Préparation des solutions tampons

Pourquoi un pesage précis est essentiel pour la préparation des solutions tampons de qualité

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Préparation de tampons et solutions étalons pH au laboratoire

Buffer Preparation

Buffer Preparation

Schéma du process de péparation de tampons et de solutions étalons pH
  1. Sélectionnez la recette dans la base de données
  2. Recalculez les quantités des ingrédients en fonction du volume de tampon nécessaire
  3. Pesez les composants dans le réservoir
  4. Dissolvez les composants dans un solvant approprié (généralement de l'eau)
  5. Vérifiez et ajustez la valeur du pH au moyen d'un pH-mètre
  6. Complétez la solution jusqu'au volume requis
  7. Transférez dans une bouteille de stockage, puis étiquetez
  8. Documentation des résultats

Comment les solutions tampons fonctionnent-elles ?

Les tampons sont des systèmes aqueux qui résistent aux variations de pH lors de l'ajout de petites quantités d'acide ou de base et qui se composent d'un acide faible et de sa base conjuguée. Un tampon maintient le pH d'une solution en absorbant les protons libérés pendant les réactions ou en libérant des protons quand ils sont consommés par les réactions. La découverte du fait que des solutions partiellement neutralisées d'acides ou de bases faibles résistent aux variations de pH lors de l'ajout de petites quantités d'acides ou de bases forts a abouti au concept de « tampon ».
 

Une base conjuguée est un acide ayant perdu un proton.
HA  ↔  H+ + A-
acide  ↔  proton + base conjuguée
 

Un acide conjugué est une base ayant gagné un proton.
A + H+  ↔  H+A
base + proton  ↔  acide conjugué
 

On obtient un équilibre entre la forme dissociée et la forme non dissociée.
Ainsi, un acide acétique faible se dissocie partiellement dans l'eau pour produire un ion acétate :
CH3COOH  ↔  H+ + CH3COO-
L'acide acétique non dissocié, les ions hydronium et l'ion dissocié sont en équilibre dans la solution.
 

L'acétate de sodium se dissocie aussi dans l'eau pour produire le même ion acétate :
CH3COONa  ↔  Na+ + CH3COO-
L'acétate de sodium non dissocié et les ions de sodium et d'acétate sont en équilibre dans la solution.
 

Une solution aqueuse d'un mélange d'acide acétique et d'acétate de sodium peut donc absorber les ions H+ dus à l'ajout d'un acide, sous l'effet de la combinaison des ions hydronium avec la base d'acétate pour produire de l'acide acétique. De plus, lors de l'introduction d'ions OH- dans la solution, par l'ajout d'un alcalin, ceux-ci se combinent avec les molécules d'acide (H+) pour produire de l'eau. Cela permet à la solution, alors que le système essaie de restaurer l'équilibre, de résister aux variations du pH. Tel est le fonctionnement d'une solution tampon.
 

Que se passe-t-il après l'ajout d'un acide au tampon ?

En cas d'ajout d'acide fort (plus de H+) au mélange à l'équilibre d'acide faible et de sa base conjuguée, l'équilibre est décalé vers la gauche, selon le principe de Le Chatelier.
 

Que se passe-t-il après l'ajout d'une base au tampon ?

De même, en cas d'ajout d'une base forte au mélange, la concentration en ion hydronium diminue moins que ce à quoi l'on s'attendait étant donné la quantité de base ajoutée. Cela est dû au fait que la réaction se décale vers la droite pour s'adapter à la perte de H+ au cours de la réaction avec la base.

Buffer Preparation Formula

Types de solutions tampons

Les solutions tampons composées d'un acide faible et de sa base conjuguée sont appelées tampons acides et ont un pH < 7. Un tampon fait avec de l'acide acétique (acide faible) et de l'acétate de sodium (base conjuguée) est un tampon acide dont le pH est d'environ 4,75.
Les solutions tampons composées d'une base faible et de son acide conjugué sont appelées tampons alcalins et ont un pH > 7. Un exemple de tampon alcalin est une solution aqueuse d'ammoniaque (base faible) et de chlorure d'ammonium acide conjugué) dont le pH est de 9,25.
 

Que prendre en compte lors de la préparation d'une solution tampon ?

Les solutions tampons sont plus efficaces quand leur pH est semblable à celui du système ou de la solution analysé. Pour ce qui est de l'étude des enzymes en biologie humaine, il faut un système dont le pH correspond à celui du sang, soit entre 7,35 et 7,45, sans quoi les enzymes ne fonctionnent pas correctement. Si le pH du système tampon est en dehors de la plage souhaitée, cela aura aussi des effets négatifs sur les analyses.
 

