1. Appareillage et principe

a) Appareillage

b) Principe

Le principe de séparation de la chromatographie en phase gazeuse est le partage de composants d’un échantillon entre 2 phases :

  • Une phase liquide stationnaire sous forme de mince pellicule qui tapisse la paroi de la colonne. Cette phase retarde sélectivement les constituants selon leur coefficient de partage. Sur l’analyseur, ils forment des bandes séparées, ce qui permet une mesure en fonction du temps sur un chromatogramme.
  • Une phase mobile gazeuse qui s’écoule à travers toute la phase stationnaire.

Les constituants à séparer (sous forme gazeuse) sont poussés à travers la colonne par un gaz vecteur inerte. Le mélange gaz vecteur/échantillon est séparé entre les 2 phases.

Avantages

  • La colonne est constamment régénérée par le gaz vecteur.
  • Les constituants sont bien séparés, les analyses qualitatives et quantitatives sont ainsi facilitées.
  • La durée d’analyse est courte.

2. Le gaz vecteur

Le gaz vecteur idéal est :

  • Inerte : ne réagit ni avec l’analyte ni avec la phase stationnaire.
  • De qualité pure : on le filtre avant la chromatographie.
  • Bon marché.
  • Compatible avec le détecteur.

Pour un débit constant, les constituants du gaz vecteur auront un temps d’élution déterminé (dans les conditions de la manipulation) : c’est le temps de rétention.

L’apport en gaz vecteur est assuré par une bouteille de gaz équipée d’un manomètre ou par un générateur d’azote in-situ (filtration de l’O2 dans l’air).

3. Le système d’injection

Le système d’injection sert à introduire puis à vaporiser l’échantillon afin de le mélanger au gaz vecteur.

a) Prélèvement et introduction de l’échantillon.

  • Échantillon liquide : injection avec des micro seringues de précision (seringue HAMILTON).
  • Échantillon gazeux : utilisation à l’aide de seringues étanches aux gaz ou à l’aide de boucle d’injection

L’injection se fait par « espace de tête » : la fraction volatile du composé est prélevée à travers un bouchon transperçable (septum) dans un récipient contenant la solution ou le solide à analyser.

b) Injecteurs

Les injecteurs permettent de vaporiser l’échantillon puis de l’envoyer en tête de colonne afin de se mélanger avec le gaz vecteur.

Les 2 types d’injections

  • Par vaporisation directe : injecteurs « sans fuite » ou « sans division de flux ». Les analytes sont dans une solution diluée.
  • « Split » (injecteur diviseur) : injection utilisée pour l’analyse de solutions concentrées afin d’éviter la saturation de la phase stationnaire.

4. Le four et la colonne

a) Le four

Le four permet d’éviter la condensation des composés en maintenant la colonne à une température qui assure la volatilité.

b) Les 3 grands types de colonnes

5. La phase stationnaire

La phase stationnaire, aussi appelée « solvant de partage », doit avoir certaines propriétés :

  • Bon solvant pour les constituants de l’échantillon mais être séléctif.
  • Non volatil à la température de travail (jusqu’à 400°C) et donc présenter une bonne stabilité thermique.
  • Présenter une bonne inertie chimique vis-à-vis des composés à séparer.

b) Choix de la phase stationnaire.

Il faut connaître la nature des constituants du mélange soumis à la chromatographie en phase gazeuse et plus particulièrement leur polarité.

Les différentes phases stationnaires

6. Les détecteurs

a) Qualités nécessaires

Les détecteurs doivent posséder plusieurs qualités afin d’être éligibles pour la chromatographie en phase gazeuse :

  • Une très grande sensibilité afin de permettre le dosage de traces dans des mélanges complexes
  • Être stable et reproductif afin de donner une réponse linéaire.
  • Être utilisable sur un large domaine de température

b) Les différents types de détecteurs

Il en existe plusieurs types

  • Ceux qui donnent seulement les temps de rétention (détecteurs généralistes ou spécifiques à une catégorie de composés)
  • Ceux qui donnent en plus des informations structurales sur les composés détectés

La détection peut être dépendante de la masse injectée ou de la concentration de l’échantillon.

