La spectrométrie à mobilité ionique pour détecter les stupéfiants et les explosifs
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Publié le 20/01/2011
Résumé

La spectrométrie à mobilité ionique (ou « ion mobility spectrometry », IMS) connaît un essor depuis une dizaine d’années. Jusqu’alors, cette technique était très confidentielle et uniquement orientée pour la détection des toxiques chimiques. Elle permettait aux armées de contrôler les atmosphères dans les zones de combats.

Article rédigé par Christine Fuché (responsable du département Chimie) et Julie Deseille (stagiaire élève ingénieur) au Centre technique de la sécurité intérieure (CTSI), édité par Nicolas Lévy, responsable éditorial du site CultureSciences-Chimie.


1. Introduction

La spectrométrie à mobilité ionique (ou « ion mobility spectrometry », IMS) connaît un essor depuis une dizaine d’années. Jusqu’alors, cette technique était très confidentielle et uniquement orientée pour la détection des toxiques chimiques. Elle permettait aux armées de contrôler les atmosphères dans les zones de combats.

À ce jour, l’IMS reste encore un appareil privilégié dans ce domaine. Dans les années 80, la technique est entrée dans le domaine public, ce qui a permis d’orienter la détection vers une nouvelle application : la détection des produits illicites, et en particulier celle des substances classées en stupéfiants.

2. L’utilisation de l’IMS au sein de la Police nationale

Les pratiques des individus s’adonnant au trafic de substances classées en stupéfiants ont changé. En effet, alors que des trafics notoires sont mis en évidence par les moyens habituels d’investigation, les quantités de produits saisis lors de perquisitions sont de plus en plus faibles. De ce fait, les services de police ont été amenés à utiliser de nouveaux moyens techniques en vue de mettre en évidence la manipulation de stupéfiants par les individus fortement soupçonnés et chez qui des produits stupéfiants ne sont pas trouvés.

Les prélèvements de surfaces diverses permettent par différentes techniques d’apporter la preuve analytique d’une manipulation, d’un stockage ou d’un transport de stupéfiants.

L’IMS est la technique la mieux adaptée à la recherche de traces de stupéfiants sur les surfaces. En effet, une analyse rapide, d’une durée de 20 secondes, permet l’identification immédiate sur site des traces en présence des personnes impliquées.

Depuis 2000, le Centre technique de la sécurité intérieure (CTSI) s’est doté d’appareils portables d’analyse par IMS : le SABRE 2000, aujourd’hui remplacé par le MMTD, et le SABRE 4000 acquis en 2007. Ces deux appareils mis en mutualisation pour la Police nationale permettent non seulement de détecter les stupéfiants, mais aussi les explosifs.

Figure 1. Le détecteur portable SABRE 4000 peut identifier plus de 40 explosifs, armes chimiques, produits toxiques et stupéfiants en moins de dix secondes.

Le détecteur portable SABRE 4000 peut identifier plus de 40 explosifs, armes chimiques, produits toxiques et stupéfiants en moins de dix secondes.
© Smith Detection.

Dans le cadre de la détection des explosifs, le CTSI travaille en étroite collaboration avec la Direction générale de l’aviation civile (DGAC) afin de sécuriser les sites aéroportuaires. À ce jour, et comme dans de nombreux aéroports internationaux, le contrôle des bagages est réalisé grâce au couplage des appareils à rayons X et des appareils d’IMS.

3. La spectrométrie à mobilité ionique

1. Définition

Le principe, la méthode ainsi que l’instrumentation [1] sont fondés sur les caractéristiques d’une substance chimique ionisée à l’état gazeux placée dans un champ électrique (figure 2). Les ions atteignent une vélocité constante à travers le champ électrique appelée vélocité « éjectée » (« drift velocity », vd, en cm/sec) à la pression atmosphérique, sans gaz porteur particulier. La vitesse de propagation (vd) des ions est proportionnelle à la puissance du champ électrique (E) selon l’équation vd = K E, où K, le coefficient de proportionnalité, est défini comme étant le coefficient de mobilité des ions en cm²/V.s.

Figure 2. Schéma et coupe d’un spectromètre à mobilité ionique portable.

Schéma et coupe d’un spectromètre à mobilité ionique portable.
 

Cependant, cette relation n’est valable que dans le cas d’un ensemble d’ions éjectés. Dans l’air à pression ambiante, l’éjection des ions de 14 à 500 uma atteint des vitesses de 1 à 10 m/sec dans un champ électrique de 150 à 300 V/cm, pour des températures comprises entre 25 et 250 °C.

