Vous êtes-vous déjà demandé comment sont déterminés les taux de CBD, de THC et d'autres cannabinoïdes dans le cannabis ou dans les huiles de CBD ? Dans cet article, nous allons expliquer la science qui se cache derrière les méthodes permettant de quantifier les cannabinoïdes, comme la chromatographie en phase gazeuse, l'HPLC et la spectrométrie de masse, et la manière dont ces techniques sont utilisées conjointement pour analyser les composants du cannabis.
Introduction à l'analyse des cannabinoïdes
L'analyse des cannabinoïdes est utilisée à diverses fins, aussi bien thérapeutiques que réglementaires. Son objectif principal est de déterminer la puissance et la qualité des produits à base de cannabis, mais elle peut aussi servir à classer légalement un échantillon comme « chanvre » ou comme « marijuana » en fonction de sa teneur en THC. C'est donc un outil très utile, aussi bien pour les consommateurs que pour les professionnels de l'industrie du cannabis.
Que sont les cannabinoïdes et comment sont-ils produits dans la plante ?
Les cannabinoïdes sont des composés chimiques que l'on trouve principalement dans la plante Cannabis sativa. Ils se forment dans les trichomes, de toutes petites structures glandulaires présentes surtout sur les fleurs de cannabis des plantes femelles, plus connues sous le nom de têtes de cannabis.
Les cannabinoïdes ont une particularité : ils sont produits par la plante sous leur forme acide, signalée par un « A » à la fin de leur sigle. C'est pourquoi certains des composés acides les plus connus sont l'acide Δ-9-tétrahydrocannabinolique (THCA) et l'acide cannabidiolique (CBDA).
Lorsqu'on chauffe les cannabinoïdes, ils passent à leurs formes neutres, les cannabinoïdes que nous connaissons tous ou les plus populaires, comme le tétrahydrocannabinol (THC) et le cannabidiol (CBD). Cela se produit sous l'effet de la chaleur, lorsqu'ils perdent du dioxyde de carbone (CO2), au cours d'un processus appelé décarboxylation.
Ces formes acides et neutres des cannabinoïdes peuvent être mesurées de différentes manières, et dans cet article je vais vous en expliquer quelques-unes.
Comprendre la chromatographie : un outil clé dans l'analyse des cannabinoïdes
Qu'est-ce que la chromatographie ?
La chromatographie est l'une des méthodes les plus courantes pour mesurer les cannabinoïdes sous leurs formes acides et neutres. La chromatographie est une technique de séparation, réalisée en laboratoire avec un équipement spécialisé, qui permet d'isoler les analytes ou les composés chimiques d'un échantillon afin de les identifier.
Pour mieux comprendre, on peut imaginer la chromatographie comme une course. La « piste » est la phase stationnaire, qui ne bouge pas et sur laquelle passe le mélange que l'on veut analyser. Les « coureurs » sont la phase mobile, qui se déplace le long de la piste, ou phase stationnaire. Les substances cannabinoïdes, comme les coureurs, se déplacent différemment selon leurs propriétés physiques : certaines adhèrent davantage à la phase stationnaire et avancent plus lentement, ce qui les sépare de celles qui vont plus vite (temps de rétention différent). C'est la même chose dans notre comparaison avec la course : à mesure que les coureurs avancent sur la piste, ils vont se séparer selon leur condition physique.
Fonctionnement de la chromatographie
- Préparation de l'échantillon : toute chromatographie commence par un mélange, qui constituera la phase mobile. Celle-ci se compose d'un fluide solvant (qui peut être liquide ou gazeux) et, dans le cas du cannabis, le mélange sera composé des fleurs de cannabis, de l'huile de CBD, des bonbons ou de tout autre produit que nous consommons et dont nous voulons identifier et quantifier les cannabinoïdes, appelés ici analytes. Ces analytes sont les composants à analyser, c'est-à-dire les composés qui sont séparés et mesurés pendant la chromatographie. (La même technique sert à identifier les terpènes, les flavonoïdes et d'autres composés, mais cela fera l'objet d'un autre article.)
