Eau destinée à la mesure du pH et à la préparation de tampons

Présentation de la section

• Pourquoi mesure-t-on le pH ?
• Impact de la qualité de l'eau sur les mesures de pH et la préparation
  des tampons
• Quel est le pH de l'eau ultra-pure ?
• Expérience : impact de la dilution des tampons sur les mesures de pH
• Solutions d'eau de laboratoire pour la mesure du pH et la préparation des tampons
• Produits associés

Pourquoi mesure-t-on le pH ?

La mesure du pH est l'un des tests les plus couramment effectués dans les laboratoires et les industries. En effet, de nombreuses propriétés physiques ainsi que des processus chimiques et biologiques dépendent de l'acidité et de la basicité des solutions, qui sont mesurées par le pH. Les éléments suivants sont tous influencés par le pH :

• La solubilité de nombreux produits chimiques
• La biodisponibilité des molécules médicamenteuses
• La vitesse des réactions chimiques
• La chimie physiologique des organismes vivants 

La mesure du pH est si courante que presque tout ce que nous utilisons a fait l’objet d’un test de pH à un moment ou à un autre : nos shampoings et nos savons, notre eau du robinet, tout ce que nous mangeons et buvons, ainsi que nos médicaments, pour n’en citer que quelques-uns. 

Comment mesure-t-on le pH ?

Un pH-mètre est le moyen le plus précis de mesurer le pH. La mesure du pH repose sur la différence de potentiel entre deux électrodes, dont l’une sert d’électrode de référence. On peut obtenir une estimation du pH à l’aide d’un indicateur de pH, une substance qui change de couleur à une valeur de pH donnée. On peut également utiliser des indicateurs universels. Ceux-ci consistent en un mélange d’indicateurs permettant un changement de couleur continu entre un pH d’environ 2 et un pH de 10. La valeur du pH est mesurée de manière semi-quantitative par détermination colorimétrique. Les « papiers pH », « bandelettes de test pH » ou « bandelettes indicatrices de pH » sont des bandelettes de cellulose sur lesquelles sont fixés de manière covalente des colorants indicateurs spéciaux.

Impact de la qualité de l’eau sur les mesures de pH et la préparation des tampons

Un tampon est une solution qui conserve son pH après l’ajout d’une petite quantité d’acide ou de base. Les tampons sont largement utilisés en laboratoire, car le pH influence la vitesse de nombreuses réactions chimiques et enzymatiques. 

Les tampons et les solutions utilisés pour mesurer le pH sont préparés à partir de réactifs solides dissous dans l’eau, ou à partir de solutions concentrées prêtes à l’emploi pouvant être diluées avec de l’eau. L’eau utilisée pour préparer ces solutions doit être pure, exempte de concentrations significatives d’acides ou de bases, et exempte de substances susceptibles de modifier le pH des solutions.

Impact des contaminants de l’eau sur le pH

Ions : une contamination importante par des ions, tels que l’ammonium et le carbonate, peut altérer la concentration en ions hydrogène d’une solution, entraînant des mesures de pH inexactes. Lors de la préparation de tampons d’une force ionique spécifique, la présence de tous les ions à forte concentration modifiera la force ionique des solutions. Il est donc préférable de choisir une eau à faible concentration ionique ; une résistivité > 1 MΩ.cm est recommandée.

Composés organiques : une eau fortement contaminée par des acides ou des bases organiques faibles pourrait modifier le pH d’une solution. Pour garantir une faible concentration de ces molécules organiques, la concentration globale en composés organiques dans l’eau doit être faible. Il convient de choisir une eau dont la teneur en carbone organique total (COT) est inférieure à 50 ppb.

Bactéries : bien que les bactéries ne résistent pas aux acides ou aux bases fortes, elles peuvent se développer dans des tampons dont le pH est compris entre 5 et 9. De plus, les bactéries libèrent des composés organiques chargés lorsque leur membrane est perturbée. Une eau à faible teneur en bactéries permettrait d’éviter tout problème lié aux bactéries et à leurs sous-produits.

Particules : Bien qu’il ne soit pas très sensible aux particules, le fonctionnement d’un pH-mètre pourrait être affecté par une forte concentration de particules, susceptibles de s’agglomérer à la surface des électrodes. Une étape de filtration à la fin du processus de purification de l’eau est recommandée.

