Mise au point d’une démarche analytique de caractérisation de mélanges naturels complexes à l’aide de méthodes chromatographiques sélectives et complémentaires : application à l’analyse des colorants anthraquinoniques présents sur les objets du patrimoine

Development of selective and complementary chromatographic methods for the characterisation of complex natural mixtures : application to the analysis of anthraquinoid dyestuffs from cultural heritage objects

• Auteur / Autrice : Witold Nowik
• Direction : Alain Tchapla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 14/10/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes des Techniques et Instruments d'Analyse Moléculaire (Orsay, Essonne) - Groupe de chimie analytique de Paris-Sud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Tchapla, Valérie Peulon-Agasse, Serge Rudaz, Pierre Chaminade, Sylvie Héron, Jean-Christophe Guarrigues, Isabelle Pallot-Frossard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Peulon-Agasse, Serge Rudaz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Patrimoine culturel

Colorants

Anthraquinones

Chromatographie en phase liquide à hautes performances

Mots clés libres

Phase stationnaire

Efficacité

Complémentarité

Séparation bi-dimensionnelle

Stationary phase

Efficiency

Complementarity

Bi-dimensional separation

Résumé

Le travail présenté constitue une contribution méthodologique dans la séparation des anthraquinoïdes par chromatographie en phase liquide à haute performance à polarité inversée de phases. Cette amélioration a pour but ultime une meilleure détectabilité et caractérisation des composés constituant les colorants anthraquinoniques présents dans les objets du patrimoine culturel.Une série de 40 composés témoins, représentant un large éventail des structures possibles d’anthraquinoïdes a été utilisée pour la modélisation du comportement chromatographique de cette famille de composés.La première partie de cette recherche présente une étude comparative des performances des phases stationnaires greffées alkyle (C18). Ces performances sont décrites par le nombre de paires critiques ainsi que la symétrie de pics. Tenant compte de la dispersion des symétries de pic des différents composés sur différentes phases stationnaires nous avons proposé un nouvel indice global, le paramètre de symétrie d(TF;1) qui nous a permis de classer la totalité de phases selon leurs performances, et trouver celles se montrant les plus satisfaisantes.Face à des faibles différences de sélectivités des phases greffées octadécyle. Nous avons décidé de mettre en jeu d’autres mécanismes de rétention des anthraquinoïdes offerts par les phases fonctionnalisées.Le potentiel séparatif de phases fonctionnalisées a été évalué comme pour les précédentes et les phases les plus performantes ont été désignées.La comparaison globale des différentes phases stationnaires, aussi bien celles greffées octadécyle que celles fonctionnalisées, a été faite avec le coefficient de pertinence de colonnes (CSc), paramètre permettant d’englober le nombre de paires critiques et la symétrie de pics d’une manière univoque. Les diagrammes obtenus par projection des points correspondant aux coordonnées : coefficient de symétrie (Sc) et coefficient de paires critiques (CPc) – ont permis de choisir les phases aux propriétés désirées.Les différences de sélectivités des phases stationnaires étudiées, nous ont conduit à examiner leur orthogonalité en vue de la construction de systèmes séparatifs bi-dimensionnels. En se basant sur le critère de la qualité de séparation, nous avons employé une méthode de calcul de distances minimales et les moyennes arithmétique et harmonique de ces distances permettant de décrire l’étendue et l’homogénéité de la dispersion des pics sur une surface 2D. Cette méthode à été comparée avec les méthodes, classiques ou récentes, d’évaluation de la dispersion. Cette nouvelle approche a démontré son applicabilité à l’évaluation de pouvoir séparatif des systèmes 2D.Le travail expérimental mené principalement sur les standards est enrichi par quelques applications concrètes aux échantillons de colorants trouves dans des textiles historiques.Les résultats de cette recherche sont directement transférables dans des laboratoires impliqués dans l’analyse des anthraquinoïdes dans le but de l’identification des sources des colorants utilisées dans les objets du patrimoine culturel, mais aussi dans la caractérisation de ces composés dans le cadre de la recherche phytochimique, phytopharmacologique et autres.

This work contributes to the improvement in the separation of anthraquinoids by reversed phase high performance chromatography, the final target being setting down the detection limits and improving the characterisation of separated components of anthraquinoid dyes from the cultural heritage artefacts.A series of 40 standards representing large range of existing anthrquinoid structures was used for the modelling of chromatographic behaviour of that family of compounds.First part of that research show the comparative study of the performances of alkyl (C18) bonded stationary phases. These performances are expressed by number of critical pairs as well as by symmetry of peaks. Considering the dispersion of values of symmetry of various peaks on different stationary phases, we introduced a novel symmetry parameter d(TF;1), which allowed to range all stationary phases according to their “global” symmetry and to determine the most satisfactory ones.The selectivity of octadecyl bonded phases was little different each other, so it was decided to test the functionalised phases which could offer complementary retention mechanisms in the separation of anthraquinoid dyes in reversed phase systems.The separation efficiency of these phases was evaluated as before, and the most efficient phases were selected.The general comparison of all studied stationary phases, bonded with octadecyl and functionalised, was done with the column suitability coefficient (CSc), an univocal ranking parameter containing both descriptors: number of critical pairs and peaks’ symmetry. The diagrams obtained by projection of co-ordinates corresponding to the critical pairs’ coefficient (CPc) and symmetry coefficient (Sc) gives a choice of particular properties of phases.The different selectivity of several studied phases driven us to check out their orthogonality in the aim to built bi-dimensional separation systems. Using the separation efficiency criterion, we employed a minimal distances computation method as well as the arithmetic and harmonic means describing the extension and homogeneity of dispersion of peaks on 2D separation surface. This approach was compared with several other classical or recent methods of the evaluation of peak dispersion. It was demonstrated that our method is particularly useful in the comparison of separation power of 2D systems.The experimental work, mainly done with standards of anthraquinone derivatives, was illustrated by some applications to the real samples of dyestuffs found in historical textiles.The results of this research are directly transferable to the application laboratories involved in the analysis of anthraquinoids for the identification of sources of dyestuffs presents in cultural heritage artefacts, but also for their characterisation in phytochemistry, phytopharmacology and other research.