaque solution) (2 points) - b - Les solutions obtenues étant très colorées, on réalise une nouvelle dilution au 1/10ème de chacune des solutions précédentes, en fiole de 10 ml. Les solutions obtenues seront notées S' 1, S' 2, S' 3, et S' 4 pour les étalons et J' pour le dosage. Dans quel but, réalise-t-on cette nouvelle dilution? Indiquer la procédure pratique à mettre en oeuvre. Vous présenterez les valeurs des nouvelles concentrations sous la forme d'un tableau. (1,5 points) 3

4 6/ On effectue le spectre d'absorption visible de la solution S' 1 : Figure 2 : Spectre d'absorption de la solution S' 1 contenant le composé Y. Est-il cohérent avec la coloration rose-violette indiquée dans la question 3) de l'énoncé. Quel est l'intérêt de faire ce spectre et pourquoi? Déterminer par une méthode appropriée que vous préciserez, la valeur de la longueur d'onde de travail. (2 points) 4

5 7/ Les mesures donnant l'absorbance des solutions étalons S' i sont reportées dans le tableau 1 en fonction de la concentration en nitrite de sodium des solutions S' i (C' i (NaNO 2 ) : Tableau 1 : Valeurs d'absorbances mesurées A i en fonction des concentrations C' i des étalons de nitrite de sodium. i A i 0,831 0,176 0,116 0,061 C' i (mg.l -1 ) 1,3??? Le spectrophotomètre utilisé étant un spectrophotomètre monofaisceau, indiquer en pratique comment sont obtenues les valeurs d'absorbance A i. Quel type de cuve peut-on utiliser? Justifier. Tracer la courbe d'étalonnage A(S' i ) = f(c'(s i )) sur la feuille de papier millimétré fournie avec votre copie. (2 points) 8/ À partir de la courbe précédente, déterminer le coefficient d'absorption molaire ε du composé Y à la longueur d'onde de travail, en expliquant votre démarche (n'ometter pas d'indiquer l'unité correspondant à ε). La cuve utilisée possède un chemin optique de 1 cm. Donnée : masse molaire du nitrite de sodium : M(NaNO 2 ) = 69 g.mol -1. Conclure sur la valeur de ε. (1,5 point) 9/ Pour déterminer la concentration en conservateur ainsi que son écart-type dans le jambon étudié, il suffit de faire au moins trois mesures d'absorbance de la solution J'. La solution J' a été préparée de la même façon que les solutions S' i. on a mesuré A(J' 1 ) = 0,45 ; A(J' 2 ) = 0,46 ; et A(J' 3 ) = 0,48. En déduire les concentrations moyennes C' moy et C moy les écart-types s' moy et s moy, en nitrite de sodium dans les 200 ml de solution J, grâce à la courbe d'étalonnage. (1,5 points) Donnée : on rappelle que l'écart-type est donné par s =! =!!!"#$%&!"#$!"%&!!"#$%&!"#"!$%&!,!" Déterminer le taux de nitrite de sodium dans le jambon ici testé et indiquer s'il correspond aux normes européennes. (1 point) 5

6 Exercice 2 : Analyse rapide d'acides aminés par UHPLC avec utilisation d'un autoéchantillonneur (14 points) Les analyses d'acides aminés sont réalisées dans de nombreuses industries telles que les industries agroalimentaires et pharmaceutiques. De nombreuses méthodes de dérivation de composés tels que les acides aminés ont été mises au point afin d'améliorer la sensibilité et la sélectivité des analyses par HPLC. Dans cet exercice, la chaîne UHPLC utilisée comporte un détecteur fluorimétrique spécifique aux acides aminés dérivés. C'est la raison pour laquelle, il faut préalablement prétraiter (dériver) les acides aminés afin qu'ils soient détectables par fluorimétrie, et ce, à l'aide d'un échantillonneur automatique placé en amont de la colonne. 1/ Quel est l'intérêt d'utiliser une détection fluorimétrique plutôt qu'une simple détection par absorption UV/Visible? (0,5 point) 2/ Les conditions analytiques sont indiquées ci-dessous : - a - Quel type de chromatographie est utilisé ici (à phase inverse ou normale)? Indiquer à quoi correspondent les indications portées entre parenthèse pour la colonne. (2 points) - b - Tracer l'allure du gradient de concentration. (3 points) 6

