Chromatographie en phase gazeuse

Afin de simplifier la représentation théorique des équilibres entre phase, les chercheurs Martin et Synge publient en 1950 leur modèle des plateaux[2]. Dans ce dernier, on considère la colonne composée de ${\displaystyle N}$ petits cylindres juxtaposés et la phase mobile se déplaçant par à-coups de l'un à l'autre. Dès lors, il devient plus aisé de calculer les équilibres entre phase stationnaire et mobile pour chacun de ces plateaux. Le nombre de plateaux est un indicateur de performance d'une colonne. Plus il est grand et plus la rétention sera importante, permettant de séparer des composés très proches. Expérimentalement, le calcul de N se fait à partir des caractéristiques ${\displaystyle \omega }$, ${\displaystyle \delta }$ et ${\displaystyle \sigma }$ de pic

(cf. Paragraphe ci-dessous) :

$${\displaystyle N=\left({\frac {t_{r}}{\sigma }}\right)^{2}\qquad N=16\left({\frac {t_{r}}{\omega }}\right)^{2}\qquad N=5,54\left({\frac {t_{r}}{\delta }}\right)^{2}}$$

On rencontre parfois aussi la Hauteur Équivalente à un Plateau Théorique (HEPT) définie comme ${\displaystyle H={\frac {L}{N}}}$ et la plupart du temps comprise entre 0,1 et 10 mm[3].

Schéma d'un pic et lecture des grandeurs ω, δ et σ.

Outre le temps de rétention (lu en abscisse), plusieurs grandeurs peuvent être mesurée sur un pic. La largeur à la base ${\displaystyle \omega }$, la largeur à mi-hauteur ${\displaystyle \delta }$ et l'écart-type ${\displaystyle \sigma }$. Les relations entre ces différents paramètres sont[4] :

$${\displaystyle \delta =2,35\sigma \qquad \omega =4\sigma \qquad \omega =1,7\delta }$$

Lorsque les composés sortent de la colonne, chacun produit un pic sur le chromatogramme. Cependant, en fonction du débit de gaz (vitesse d'élution), la séparation entre deux pics peut ne pas être optimale. Cette grandeur se nomme résolution ${\displaystyle R}$ et est considérée bonne lorsque ${\displaystyle R\geq 1,5}$. Elle se calcule pour deux pics ${\displaystyle a}$ et ${\displaystyle b}$ de la façon suivante :

$${\displaystyle R=2{\frac {t_{r(b)}-t_{r(a)}}{\omega _{a}+\omega _{b}}}}$$

• Exemples de résolution
• 
  Mauvaise résolution
• 
  Moyenne résolution
• 
  Bonne résolution

Le temps de rétention, notion majeure de toute technique chromatographique, est défini pour chaque composé comme la durée passée dans la colonne. Il s'agit de la grandeur permettant la séparation des différentes molécules d'un échantillon[5].

• Le temps de rétention (${\displaystyle t_{r}}$) est la durée s'écoulant entre l'injection de l'échantillon dans la colonne et la détection du composé par le détecteur.
• Le temps mort (${\displaystyle t_{m}}$) correspond au temps de rétention du gaz vecteur. Il s'exprime en fonction de la longueur ${\displaystyle L}$ de la colonne et de la vitesse linéaire ${\displaystyle u}$ du gaz. Ou encore en fonction du volume ${\displaystyle V}$ de la colonne et du débit ${\displaystyle q}$ de la phase mobile.
  $${\displaystyle t_{m}={\frac {L}{u}}={\frac {V}{q}}}$$

  
• Le temps de rétention réduit (${\displaystyle t'_{r}}$) correspond à la différence entre le temps de rétention du composé et le temps mort.
  $${\displaystyle t'_{r}=t_{r}-t_{m}}$$

  

Il est possible, en suivant le même raisonnement de définir le volume de rétention (${\displaystyle V_{r}}$), le volume mort (${\displaystyle V_{m}}$) ainsi que le volume de rétention réduit (${\displaystyle V'_{r}}$).

Un équilibre existe entre le composé ${\displaystyle A}$ adsorbé sur la phase solide ${\displaystyle A_{(s)}}$ et dans la phase mobile ${\displaystyle A_{(g)}}$ : ${\displaystyle {\ce {A_{(s)}<=>[K] A_{(g)}}}}$. Le rapport de phase ${\displaystyle \left(\beta ={\frac {V_{m}}{V_{s}}}\right)}$ est une grandeur caractéristique de chaque colonne, dépendant du volume de chacune des phases. La constante d'équilibre ${\displaystyle K}$ peut s'exprimer en fonction des paramètres de rétention déterminés précédemment.

$${\displaystyle K={\frac {[A_{(s)}]}{[A_{(g)}]}}={\frac {m_{s}}{m_{m}}}\cdot {\frac {V_{m}}{V_{s}}}={\frac {m_{s}}{m_{m}}}\beta }$$

Cette constante ${\displaystyle K}$ dépend de la nature du soluté, de la phase stationnaire et de la température. Il est donc plus adéquat d'utiliser l'équation fondamentale de la chromatographie[6] en introduisant le facteur de rétention (${\displaystyle k'}$) qui permet de caractériser l'élution de chaque composé.

$${\displaystyle k'={\frac {K}{\beta }}}$$

Le gaz porteur (ou gaz vecteur), est la phase mobile, dynamique de la chromatographie en phase gazeuse. C'est dans son flux que l'on injecte le mélange à analyser, et c'est lui qui le véhicule jusqu'au détecteur à travers toute la colonne.