Le coefficient réduit de mobilité ionique introduit les paramètres de température T, définie en Kelvin, et de pression P, définie en torr, selon l’équation :

Ko = K*(273/T)*(P/760)

2. Formation des Ions

La zone de réaction comporte une source radioactive de Ni 63, émetteur β-, dont les particules entrent en contact avec le gaz réactant générant ainsi des ions. La formation des ions est issue de la réaction chimique entre les molécules à l’état gazeux de l’analyte et des ions réactants sous forme de cluster, soit monomère, soit dimère.

À ce jour, le gaz réactant utilisé dans la technologie du SABRE 2000 et 4000 est la nicotinamide, ce qui permet de contrôler le transfert des protons pour la polarité positive et les réactions de cluster anionique.

3. Étude de la linéarité du signal

Dans le cadre de la recherche des produits stupéfiants, il est important de connaître la réponse de l’instrumentation en fonction de la quantité de poudre. Pour ce faire, des solutions de composés chimiques de concentration croissante sont analysées. L’expression des résultats est uniquement en nanogramme. Une quantité quantifiée d’une solution de concentration connue est déposée sur le papier collecteur. À la disparition du solvant, ce papier est introduit dans l’appareil. La droite de linéarité est particulièrement correcte pour les faibles quantités de produits analysés. En cas de saturation de l’appareil, le signal atteint une asymptote (figure 3).

Figure 3. Exemple de la réponse du tétrahydrocannabinol (THC).

Exemple de la réponse du tétrahydrocannabinol (THC).
 

4. Étude de la limite de détection

La limite de détection des produits illicites des appareils portables est régulièrement contrôlée. Des solutions de différents produits stupéfiants et d’explosifs sont préparées par dilutions successives à partir d’un standard certifié.

Une répétabilité sur cinq essais et une reproductibilité sur trois jours sont réalisées sur un ensemble de produits. Ainsi les limites de détections constructeurs sont a minima confirmées.

Nota : pour des raisons de confidentialité, il ne nous est pas permis de divulguer les résultats obtenus.

4. Cas des perquisitions sur sites

Les premières études de validation de la technique IMS ont été menées par des essais comparatifs de la technique de référence (GC/MS) et de l’IMS.

Lors de chaque perquisition, après découverte grâce à l’IMS d’un site ayant été en contact avec des stupéfiants, un double prélèvement de surface est réalisé avec un coton. Le coton est ensuite analysé après extraction par GC/MS. Durant toute une année, il nous a été permis de valider les résultats ainsi obtenus par IMS et par GC/MS. L’ensemble de cette étude a été présenté lors d’une conférence à Interpol en 2001 [2].

Le prélèvement de surface par transfert de matière permet de récupérer les particules sur un support adapté en vue de leur détection par IMS. Les prélèvements sont réalisés en double. Cette technique présente plusieurs avantages : rapidité, nombre important de prélèvements, adaptée à tout type de surface.

Avant de procéder à une analyse, l’appareil est calibré avec une solution contenant du MDMA (3,4-méthylènedioxyméthamphétamine, ecstasy), de la cocaïne et du THC (tétrahydrocannabinol) à des concentrations connues. Après la validation, l’analyse d’un blanc est toujours réalisée pour vérifier qu’il n’y a plus de particules en résidence dans l’analyseur. De même, la sensibilité et la linéarité de réponse sont régulièrement vérifiées.

Depuis plusieurs années, des procédures de calibration ainsi que des validations par la méthode de référence (GC/MS) nous permettent de rendre des résultats univoques dans les délais de garde à vue (figure 4)

Figure 4. Réponse du THC (a) et de la cocaïne (b) analysé par IMS et par GC/MS.

Réponse du THC (a) et de la cocaïne (b) analysé par IMS et par GC/MS.
 

Lorsqu’il y a plusieurs substances sur un prélèvement, deux cas peuvent se présenter :

  • les substances sont en quantité équivalente : les deux vont être alors détectées ;

  • une substance est en quantité très importante par rapport à l’autre : la première est détectée, l’autre pas.

Le second cas est actuellement fréquent du fait de la « pluridisciplinarité » des revendeurs de produits stupéfiants, en particulier pour la cocaïne et le cannabis.

Les rendements d’ionisation sont très diminués pour le THC qui est ainsi « masqué » par la cocaïne, seule celle-ci est en alarme. Lors d’une saturation du système par un stupéfiant, l’appareil bascule vers un cycle de nettoyage de l’appareil. À l’issue de ce cycle, le prélèvement est de nouveau analysé, la cocaïne plus thermosensible a été en partie évaporée, le signal du THC apparaît alors avec celui de la cocaïne.

5.Gestion de la base de données

1. Présentation

Chaque constructeur fournit l’appareil avec une base de données de détection (Ko) des produits les plus classiquement rencontrés.

L’évolution de l’informatique et de l’électronique a permis non seulement de miniaturiser les appareils – en particulier de les rendre portables –, mais aussi de pouvoir détecter un plus grand nombre de composés chimiques à la condition expresse que le produit possède une liaison NH pour le mode positif (stupéfiants) ou une liaison NO pour le mode négatif (explosifs).