Il est donc nécessaire de pouvoir préparer des solutions tampons d'un pH spécifique et plusieurs moyens sont disponibles pour ce faire :

  • Ajustage du pH
    L'acide ou la base cristallins sont tout d'abord dissous dans un volume d'eau équivalent à environ 60 à 70 % du volume final requis de solution tampon. On procède à la mesure du pH, puis à son ajustage. Si c'est un acide cristallin qui est utilisé, le pH est ajusté au moyen d'une base qui ne générera pas d'ions susceptibles d'interférer avec le système analysé. Si c'est une base cristalline qui est utilisée, le pH est ajusté au moyen d'un acide approprié. Une fois le pH souhaité obtenu, il est possible de compléter le volume de solution tampon avec de l'eau pour obtenir le volume souhaité.

  • Mélange de solutions acides et basiques
    Dans cette méthode, une solution acide ou basique est mélangée avec une solution du sel associé. Les concentrations des solutions sources doivent être identiques à la solution tampon requise. Les solutions peuvent être mélangées à des taux très variés pour obtenir des valeurs de pH différentes dans la solution tampon finale. Il est également possible de surveiller le pH lors de l'ajout d'une solution à l'autre.

  • Utilisation de l'équation d'Henderson-Hasselbach
    L'équation d'Henderson-Hasselbach peut être utilisée pour estimer le pH d'une solution tampon au moyen de la constante de dissociation, pKa. Quand un acide faible (HA) est sous forme de solution et que la dissociation en ions hydronium (H+) et sa base conjuguée (A-) sont à l'équilibre, la constante de dissociation est une mesure de la force de l'acide à son point d'équilibre. Voici l'équation d'Henderson-Hasselbach : 
  • Buffer Preparation - second formula

    Où : pKa est la constante de dissociation de l'acide faible
    [A-] est la concentration de la base conjuguée à l'équilibre
    [HA] est la concentration de l'acide à l'équilibre

    Quand les concentrations à l'équilibre de la base conjuguée et de l'acide sont identiques, le pH est égal à la constante de dissociation. C'est à ce point que la solution tampon a le pouvoir tampon maximal.
    On utilise aussi l'équation d'Henderson-Hasselbach pour déterminer la constante de dissociation des acides faibles au moyen d'une mesure directe du pH
     

Avantages des tampons universels
Les solutions tampons universelles sont une combinaison de plusieurs paires acide-base. Les tampons universels peuvent ainsi conserver le pH d'une solution sur une plage plus étendue et peuvent donc être utilisés dans beaucoup plus d'applications.

Conseils complémentaires pour la préparation et l'utilisation des tampons
 

  • Créez un SOP pour la préparation de tampons
    Il est judicieux de documenter la procédure de préparation de tampons et de s'assurer que tout le monde suit une procédure identique, afin d'assurer la cohérence et la reproductibilité. Le SOP doit toujours détailler les matières utilisées et les étapes précises auxquelles ajouter les composants et mesurer le pH, ainsi que la manière de procéder. Le SOP peut aussi comprendre plusieurs des points évoqués ci-dessous.
     
  • Portez des vêtements de protection
    Portez toujours des équipements de protection individuelle (EPI), par exemple des lunettes et des vêtements de protection, notamment lors de la manipulation d'acides forts ou de bases forts.
     
  • Vérifiez la contamination microbienne (notamment dans les applications biologiques)
    Avant d'utiliser un tampon, vérifiez que son contenant ne fait pas l'objet d'une contamination microbienne. Les solutions tampons dont le pH est proche de neutre sont particulièrement susceptibles d'être contaminées. Vous pouvez être amené à observer une certaine turbidité de la solution ou que des contaminants se sont déposés au fond.
     
  • Utilisez votre pH-mètre correctement
    Calibrez et procédez régulièrement à la maintenance de votre pH-mètre pour vous assurer de réaliser des mesures de pH précises. L'électrode doit être préparée de la manière appropriée avant l'utilisation et il convient d'utiliser une quantité suffisante de solution tampon pour s'assurer que la jonction de l'électrode est bien immergée. Attendez que la valeur du pH soit stable avant de procéder à la lecture et rincez l'électrode avec de l'eau distillée ensuite. Assurez-vous d'utiliser votre pH-mètre à température ambiante ou d'utiliser une électrode à sonde de température intégrée.
     
