COURS DE CHROMATOGRAPHIE  (Master de Chimie 1ère année)  Faculté des Sciences d'Orsay

CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE

 

4-1- DESCRIPTION  DE L'APPAREILLAGE


Figure 4-1: Schéma simplifié du chromatographe en phase gazeuse
4-2- PHASES STATIONNAIRES

Les phases les plus répandues sont les polymères siliconés dérivés du diméthyl polysiloxane

Figure 4-2 : phase stationnaire dérivée du diméthyl polysiloxane.

Cette phase est greffée sur la colonne en silice par l'intermédiaire une liaison -O-Si-O-.
Suivant le pourcentage de groupement R par rapport aux groupes CH3, on peut modifier la polarité de la colonne et donc ses propriétés en chromatographie
Si R= CH3 , la colonne est complétement apolaire et sépare les produits suivant leur point d'ébullition (noms commerciaux : DB-1, OV101, SE-30...)
Si le % de R= Phényle est égal à 5%, on a la colonne la plus utilisée en CPG,  elle est répertoriée sous les noms commerciaux suivants: DB5, CPsil5, OV5...
Si on incorpore un substituant cyanopropyle (R=-CH2-CH2-CH2-CN) la polarité augmente beaucoup (à cause du fort moment dipolaire du groupe -CN).
Ce sont les phases DB 1701, CPSil 18...
Ces phases à base de silicone présentent deux avantages pour la CPG :
1- une bonne inertie chimique, elles ne réagissent ni avec les phases stationnaires, ni avec les produits injectés.
2- une très bonne tenue à la température, elles peuvent être chauffées sans dommage jusqu'à 300°C

Il existent d'autres phases beaucoup plus polaires à base de polyethylène glycol.

HO-(-CH2-CH2-O-)n-O-(Silice)

Elles sont greffées sur les parois en silice de la colonne par l'intermédiaire d'une liaison Si-O-C
Les dénominations commerciales de ces phases sont: Carbowax, DB-wax, CP wax 52.
Ces phases sont utilisables entre 20° et 250°C, elles sont moins inertes que les phases siliconées, elles sont en particulier très sensibles à l'oxygène.


4-3- PHASES MOBILES

La phase mobile est un gaz de faible viscosité, trois gaz sont  exclusivement employés, l'azote, l'hydrogène et l'hélium.


Figure 4-3 Courbes de Van Deemter pour l'azote, l'hélium et l'hydrogène
Les courbes de Van Deemter, H = f(u) de la figure 4-3 montre que la vitesse optimale de l'hydrogène est plus de 3 fois plus grande que celle de l'azote. Les analyses employant l'hydrogène pourront donc être effectuées 3 fois plus rapidement que celles utilisant l'azote (à efficacité constante). Malheureusement l'hydrogène est un gaz dangereux présentant des risques d'explosion.
Pour ces raisons de sécurité, c'est l'hélium qui en général utilisé.


4-4- LES COLONNES

Ils existent 2 catégories de colonnes en CPG, les colonnes remplies et les colonnes capillaires.

4-4-1- Colonnes remplies.

Les colonnes les plus répandues sont en acier inox ou en verre, leur longueur standard est de 3 m, leur diamètre intérieur étant compris entre 10 et 4 mm.
Ces colonnes sont remplies d'un support inerte imprégné d'une phase stationnaire, le diamètre des particules est entre 100 et 200 mm. Le taux d'imprégnation des phases stationnaires varie entre 1 et 10% en masse. Ces colonnes sont maintenant très peu employées.

4-4-2- Colonnes capillaires

Les colonnes standard sont en quartz fondu (silice très pure) et entourées d'une gaine de polymère souple,  ce qui leur confère une grande résistance à la torsion
Elles ont entre 10 et 100 m de long et leur diamètre intérieur est entre 0,10 ou 0,70 mm. La phase stationnaire est greffée sur les parois de la colonne, l'épaisseur de phase stationnaire varie entre 0,10 mm et 5 mm. Les colonnes les plus répandues sont du type WCOT  (Wall Coated upon Tubular Column)

Figure 4-3 Différents type de colonnes capillaires
Comme le montre la figure ci-après le pouvoir de séparation des colonnes capillaires (N=100000)  est beaucoup plus grand que celui des colonnes remplies (N=4000).