- Injection : l'échantillon circule sous pression dans une colonne constituée d'un matériau solide ou semi-solide (phase stationnaire).
- Séparation : chacun des composants de l'échantillon diffère en termes de débit, de taille et de polarité, ce qui entraîne leur séparation lors de leur passage dans la colonne (certains adhèrent plus que d'autres).
- Détection : à mesure que les composants séparés sortent de la colonne, ils passent par un détecteur qui enregistre la quantité de chacun d'entre eux qui en sort. Cela se fait généralement en mesurant la quantité de lumière ultraviolette que chaque composant absorbe.
- Analyse des données : les composants séparés sont détectés et enregistrés sur un ordinateur, qui génère un graphique appelé chromatogramme, dont l'interprétation permet d'identifier et de quantifier avec précision les différents cannabinoïdes présents.
Chromatographie en phase gazeuse : analyse des cannabinoïdes sous leur forme neutre
La chromatographie en phase gazeuse (GC, de l'anglais Gas Chromatography) utilise un gaz comme phase mobile, et la séparation s'effectue dans une colonne, qui peut être un tube capillaire. Avec cette technique, il faut utiliser des systèmes de chauffage pour obtenir un échantillon uniforme tout au long de la colonne capillaire.
La chromatographie en phase gazeuse ne peut mesurer les cannabinoïdes que sous leur forme neutre.
Comme il faut chauffer l'échantillon, la GC provoque la décarboxylation des cannabinoïdes présents sous forme acide. Par conséquent, lorsqu'on évalue les cannabinoïdes avec cette technique, on ne peut le faire que pour les cannabinoïdes neutres, puisque la chaleur décarboxyle les formes acides. C'est peut-être l'un des inconvénients de la chromatographie en phase gazeuse.
Chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) : mesure des cannabinoïdes sous forme acide et neutre
La chromatographie en phase liquide utilise une phase mobile liquide, avec laquelle on peut aussi utiliser une colonne. Dans l'industrie du cannabis, l'une des techniques les plus utilisées est la chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC, de l'anglais High Performance Liquid Chromatography), dans laquelle de très petites particules sont compactées à haute pression.
Contrairement à la chromatographie en phase gazeuse, la chromatographie en phase liquide ne nécessite pas de chauffer le mélange et peut donc être utilisée pour mesurer la concentration de différents cannabinoïdes, comme le CBD et le THC, y compris sous leur forme acide. C'est donc la méthode d'analyse privilégiée pour les produits à base de cannabis.
En HPLC, on utilise des pompes pour faire passer ce liquide sous pression (solvant), qui contient le mélange à analyser, à travers la colonne d'HPLC. Le débit de chacun des composants de l'échantillon diffère, ce qui entraîne leur séparation lors de leur passage dans la colonne.
Interprétation des résultats d'une analyse de cannabinoïdes par HPLC
La figure ci-dessous montre le résultat d'une analyse de cannabinoïdes par HPLC [1]. Ce type de graphique, appelé chromatogramme, montre le temps sur l'axe X et l'intensité du signal du détecteur sur l'axe Y. Chaque pic du graphique représente un composant différent de l'échantillon, et l'aire sous le pic permet de déterminer la quantité de ce composant dans l'échantillon.
L'axe X (axe horizontal) indique le temps de séparation de chacun des analytes ; l'unité est donc la minute. Comme vous pouvez le constater, chacun des analytes, qui dans ce cas sont des cannabinoïdes, diffère par le temps (le nombre de minutes) qu'il met à passer à travers la phase liquide.
L'axe Y (axe vertical) représente l'intensité du signal, une mesure d'absorbance dont l'unité est l'AU (de l'anglais Absorbance Unit), et quantifie la quantité d'analyte. Cette mesure repose sur l'absorption de la lumière, c'est-à-dire sur la quantité de lumière absorbée par chacun des analytes. Plus le pic est haut sur l'axe Y, plus l'intensité est forte, donc plus cet analyte est présent dans l'échantillon et plus son aire sous la courbe est grande. Dans la figure ci-dessous, l'unité de l'axe Y est le mAU (milli-Absorbance Units), soit un millième d'Absorbance Unit.