  • Connaissez la température
    L'importance de la dissociation peut varier avec la température. Votre solution tampon doit donc toujours être préparée à la même température que celle à laquelle vous procéderez à vos analyses. Assurez-vous également que la température à laquelle vous calibrez l'électrode est identique à la température à laquelle vous procédez aux mesures.
     
  • Connaissez la concentration
    Il est fréquent de diluer les solutions tampons en stock à la concentration requise pour les utiliser dans les analyses. La modification de la concentration peut toutefois avoir un effet sur l'importance de la dissociation. Dans la mesure où le pH est une mesure des ions hydronium (H+), une modification de la dissociation peut provoquer une modification du pH. Il convient donc de vérifier à nouveau le pH après dilution et avant d'utiliser le tampon.

Expert en préparation de tampons

Les défis de la préparation d'une solution tampon

Préparation précise du tampon à l'aide d'une balance de précision METTLER TOLEDO
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Gestion des données et intégrité des données pour la préparation de tampons

Photo de tampons pH et solutions étalons en flacons et sachets

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FAQ - Préparation de solutions tampons


 

1. Comment puis-je améliorer l'efficacité de la préparation de tampons ?

 

Vous pouvez enregistrer vos propres méthodes de pesage spécifiques sur les balances XPR/XSR METTLER TOLEDO. Pour la préparation de tampons, utilisez la méthode de formulation simple avec des modèles sur la balance pour enregistrer chaque composant du tampon, avec son poids cible et son intervalle de tolérance, sous forme de recette sur la balance. Une fois la méthode démarrée, le système vous guide pour chaque étape de la procédure. Plus de temps perdu à vérifier une recette et plus d'incertitude liée à votre avancement dans la procédure. Les résultats de pesage sont enregistrés automatiquement et peuvent être imprimés à la fin, ce qui vous permet d'économiser beaucoup de temps en éliminant tout besoin d'enregistrer les résultats manuellement.


 

2. Quelle est la meilleure balance pour préparer une solution tampon ?

La meilleure balance est fonction de vos exigences personnelles. Vous devez connaître les quantités les plus importantes et les plus petites que vous souhaitez peser ainsi que la précision dont vous avez besoin pour les peser (c.-à-d. la tolérance ou l'erreur autorisée). METTLER TOLEDO propose un service gratuit pour vous aider à choisir la balance appropriée pour satisfaire les exigences de votre application. Il vous suffit de contacter votre représentant commercial local pour obtenir une recommandation gratuite sur la balance adéquate. Ce même service détermine également si votre balance actuelle satisfait vos exigences.


 

3. Il y a énormément de données à enregistrer pendant la préparation des solutions tampons. Comment puis-je éviter les erreurs ? Il me faut une solution garantie sans erreur.

Tout d'abord, commencez par connecter un lecteur de codes-barres à votre balance. Cela vous permettra d'enregistrer électroniquement les ID des échantillons, les numéros de lots et les numéros de commande, etc. Connectez ensuite une imprimante à votre balance. Avec la gamme d'imprimantes P-5x METTLER TOLEDO, vous pouvez imprimer automatiquement les métadonnées et la date et l'heure, ainsi que les résultats à la fin de la procédure de pesage. Une autre option consiste à connecter votre balance au logiciel de laboratoire LabX qui propose une gestion complète des données, notamment des rapports personnalisables qui peuvent être envoyés directement à votre système LIMS ou ERP.


 

4. Comment m'assurer de la lecture du pH de ma solution tampon ?

Vous devez procéder à un calibrage périodique et des vérifications régulières de votre pH-mètre pour vous assurer de sa précision. Consultez le guide pour en savoir plus au sujet de la solution METTLER TOLEDO de calibrage facile d'un pH-mètre. Et visionnez cette vidéo : Calibrage du pH ‒ Un guide pratique.


 

5. Que se passe-t-il si j'ajoute plus que nécessaire d'un ingrédient ?

Si vous ajoutez accidentellement trop d'un ingrédient, il est possible d'ajouter des quantités complémentaires des autres ingrédients plutôt que d'avoir à jeter les matières pesées jusque-là. Si vous calculez les quantités manuellement, cela peut s'avérer difficile et le risque d'erreurs est élevé. Vous devez aussi être conscient que les quantités complémentaires nécessaires peuvent être très petites et que votre balance n'est peut-être pas adaptée pour ce faire. Il faut alors peut-être avoir recours à une deuxième balance plus précise et de pesée minimale inférieure. Si votre balance est connectée à LabX, LabX peut procéder aux nouveaux calculs nécessaires pour vous et assurer le suivi de votre avancement dans la procédure.