Figure 4-4.  Chromatogrammes de l'huile "d'iris des marais" obtenus (en haut) sur une colonne capillaire de 50 m et (en bas) sur une colonne remplie de 4m.

4-4-3- Calcul du rapport de phase b  des colonnes capillaires

Ce rapport de phase   correspond au rapport du volume de la phase mobile sur la phase stationnaire. Il apparait dans la formule (eq. 1-7)

Le volume de la phase mobile est égal à Vpm = 2pr2L (où L est la longueur de la colonne)
Le volume de la phase stationnaire est égal au volume de la couronne d'épaisseur e soit Vps = 2prLe . On obtient donc pour le rapport de phase :
    (eq. 4-1)     et par conséquent :

   (eq. 4-2)     et         (eq(4-3)
D'après l'eq. 4-3, on peut déduire que le temps d'analyse (tr) augmente si :
  - le diamètre intérieur de la colonne capillaire (d) diminue
  - l'épaisseur du film de phase stationnaire (e) augmente.
En outre s'il n'y a aucune affinité entre un produit et la phase stationnaire soit K=0, on a tr = tm , ce qui est le cas de l'air ou en première approximation du méthane.

On peut déduire de l'eq. 4-2 que :
 - pour bien analyser une substance volatile, il faut augmenter k', donc diminuer le diamètre (d) de la colonne et (ou) augmenter l'épaisseur du film de phase stationnaire (e).
 - pour bien analyser une substance peu volatile, il faut diminuer k', donc augmenter le diamètre (d) de la colonne et (ou) diminuer l'épaisseur du film de phase stationnaire (e).

4-4-4- Exercice d'application
L’analyse CPG des arômes contenus dans une barre chocolatée se fait dans les conditions suivantes :
  4g "peppermint/chocolate cookie bar "

Prélèvement par espace de tête
Colonne CPG: PTE-5; 30m x 0,25mm ID;  0,25µm film
Four: 60°C (1 min) jusqu’à 230°C à 10°C/min
phase mobile: helium, 35cm/sec
Det.: FID, 250°C
Inj.: splitless (split fermé 3 min), 250°C

  Questions
1- Calculer le temps mort de cette analyse
2- Calculer le rapport de phase de la colonne
3- Le menthol sortant à 7,80 mn, calculer sa constante de partition K dans cette analyse.
Solution.
1- tm = L/u = 3000/35 = 85,71 sec = 1,43 mn.

2- b =  d/4e = 0,25/4*0,25*10-3 = 250

3- K = k’* b = [(tr-tm)/tm]*b = 1113 (donc très supérieur à 1)   et DG° = -RTln(K) est <0, car le processus de dissolution du soluté dans la phase mobile est spontané.

4-5- LES INJECTEURS
L'injecteur standard (95% des appareil en sont équipés) d'un chromatographe avec colonne capillaire est du type "split/splitless". C'est à dire que l'on peut ajuster la quantité de produit passant dans la colonne par rapport à la quantité injectée dans le chromatographe. Cet ajustement se fait à l'aide d'une vanne.
Si on injecte un microlitre de produit (1 ml) et que seulement 0,01 ml rentre dans la colonne, on a un "split" de 100 et 0,99 ml de la solution a été évacué à l'extérieur via la vanne de "split".