Comment le stockage de l’eau peut influencer les mesures de pH

Le stockage de l’eau peut avoir un effet considérable sur le pH final des solutions, en particulier lorsque de l’eau pure est stockée avant la préparation des solutions. Après purification, l’eau est très pure et les ions ainsi que les gaz peuvent s’y dissoudre facilement. Le dioxyde de carbone présent dans l’air peut se dissoudre dans l’eau pour former du bicarbonate et du carbonate, transformant ainsi l’eau pure stockée en un tampon carbonate. Le mélange de cette solution de carbonate avec des tampons prêts à l’emploi ou avec des poudres est susceptible d’entraîner un pH différent de celui attendu.

De plus, des bactéries peuvent se développer facilement dans l’eau stockée et former des biofilms dans le récipient utilisé pour stocker l’eau et les solutions/tampons. Il est donc fortement recommandé de nettoyer soigneusement les flacons utilisés pour préparer et conserver les tampons après chaque utilisation.

Quel est le pH de l’eau ultrapure ?

Le pH théorique de l’eau ultra-pure est de 6,998 (figure 1).^¹⁻² Cependant, il n’est pas possible de mesurer le pH de l’eau ultra-pure simplement en plongeant les électrodes d’un pH-mètre dans l’eau. L’eau ultra-pure étant très pure, elle contient très peu d’ions et présente une faible capacité tampon. Sa valeur de pH peut donc varier rapidement une fois qu’elle a été prélevée du système. Toute impureté présente à la surface du récipient utilisé pour recueillir l’eau ultra-pure se dissoudra et modifiera la valeur du pH. De plus, le dioxyde de carbone naturellement présent dans l’air se dissoudra dans l’eau, produisant du bicarbonate et faisant baisser la valeur du pH à environ 5,8. 

 Les pH-mètres ne sont pas conçus pour fonctionner dans une solution ne contenant pratiquement pas d’ions ; ils ne sont pas adaptés à la mesure du pH de l’eau ultra-pure et peuvent donc fournir des résultats inexacts. Certaines entreprises ont mis au point des pH-mètres capables de mesurer le pH de l’eau ultra-pure dans des conditions de fonctionnement dynamiques, mais ceux-ci sont rarement utilisés dans les laboratoires de recherche classiques. 

Pour ces raisons, il est recommandé d’utiliser la résistivité pour indiquer la pureté et un pH neutre : une eau à haute résistivité (18,2 MΩ·cm à 25 °C) garantit que le pH est proche de 7,0^.¹  

Expérience : Impact de la dilution du tampon sur les mesures de pH

Une expérience a été conçue pour démontrer que l’eau pure fournie par un système combinant l’osmose inverse et l’électrodéionisation Elix® (tel que le système d’eau pure Milli-Q® IX) et l’eau ultra-pure fournie par une unité de polissage (telle que le système d’eau ultra-pure Milli-Q® IQ 7000) pouvaient être utilisées pour préparer des solutions tampons.¹

Les tampons sont souvent préparés par dilution de solutions mères. Dans cette étude, des solutions mères de phosphate et de PBS ont été respectivement diluées 10 et 100 fois avec différentes qualités d’eau, puis leur pH a été mesuré. Les résultats (figure 2) montrent que l’eau pure et l’eau ultra-pure fraîchement produites donnent des résultats identiques à ceux de l’eau distillée en bouteille pour la préparation de tampons. 

La dilution au dixième de la solution 10× de phosphate ou de PBS a donné un pH proche de la valeur attendue de 7,4. Une dilution supplémentaire des tampons phosphatés avec de l’eau a entraîné une augmentation du pH due à des variations de la force ionique et de la capacité tampon. Pour chaque tampon, les variations de pH étaient similaires avec les trois types d’eau. 

Il convient de rappeler que la température a également une incidence sur la valeur du pH. La préparation de tampons à partir de solutions très froides peut entraîner des écarts de pH de l'ordre de 0,1.

Solutions d'eau de laboratoire pour la mesure du pH et la préparation de tampons

Une eau de qualité définie comme « eau pure » ou « eau de type 2 » est généralement recommandée pour mesurer le pH. Lors de la préparation de tampons, le choix de la qualité de l’eau dépendra de l’usage prévu de la solution tampon : si celle-ci est destinée à des applications sensibles (culture cellulaire, biologie moléculaire, etc.), on privilégiera généralement une eau de type 1 ou une eau ultra-pure.

Une gamme de solutions de systèmes d’eau adaptées aux besoins des chercheurs qui préparent des tampons et mesurent le pH est disponible.