Dans la plupart des cas, il doit être inerte vis-à-vis des solutés et de la phase stationnaire. Quatre types de gaz sont surtout utilisés : hélium, dihydrogène, diazote et argon[7]. Ils peuvent être fournis soit par des cylindres de gaz ou produits par des générateurs (cas du dihydrogène et du diazote). Ces gaz vecteurs se doivent d'être purs, exempts d'eau, de dioxygène et d'hydrocarbures légers pour éviter toutes réactions avec les solutés et la phase stationnaire. C'est pourquoi des filtres spécifiques sont apposés à l'entrée du chromatographe.

La principale propriété des gaz vecteurs est leur insolubilité dans les liquides. Leur signal électrique n'apparaîtra pas sur le chromatogramme.

L'injecteur est logé dans un bloc métallique dont la température est régulée afin d'assurer une bonne homogénéité thermique du système. L'échantillon va être introduit, à travers une pastille auto-obturante appelée septum, par l'intermédiaire d'une micro seringue. L'échantillon sera vaporisé et les solutés traverseront l'injecteur à travers un tube en verre (parfois métallique) appelé liner (ou insert), grâce au gaz porteur, jusqu'à la tête de la colonne. L'intérêt du liner est de retenir les constituants non volatils de l'échantillon, impropres par nature à la chromatographie.

Il existe deux types d'injecteurs. Ceux pour les colonnes remplies (peu nombreux actuellement) et ceux pour les colonnes capillaires (le plus fréquent). Le principe reste le même, c'est juste une question de conception de la chambre de vaporisation ainsi que le raccordement à la colonne qui change.

Dans le cas des colonnes capillaires, trois modes d'injections peuvent se présenter:

• injection avec division (split): L'injection en split est utilisé pour les échantillons concentrés. l'échantillon est vaporisé et mélangé dans le gaz porteur, puis le mélange est divisé en deux parties. La plus petite partie arrive sur la colonne alors que la plus importante est évacuée. On l'appelle la fuite. Le ratio de la division se règle sur la machine. Ce mode d'injection permet d'injecter de petites quantités d'échantillons concentrés sans devoir les diluer au préalable. Dilution qui est parfois impossible pour certains produits (huiles essentielles, produits pétroliers...) car le solvant masquerait la détection des composés les plus volatils. Par contre, il est souvent nécessaire d'utiliser des températures d'injections élevées qui pourraient conduire à la dégradation de certains solutés.

• injection sans division (splitless) : l'échantillon est vaporisé et mélangé dans le gaz porteur, mais le mélange n'est pas divisé en deux parties. Il reste quelques secondes dans le liner avant d'être transféré sur la colonne (environ 95 % du produit). Le 5 % restant est évacué par l'ouverture de la vanne de fuite. Cette méthode est utilisée quand l'échantillon à analyser est très dilué et éventuellement très sale (contenant des résidus non-volatils). Elle permet également d'analyser les composés très volatils (plus volatils que le solvant de dilution) en les concentrant sur la tête de la colonne qui sera plus froide que l'injecteur.

• injection dans la colonne (on-column) : il n'y a pas d'étape de vaporisation. L'échantillon est directement mélangé au gaz vecteur et injecté à froid sur la colonne. Cette méthode nécessite une seringue et un injecteur spécifique (sans septum et sans chauffage). Les avantages sont de pouvoir injecter l'échantillon sous forme liquide sans provoquer de vaporisation sélective dans l'aiguille (plus de précision sur le volume d'injection) et à une température la plus basse possible (celle de la colonne) pour éviter la dégradation des composés thermolabiles. Les effets indésirables du septum (traces de polymères emportés par le gaz porteur) sont également éliminés. Par contre, des inconvénients comme l'accumulation de composés non volatils dans la colonne peuvent se présenter et la fiabilité de cette technique n'est pas toujours au rendez-vous.

Vue de l'intérieur du four avec la colonne chromatographique.

La colonne est placée dans un four pour maintenir une température suffisante afin de garder les solutés en phase gazeuse pendant l'analyse.