Le détecteur à conductibilité thermique ou catharomètre

Il détecte les modifications dans la composition du gaz car cela entraîne une modification de sa conductivité thermique qui déséquilibrera le système de détection et aura pour conséquence d’émettre un signal.

Un gaz vecteur à forte conductibilité thermique (dihydrogène, hélium) augmente la sensibilité.

C’est un détecteur simple, non destructif mais pas assez sensibles pour être utilisé avec des colonnes capillaires.

Le détecteur à ionisation de flamme

C’est le plus utilisé, il est non spécifique, détecte tous les composés organiques et donc combustibles mais n’est pas sensibles aux molécules minérales : CO, CO2, N2. Contrairement au catharomètre, c’est une méthode destructive.

Le signal est proportionnel à la masse de produit injecté et nécessite donc un étalonnage interne.

Le gaz vecteur qui sort de la colonne va passer devant un brûleur au dessus duquel se trouve un collecteur d’ions. Les ions produisent un courant électrique qui est transmis à un enregistreur. En clair, s’il y a un corps organique, il y aura un signal. C’est un détecteur utile pour détecter des polluants dans l’atmosphère par exemple car il est très sensible.

Le détecteur à capteur d’électrons

Un courant d’azote va être ionisé à l’aide d’une source radioactive (63Ni) qui génère un flux d’électrons. Ce flux va circuler entre deux électrodes soumises à un courant de base I0.

Certaines molécules possèdent des atomes électronégatifs (Cl, F, Br, I, S, P), des groupements nitrés ou des systèmes conjugués qui peuvent capter des e et donc baisser le flux d’e, déclenchant ainsi un signal.

Le détecteur à photométrie de flamme

C’est un détecteur très sélectif : il très sensibles aux composés contenant du soufre ou du phosphore

Le mélange gazeux est introduit dans une flamme d’hydrogène qui a pour effet de produire des espèces émettrices de radiations à des longueurs d’ondes spécifiques. (394nm pour le soufre et 510nm/526nm pour le phosphore)

Le détecteur à données structurales

On fait appel à des détecteurs permettant d’apporter des informations sur la composition élémentaire de chaque composé élué (phénomène d’émission atomique) ou sur leur composition moléculaire (spectrométrie infra-rouge ou sprectrométrie de masse).

Si le couplage se fait à un spectromètre de masse, on parle de GC-MS (gas chromatography – mass spectrometry)

  • L’analyse en mode TIC (Total Ion Chromatogramme) va permettre d’éditer un chromatogramme de tous les m/z (rapport de la masse sur la charge, voir le cours sur la spectrométrie de masse).
  • Lors de l’analyse en mode SIM (Single Ion Monitoring), on sélectionne les m/z de la molécule d’intérêt pour obtenir son spectre de masse. On cherche alors l’ion de quantification (m/z le plus haut) et 2 ions en abondance

A noter qu’il existe également des chromatographies en phase gazeuse bidimensionnelles : la première colonne est apolaire et est suivie d’une deuxième colonne polaire, ce qui permet de différencier un pic dû à une mauvaise élution.

  • Composés utilisables dans le cadre d’une chromatographie en phase gazeuse :

La CPG permet une analyse qualitative et une analyse quantitative

  • Analyse qualitative : mesure des temps de rétention par rapport à la molécule de référence si elle est connue et disponible. Ceci nécessite l’utilisation de détecteurs permettant l’identification (couplage à un spectromètre infra-rouge, de masse ou utilisation de l’émission atomique).
  • Analyse quantitative (dosage) : la mesure de l’aire sous la courbe du chromatogramme est représentative de la quantité d’analyte injecté.