2. Intégration de nouvelles données dans la base

Rares sont les constructeurs qui ont intégré la détection du GHB (acide gamma hydroxy butyrique, communément appelé « drogue du viol ») parmi les composés identifiés. Il est donc indispensable de pouvoir modifier la base de données. Pour cela, un protocole de recherche et d’identification d’un produit est réalisé soit avec un produit standard certifié, soit à partir d’un échantillon provenant d’une saisie. Dans ce dernier cas, une analyse en GC/MS permet d’identifier le produit lorsque le chromatogramme ne présente qu’un seul pic. Une solution de GHB dans de l’éthanol est déposée sur un papier collecteur qui, après évaporation, est introduit dans l’IMS ; la présence d’un pic unique sur le plasmagramme permet de visualiser sa mobilité ionique, dont le coefficient est de 1,5575. (voir figure 5).

Figure 5. Plasmagramme du GHB dans l’éthanol.

Plasmagramme du GHB dans l’éthanol.
 

L’IMS va permettre aussi très rapidement de confirmer la présence d’une drogue. Le LSD est consommé sous forme de produit imprégné dans un papier de type buvard dont la forme est classiquement celle d’un timbre. Lors d’une perquisition, des timbres supposés contenir du LSD ont été saisis. Le plasmagramme obtenu présente un pic très important avec une mobilité réduite de 1,1085. Or le LSD a un Ko de 1,085. Une mobilité réduite de 1,1085 correspond à un composé chimique de masse comprise entre la méthadone (309 uma) dont le Ko est de 1,1031 et la 6-monoacéthylmorphine (327 uma) dont le Ko est de 1,1200.

L’analyse de confirmation par GC/MS permet la mise en évidence de chloroquine dont la masse atomique est de 319,87.

6. Analyses des explosifs

La recherche de produits explosifs n’implique pas les mêmes contraintes. Les appareils doivent être capables de détecter des traces de l’ordre du ppb, et même de l’ordre du ppt pour certains produits. Les tests de validations des IMS commercialisés sont axés non seulement sur les limites de détection sur différents types de surface (lisse ou rugueuse), mais aussi sur la sélectivité. En effet, si un appareil a un taux de fausses alarmes élevé, il n’est pas considéré comme fiable et ne sera donc pas validé, même si ses limites de détection sont très basses. En résumé, l’utilisation d’un appareil d’IMS pour la détection des explosifs est un compromis entre la sensibilité et sa sélectivité.

7. Avantages et inconvénients de l’utilisation des appareils d’IMS

Les avantages majeurs de l’utilisation de l’IMS au sein de la Police nationale est le faible coût d’analyse et la rapidité dans la délivrance des résultats. À ce jour, dans le cadre de la recherche de produits stupéfiants, il a été démontré que cette technologie est fiable. Preuve en est, l’utilisation d’IMS par l’IRCGN pour l’analyse toxicologique des poudres, comprimés, buvards, micropointes et liquides, a été accrédité COFRAC en octobre 2008. De plus, la portabilité des nouveaux appareils avec une autonomie de plus de 2 heures et leur robustesse en font de véritables outils d’investigation de terrain.

Cependant, l’un des inconvénients majeurs de cette technologie est la présence d’une source radioactive. Bien qu’elle soit de faible énergie (555 MBq) et de type scellée avec une émission β-, une autorisation auprès de l’autorité de sûreté nucléaire est obligatoire. La gestion de l’appareil doit être sous la responsabilité d’une personne compétente en radioprotection. Les utilisateurs doivent donc être non seulement formés à la technique de l’IMS, mais aussi avoir des notions de radioprotection.

8. Conclusion

L’utilisation des deux SABRE 2000 et 4000 en vue de la recherche de traces de stupéfiants a nécessité une longue période de mise au point et de validation, du fait en particulier du faible nombre d’utilisateurs et de certaines particularités liées à cette technique.

La spectrométrie à mobilité ionique permet de confondre très efficacement des individus niant leur implication dans un trafic. En effet, les traces de stupéfiants mises en évidence sur les différents effets personnels sont autant de preuves à charge qui seront exploitées dans les meilleurs conditions et délais par les enquêteurs.

9. Bibliographie et ressources en ligne

[1] Eiceman G.A., Karpas Z., Ion Mobility Spectrometry, 2nd ed., CRC Press, 2005.

[2] Fuche C., Gond A., Pèlerin L., Fichot C., 13th Interpol Forensic Science Symposium, Lyon, 16-19 oct. 2001.

Cet article provient du numéro spécial de l'Actualité Chimique sur La Chimie mène l'enquête, Juin-Juillet-Août 2010, n° 342-343.

 
 
 
 
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