7 - c - Dans le cas de la détection fluorimétrique, le changement de longueur d'onde de détection s'effectue à 9 minutes. Les indications concernant les longueurs d'onde d'émission et d'excitation ont été supprimées. Donner les longueurs d'onde d'émission et d'excitation en justifiant votre réponse. (2 points) 3/ Une première mesure permet d'obtenir le chromatogramme étalon présenté ci-dessous. Figure 3 : Chromatogramme de 22 acides aminés étalons dont la liste est précisée ci-dessus (chaque acide aminé présente une concentration de 10 µmol.l -1 dans le mélange). Rappeler la définition de la résolution et calculer la résolution des pics 7 et 8, que l'on notera R S (7,8). Conclure sur leur séparation effective. (1,5 points) Données : t R7 = 2,65 min ; t R8 = 2,70 min ; w 7 = 0,05 min ; et w 8 = 0,06 min. 7

8 4/ On désire identifier les acides aminés présent dans un soda. Une mesure permet d'obtenir le chromatogramme présenté ci-dessous. Figure 4 : Chromatogramme des acides aminés présents dans un soda. Par comparaison avec le chromatogramme étalon, indiquer quels sont les acides aminés effectivement présents dans le soda. (4 points) Les pics étant relativement fins, donner une estimation de la concentration, dans le soda, de la glycine et de la threonine. (1 point) 8

9 Exercice 3 : Dosage par la méthode des ajouts dosés en Spectroscopie d'absorption atomique (SAA) de l'élément cuivre contenu dans une eau domestique (11,5 points) En analyse chimique, la SAA permet de doser plus d'une soixantaine d'éléments, métaux et non-métaux, même à l'état de trace. Pour pouvoir appliquer cette technique, l'élément à quantifier doit être, préalablement à sa mesure, porté à haute température pour le transformer en gaz d'atomes à l'état fondamental. Sa concentration est obtenue à partir de mesures d'intensité lumineuse par application de la loi de Beer-Lambert. 1/ Comment s'appelle l'étape de transformation de l'échantillon en gaz atomique? (0,25 point) 2/ L'appareillage utilisée est un spectrophotomètre d'absorption atomique électrothermique. - a - Quel type de dispositif d'atomisation utilise-t-on ici? Quel est son avantage? (1 point) - b - Un schéma de l'appareillage est proposé en annexe 1, Compléter les cinq légendes manquantes. (1,25 points) 3/ La source lumineuse employée dans ce type d'appareillage est représentée en annexe 2. - a - Compléter les quatre légendes manquantes. (1 point) - b - Indiquer le principe de fonctionnement de ce type de source lumineuse. (1 point) 4/ Quel est l'intérêt du monochromateur utilisé dans cet appareil? (1 point) 5/ L'injection de l'échantillon s'effectue à l'aide d'un capillaire dans le système d'atomisation. Pour réaliser une mesure d'absorbance correcte, il faut respecter une programmation de température dont les valeurs sont caractéristiques de l'éléments à doser. 9

10 - a - Un exemple de programmation de température est donné en annexe 3. Indiquer les quatre étapes intermédiaires, entre l'injection et le refroidissement, et ce, directement sur le diagramme de température fourni dans cette annexe. (1 point) - b - Préciser l'intérêt de chacune de ces quatre étapes. (2 points) 6/ On utilise la méthode d'une seule addition connue V s d'étalon de concentration C s, pour doser un volume V x d'échantillon de cuivre. Écrire les expressions littérales des absorbances A 1 et A 2 (où A 1 et A 2 sont respectivement les absorbances de l'échantillon dilué et de l'échantillon dilué avec l'étalon). Démontrer alors que l'expression littérale de la concentration inconnue en élément cuivre est donnée par : (2 points) C x = A 1 A 2 A 1. V s V x. C s 7/ Les mesures expérimentales sont indiquée dans le tableau ci-dessous : Tableau 2 : Valeurs d'absorbances mesurées A ainsi que les valeurs de la concentration C s de l'étalon, des volumes V x de l'échantillon et V s de l'étalon. grandeurs étalon échantillon solvant caractéristiques V (ml) 5,00 5,00 5,00 A 0,831 0,389 / C (µg.l -1 ) 27,5? / Calculer la concentration du cuivre dans l'échantillon d'eau domestique. (1 point) FIN DE L ÉPREUVE 10

11 ANNEXES À RENDRE AVEC LA COPIE Annexe 1 (exercice 3) Schéma de principe d'un SAA Annexe 2 (exercice 3) Source lumineuse d'un SAA 11

12 Annexe 3 (exercice 3) Diagramme de programmation de température Étape 1 : Étape 2 : Étape 3 : Étape 4 : 12