Chacun des cannabinoïdes a un temps de rétention particulier, ce qui permet de les différencier dans une chromatographie. Plus le pic est élevé, plus la concentration de ce cannabinoïde dans l'échantillon est importante.
Ainsi, le résultat de la chromatographie nous indique, à un moment donné (axe X), si un analyte est (ou non) présent à une intensité particulière (axe Y). Dans notre cas, chacun des cannabinoïdes a un temps de rétention particulier et, plus l'échantillon contient de ce cannabinoïde, plus la valeur sur l'axe Y est élevée.
C'est pourquoi, pour pouvoir différencier chacun des cannabinoïdes dans le chromatogramme, il faut disposer d'un étalon afin de connaître le temps de rétention spécifique de chacun des analytes (cannabinoïdes). L'axe Y est une mesure de fluorescence propre à chacun des cannabinoïdes ; c'est pour cette raison qu'il faut un étalon, comme repère, pour savoir quel cannabinoïde correspond à ce pic en particulier.
Il m'a fallu pas mal de temps pour comprendre ce que représentent les deux premiers pics de la figure précédente, et j'ai dû me renseigner auprès de collègues experts du domaine, qui m'ont expliqué que le premier pic, qui n'a pas de nom sur la figure, est produit par l'injection de la phase liquide et correspond aux molécules qui n'interagissent pas dans la colonne : on l'appelle le front de solvant (solvent front, en anglais).
Le temps initial avant le pic du front de solvant est le temps dont cette phase mobile a besoin pour traverser la colonne ; on l'appelle le volume mort (dead volume, en anglais).
Le deuxième pic, appelé « I.S » sur la figure, est celui de l'étalon interne (internal standard, IS, en anglais) ; dans le cas de l'article, il s'agit de la 4-androstène-3,17-dione (4-androstene-3,17-dione). Le pic de ce composé chimique dans le chromatogramme sert de référence pour calculer la quantité de cannabinoïdes présents dans l'échantillon.
Spectrométrie de masse (MS) : détermination du poids moléculaire des cannabinoïdes
La spectrométrie de masse (MS, selon le sigle anglais) sépare des particules comme les atomes et les molécules en différenciant le rapport entre leur charge et leur masse. Cette technique sert à déterminer le poids des particules ; c'est un outil analytique qui mesure le rapport entre la masse et la charge (m/z) d'une ou de plusieurs molécules présentes dans l'échantillon.
Ces mesures peuvent être utilisées pour calculer le poids moléculaire exact des composants de l'échantillon. La spectrométrie de masse permet d'identifier des composés inconnus en déterminant leur poids moléculaire. Elle est également utilisée pour quantifier des composés connus et déterminer la structure des composants et des molécules présents.
La technique combinée GC-MS : améliorer la précision de la détermination des cannabinoïdes
L'une des techniques les plus utilisées aujourd'hui pour déterminer les cannabinoïdes est la combinaison de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse (GC-MS, selon le sigle anglais).
On combine ainsi la capacité de la chromatographie en phase gazeuse à séparer les composants d'un échantillon et celle de la spectrométrie de masse à identifier et à quantifier les composants individuels. Le résultat est très sensible et précis pour mesurer la quantité et le type de cannabinoïdes présents dans l'échantillon.
En conclusion…
Voilà, je vous laisse ici les informations de base sur les différentes techniques utilisées aujourd'hui pour mesurer les cannabinoïdes dans l'industrie du cannabis. S'il y a des chimistes parmi mes lecteurs, j'aimerais beaucoup savoir ce qu'ils pensent de ces notions de chimie élémentaire.
Références
- Gul, W., et al., Determination of 11 cannabinoids in biomass and extracts of different varieties of Cannabis using high-performance liquid chromatography. Journal of AOAC International, 2015. 98(6): p. 1523-1528.
