Préparation d'échantillons par ultrasons

Schéma d’un sonicateur

Le sonicateur est composé d'une sonde ultrasonique ainsi que sa base. La sonde est responsable de la production d’ultrasons grâce à ses transducteurs situés en bordure de la sonde. Le transducteur est un appareil qui crée des vibrations ou oscillations mécaniques (ultrasons) à partir d’un signal électrique. Le plus utilisé en chimie des ultrasons est de type céramique piézoélectrique. Ce transducteur peut générer des fréquences de ${\displaystyle 100kHz}$ et plus en transformant directement le signal électrique en vibrations, contrairement au transducteur magnétostrictif qui utilise le courant électrique pour créer un champ électromagnétique qui à son tour provoque la vibration du matériau magnétostrictif[3].

La sonde du sonicateur est plongée directement dans la solution permettant ainsi une propagation des ultrasons en limitant les interférences. Les paramètres des ultrasons produits par la sonde, comme la puissance des ultrasons ainsi que la durée de ceux-ci, peuvent être ajustés selon l’utilisation sur la base du sonicateur[4].

Bain ultrasonique Branson

Le bain ultrasonique est composé uniquement d’une cuve. La particularité du bain ultrasonique est qu’il peut produire la même puissance d’ultrasons que le sonicateur à plusieurs solutions dans leurs contenants respectifs en même temps. Comme les ondes sonores se propagent plus rapidement et plus facilement dans l’eau que dans l’air[5], la cuve est remplie d’eau et le contenant est déposé directement dans le fond de la cuve ou dans un panier prévu à cet effet. La production des ultrasons est faite par les transducteurs situés en bordure de la cuve afin de permettre une meilleure transmission des ondes dans tout le bain ultrasonique. Aussi, certains paramètres supplémentaires sont disponibles pour le bain ultrasonique alors que le sonicateur requiert plus de matériel pour combler ces fonctions. Par exemple, la fonction de chauffage qui permet de séparer les impuretés plus facilement et la fonction de dégazage qui permet d’éliminer les bulles en suspension dans le liquide[6].

Les bulles éphémères permettent de fragmenter les solides pour mieux les solubiliser. Les sels et les métaux peuvent être réduits en petites particules, augmentant grandement la surface de contact entre la solution et le solide. À cause de la faible taille des bulles, les particules produites sont également très petites, ce qui accélère grandement les solubilisations[18].

Il est important pour plusieurs techniques d’analyse chimique, comme la chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) et la chromatographie en phase gazeuse (GC), d’avoir l’analyte en solution dans un solvant pour pouvoir faire l’analyse. L’énergie apportée par la cavitation acoustique (par ultrasons) permet une dissolution efficace en surmontant la cohésion dans le liquide permettant ainsi une dissolution d’une grande quantité de solide dans le solvant (hautes concentrations). Cette technique peut aussi bien être utilisée en laboratoire qu’en industrie. Par exemple, les laboratoires d’analyse peuvent utiliser cette méthode en remplacement de la dissolution par agitation manuelle pour une meilleure dissolution. En industrie agroalimentaire, la dissolution par cavitation acoustique permet la dissolution efficace de plusieurs éléments, dont les sucres et les sels alimentaires[19].

Émulsion par techniques ultrasoniques

Les ultrasons sont rarement utilisés pour mélanger des liquides[20]. Une exception notable est l’émulsification. La fréquence utilisée est extrêmement importante, car une fréquence inadéquate ne produira aucune émulsion. Par exemple, un mélange d’eau et d’huile produira une émulsion à ${\displaystyle 20kHz}$, mais pas à ${\displaystyle 213kHz}$ [21]. De plus, il est évident qu’une fréquence trop faible, comme celle des sons audibles, ne produira pas d’émulsion.

Il est possible de mélanger des liquides non miscibles, par exemple de l’huile et de l’eau, en utilisant les ultrasons pour éviter l'ajout d'un tensioactif. Premièrement, en conservant l’exemple de l’huile et de l’eau, on utilise une basse fréquence précise utile pour commencer l’émulsion: le passage de l’huile en gouttelettes dans l’eau. En changeant la fréquence, on peut alors faire subir une cavitation acoustique aux gouttelettes d’huile, ce qui va les séparer en plusieurs fines gouttelettes. Deuxièmement, en utilisant une haute fréquence, il est possible de faire une nanoémulsion des fines gouttelettes en gouttelettes de taille de l’ordre du nanomètre. Cette technique est utilisée, entre autres, dans la synthèse du biodiesel dans laquelle de l’huile végétale est transférée dans un alcool (méthanol ou éthanol) par émulsion.

La technique ultrasonique a des avantages par rapport à la méthode habituelle. Cette dernière nécessite de mélanger pendant plusieurs heures à haute température. La méthode par ultrasons nécessite seulement quelques minutes (10 - 20 min) et peut être effectuée à température de la pièce. Il y a donc un meilleur rendement énergétique, comme l’énergie est envoyée directement dans la solution pour la cavitation, et une économie de temps permettant une plus grande production[22].

Les ultrasons peuvent être utilisés pour extraire des composés solubles d’une matrice insoluble. Comme la matrice est insoluble, les composés sont retenus à l’intérieur et n’entrent pas en contact avec le solvant. Les ultrasons perturbent la matrice et permettent la solubilisation du composé sans avoir à dissoudre la matrice, en utilisant des acides forts ou des températures élevées, par exemple[23].

Comparé à certaines techniques, comme l’extraction par un fluide supercritique (EFS), l’extraction assistée par micro-ondes (MAE) et l’extracteur de Soxhlet automatisé (ASE), l’extraction par ultrasons peut nécessiter une plus grande quantité de solvant organique et plus de temps[24].

Les ultrasons sont beaucoup utilisés dans le domaine d’analyse biologique. Les parois cellulaires sont composées d’une bicouche de phospholipides servant à protéger l’intérieur de la cellule (cytoplasme) de l’environnement extracellulaire. En fractionnant les parois cellulaires (lyse), il est possible de libérer des molécules intracellulaires. Il est cependant très important d’ajuster l’intensité des ultrasons selon l’échantillon pour éviter la dénaturation de constituants. Il est ainsi possible d’utiliser les ultrasons pour faire l’extraction de protéines et d’ADN, la préparation d’enzymes et la production d’antigènes servant, entre autres, à la production de vaccins[25]^,[26]. En utilisant des ultrasons légèrement moins intenses, il est possible d’augmenter la perméabilité de la membrane aux macromolécules. Dans ce cas, la membrane n’est pas brisée, seulement légèrement endommagée[27].

Il est important de considérer la bonne technique selon le composé à traiter et le but à atteindre, car les ultrasons peuvent causer la désintégration cellulaire. En fait, l’agitation des microbulles peut perturber les parois cellulaires, causant la lyse cellulaire[28]. Ceci peut être désavantageux si la cellule devait être conservée.