En revanche, si l'on dispose d'un produit très minoritaire ou très dilué dans un solvant, on peut choisir de l'injecter en mode "splitless", dans ce cas tout le produit injecté se retrouve dans la colonne. Il faut dans ce cas baisser la température du four vers 20-30°C sous la température d'ébullition du solvant et dans certain cas couper ou déconnecter le détecteur pendant l'élution du solvant.

http://www.shsu.edu/%7Echm_tgc/sounds/GC.mov

Ils existent d'autres types d'injecteur ("on column", "headspace"..etc.)
Figure 4-5 Principe d'un injecteur "split-splitless"

4-6- LE FOUR

Cette partie de l'équipement doit pouvoir fonctionner suivant deux modes
- isotherme entre 20 et 400°C
- en programmation de température avec des séquences plus ou moins complexes.

4-7- LE DÉTECTEUR

4-7-1 Détecteur à ionisation à flamme


Un des détecteurs le plus répandu est le détecteur par ionisation à flamme (en anglais: FID). Les effluents à la sortie de la colonne sont brûlés dans une flamme alimentée par un mélange hydrogène-air. La combustion des composés organiques produit des ions qui sont collectés par une électrode entourant la flamme. Ce courant de flamme est amplifié par un électromètre qui  transforme le courant en tension puis cette tension est dirigée sur un enregistreur.

Ce détecteur est très sensible, car il donne un signal pour environ 2 pg de produit. Il est linéaire. En revanche, il est discriminant, sa réponse varie suivant les produits injectés, ce qui impose un étalonnage si on veut analyser un mélange.

Le détecteur à ionisation de flamme ne donne aucune réponse avec les gaz les composés inorganiques et des corps très simples comme H2O, NH3, CO2, H2C=O....

http://www.shsu.edu/%7Echm_tgc/sounds/FID.mov
Figure 4-6: Principe du détecteur FID

4-7-2- Autres détecteurs

D'autres détecteurs ont été mis au point, mais ils sont spécifiques, c'est à dire qu'ils ont une très grande sensibilité pour des catégories de produits. Par exemple, le détecteur à capture d'électron est utilisé pour les dérivés halogénés, nitrés et les produits présentant des groupements électronégatifs.


Type du détecteur (abréviation anglaise)
 Sélectivité, produits détectés
 Sensibilité
Ionisation à flamme (FID)
 La plupart des produits organiques
 10-10 g
Conductibilité thermique (TCD)
 Universel 10-8 g
Capture d'électrons (ECD)
 Produits halogénés, organométalliques 10-13g
Thermo-ionisation (TID) Produits azotés ou phosphorés 10-11 g
Photo-ionisation (PID) Produits oxygénés, soufrés, organométalliques… 10-12 g
Photométrique (FPD) Soufrés, phosphorés, organométalliques… 10-10 g

Spectromètre de masse  (GC-MS)

 Universel 10-10 g - 10-16 g
Le détecteur à conductibilité thermique est linéaire et non discriminant mais moins sensible que le détecteur à ionisation de flamme.
Un spectromètre de masse équipe 30% des chromatographes en phase gazeuse, cette proportion croît à cause de l'extrême sensibilité de ce détecteur et au fait que l'obtention du spectre de masse permet l’identification des produits.

http://www.shsu.edu/~chemistry/primers/gcms.html

4-8 CHROMATOGRAPHIE GAZ-SOLIDE

Dans ce cas, la phase stationnaire est un polymère poreux (ex: Porapak) ou une substance adsorbante telle que l'alumine ou un tamis moléculaire. Cette chromatographie permet la séparation des produits légers et en particulier des gaz.
Les colonnes peuvent être remplies ou capillaires. Une meilleure séparation est obtenue avec une colonne capillaire, dans ce cas les adsorbants sont collés sur les parois de la colonne.
Ce sont les colonnes  PLOT ("porous layer open tubular"= tubulaire ouverte à couche poreuse) Cf; Figure 4-3

4-9 REFERENCES

http://www.shu.ac.uk/schools/sci/chem/tutorials/chrom/gaschrm.htm

http://ull.chemistry.uakron.edu/chemsep/gc/

http://www.chem.vt.edu/chem-ed/sep/gc/gc.html

http://www.ionsource.com/tutorial/capillary/captoc.htm

http://www.sigmaaldrich.com/Graphics/Supelco/objects/6800/6732.pdf