La colonne est constituée d'un tube plus ou moins long (qui peut être en silice, acier inoxydable...) garni d'un support solide inerte (comme un zéolite) et en particules assez fines. Ce support est imprégné chimiquement d'un produit appelé phase stationnaire dont l'affinité avec les composants du produit à analyser est la plus grande. En injectant un échantillon à l'entrée de la colonne, le produit est vaporisé par chauffage et la différence d'affinité des composants envers la phase stationnaire permet de retenir plus ou moins longtemps certains composants vis-à-vis des autres. Le gaz porteur va véhiculer ces composants vers la sortie.

Il existe deux types de colonne : remplie (maximum 2 mètres) et capillaire (de 15 à 100 mètres). La différence entre celles-ci est due au type de phase stationnaire qui y est contenue : pour les colonnes remplies, ce sont des grains de silice sur lesquels repose un film liquide alors que pour les colonnes capillaires le film est directement déposé sur les parois de la colonne. Le film peut être simplement déposé ou greffé. S'il est nécessaire d'atteindre des températures élevées, on optera pour la greffe, question de stabilité.

En général, la perte de charge est assez grande entre l'entrée et la sortie de la colonne, aussi une certaine pression est appliquée pour que le gaz porteur puisse acheminer les différents composants vers la sortie.

Si l'échantillon à analyser est un mélange de gaz (dioxygène, diazote, méthane, éthane…), afin de retarder la progression de ces constituants dans la colonne, celle-ci est réfrigérée à l'extrême, on la met dans de le diazote liquide qui bout à −196 °C.

À la sortie de cette colonne, un détecteur très sensible est placé, par exemple :

• Un TCD : détecteur à thermo-conduction, basé sur le principe du pont de Wheatstone : le passage des composants va faire varier la tension, cette variation est due à la différence de conductibilité de chaque composant.
• Un FID : détecteur à ionisation de flamme : une tension de l'ordre de la centaine de volts est maintenue entre la buse de la flamme et une électrode entourant cette dernière. Lorsque les molécules traversent la flamme, elles sont ionisées ce qui provoque entre les électrodes un courant électrique qui est ensuite amplifié.
• Un ECD : détecteur à capture d'électrons : des électrons sont émis, en général par une source radioactive (rayonnement bêta), et traversent le gaz ; lorsqu'un électron rencontre une molécule de gaz, il peut être capturé, ce qui fait varier l'intensité du courant d'électrons, cette intensité étant mesurée en continu.
• Un NPD : détecteur azote-phosphore connu aussi sous le nom de détecteur thermoïonique spécifique ou DTS.
• Un AED : détecteur d'émission atomique.
• Un ECD : détecteur à capture d'électrons.
• Un FPD : détecteur à photométrie de flamme.
• Un PID : détecteur à photo-ionisation.

• Un MS : spectromètre de masse, utilisant principalement l'ionisation électronique (anciennement appelée impact électronique à tort car il n'y a pas d'impact mais une déformation du nuage électronique) ou l'ionisation chimique comme modes d'ionisation.

Équipement de chromatographie en phase gazeuse avec détection olfactive.

À l'heure actuelle, il existe des détecteurs ultra sensibles permettant de détecter quelques ppm (parties par million) d'un composant. On enregistre cette variation sur l'enregistreur en fonction du temps de sortie du pic, dit temps de rétention. Les appareils actuels sont couplés avec un ordinateur. La réponse du détecteur est enregistrée dans un fichier stocké sur le disque dur et affichée simultanément en temps réel sur l'écran de l'ordinateur. Cet enregistrement constitue le chromatogramme.

La nature des composants est donnée par le temps au bout duquel apparaît le pic (temps de rétention). Pour mettre en relation le temps et la nature chimique, on se sert d'un échantillon de référence. À la sortie, le chromatogramme va fournir une série de pics plus ou moins séparés, plus ou moins grands et plus ou moins larges. La surface d'un pic est, suivant la méthode de détection, proportionnelle à la quantité de produit représentée par ce pic. En mesurant la surface de chaque pic et en la rapportant à la surface totale de tous les pics, on détermine le pourcentage de chacun des composants contenus dans le mélange analysé (méthode de mesure par normalisation). Au début, en 1955, ce calcul se faisait à la main (soit à l'aide d'un planimètre, soit par découpage du pic suivi de la pesée du papier découpé. Dans les des années 1970 cette mesure se faisait de manière automatique par des intégrateurs mécaniques puis électroniques. Actuellement, l'analyse du chromatogramme (détermination des temps de rétention et de la surface des pics) se fait à partir du fichier enregistré par un programme informatique dédié.

En parfumerie et en œnologie, le nez humain est aussi utilisé, en tant que détecteur extrêmement sensible à certaines molécules odorantes. Pour cela, une partie du flux gazeux en sortie de colonne est refroidi et humidifié avant d'être dirigé vers un cône nasal qui permet à l'opérateur de percevoir l'odeur du ou des composés séparés. Cet équipement est appelé GC-olfactomètre ou GCO.