INITIATION AUX PRINCIPES DE LA CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GASEUSE-1ere partie

PRINCIPES  DE LA  CHROMATOGRAPHIE

EN PHASE GAZEUSE

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I- DEFINITION

La chromatographie peut être définie comme un ensemble de procèdes de Séparation applicables à des mélanges  moléculaires ou ioniques, basés sur des différences  de distribution des solutés entre une phase stationnaire généralement dispersée et une phase mobile continue,les deux phases étant mises en contact continue à contre courant  .

Cette définition très large permet de rendre parfaitement compte de tous les phénomènes rencontrés.

Avant d’aborder ceux-ci, il est utile d’essayer de classer de façon logique les divers aspects que peut prendre la chromatographie.

II-DIFFERENTES FORMES DE CHROMATOGRAPHIE

En fait, la définition précédente recouvre plusieurs méthodes paraissant

Très différentes entre elles car sur le plan expérimentale matériaux utilisés leurs techniques de mise en œuvre et la visualisation des résultats varient dans de très larges limites.Cependant le principe de base reste le même

Les trois types fondamentaux de chromatographie sont :

·        La chromatographie en phase liquide dans laquelle la phase mobile est un liquide.Selon la nature de la phase stationnaire on distingue encore :

·        1/la chromatographie liquide d’adsorption dans laquelle la phase  stationnaire est un solide de grande surface spécifique sur lequel les solutés s’adsorbent.

·        2/La chromatographie liquide de partage ou la phase stationnaire est un liquide immobilisé par un support solide inerte et dans lequel les solutés se dissolvent.   

·        3/la chromatographie d’échange d’ions ou la phase stationnaire est une résine capable d’échanger des ions avec des solutés

·        La chromatographie sur couche mince

La phase mobile est un liquide  mais la phase stationnaire  au lieu d’être contenu dans une colonne, est déposée sur un support bidimensionnel en une couche de faible épaisseur et de faible longueur .Ici les solutés introduits à une extrémité migrent  le long de celui-ci  et sont simplement séparés sans le traverser  en totalité .La phase est généralement un adsorbant et parfois une résine échangeuse d’ions.

·        La chromatographie en phase gazeuse : la phase mobile est un gaz  inerte et la phase stationnaire est un liquide finement dispersée sur un support inerte chromatographie de partage, soit sur un solide adsorbant ; chromatographie d’adsorption.                                                                                                                                               

A noter que de nombreuses classifications complémentaires existent et peuvent compliquer cette présentation.

III-Historique de la chromatographie  en phase gazeuse

La chromatographie en phase gazeuse est une discipline scientifique récente puisqu’elle a vu le jour de façon concrète en 1952 par la parution du célèbre article des deux chercheurs anglais ,James et MARTIN sur la séparation et l’estimation des acides gras volatils par chromatographie de partage gaz liquide ».mais MARTIN et SYNGE avaient prévu dés 1941 la possibilité d’utiliser un gaz comme phase mobile au lieu d’un liquide en chromatographie de partage ,et ils reçurent le prix Nobel de chimie en 1952. A noter que la  chromatographie gaz solide est plus ancienne  que la chromatographie de partage puisqu’elle s’est développée dans les années quarante.

Quoi qu’il en soit l’intérêt de cette technique a paru évident après l’article de JAMES et MARTIN  et seulement 3 ans plus tard sortait le premier appareil commercial, et en 1956 un congrès international lui fut entièrement consacré.

A l’heure actuelle, il n’est pratiquement pas de secteur industriel ou cette technique d’analyse n’ait son utilité.

IV-GRANDEURS MESUREES PAR CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE ou GRANDEURS DE RETENTIONS

1°) Principe de la chromatographie :

Lorsqu’un mélange de composés est injecté dans un chromatographe ,les différents constituants ,une fois vaporisés dans l’injecteur, sont poussés par le gaz vecteur dans la colonne ou ils vont cheminer à des vitesses différentes selon leur affinité plus ou moins grande pour  la phase stationnaire . Si la colonne et les conditions opératoires sont bien choisies, on pourra même avoir une sèpartion complète à la sortie du système et avec l’aide d’un appareil appelè״détecteur ״pouvant traduire l’apparition de bandes de soluté dans un gaz un courant électrique mesurable, on pourra obtenir sur un enregistreur une figure appelée chromatogramme voir (figure1).

2°) Données brutes fournies par le chromatogramme 

A partir du chromatogramme obtenu pour un composé pur, on peut définir

5  paramètres à partir desquels toutes les autres grandeurs nécessaires à l’interprétation de l’expérience devront être calculées. Dans le cas d’un mélange, on peut définir ces mèmes paramètres pour chacun des constituants. Leur mesure précise n’est toutefois pas toujours possible.

La figure I représente un chromatogramme schématique sur lequel sont indiquées ces grandeurs.

1.      le temps de rétention brut du compsè tR

C’est le temps qui s’écoule entre  l’injection et le moment ou’ le détecteur

Indique la concentration maximum du composé dans le gaz vecteur sortant de la colonne (OB sur la figure 1).

2.      Le temps de rétention de « l’ air״  tm  (OA sur la figure  1).

Ce temps est important car il s’agit du temps de transit, au travers de la colonne et de l’appareillage, d’un composé non retenu (l’air en chromatographie gaz liquide).le temps passé en phase fixe par un composé retenu est donc              

tR-tm

3.      la largeur du pic du composé : on utilise généralement la largeur du pic, ou longueur du segment découpé sur la ligne de base par les tangentes aux points d’inflexion (EF sur la figure 1).le pic ayant en général la forme d’une courbe de gauss, on peut aussi bien utiliser la largeur à mi-hauteur ou toute définition équivalente.

4.      la hauteur du pic (BC sur la figure 1).

Ce dernier paramètre est, en principe, proportionnel à la quantité de soluté injectée.on peut l’utiliser en analyse quantitative, mais les fluctuations de divers facteurs (débit, température, durée de l’injection) provoquent des variations importantes de la hauteur du pic, aussi préfère t’on utiliser. L’aire.

5/L’Aire  du pic

si la courbe reste gaussienne  l’aire est proportionnelle au produit de la hauteur par la largeur à la base .toutefois il sera souvent préférable de déterminer directement l’ Aire du pic par intégration graphique ,ou mieux par intégration électronique  du signal obtenu.

D’une façon générale ces paramètres peuvent s’exprimer soit en unité de longueur ,tels qu’ils sont mesurés sur le chromatogramme ,soit en unité physique correspondant aux grandeurs réellement mesurées (temps,signal du détecteur ).

A partir de ces 5 données brutes, on peut définir un certain nombre de grandeurs dérivées caractérisant l’écoulement, la rétention d’un composer, l’efficacité de la colonne, la résolution de deux corps.

3°Grandeurs dérivées caractérisant l’écoulement :

On caractérise l’écoulement dans une colonne de longueur L par la vitesse moyenne du gaz vecteur :                                       U=L/tm

4° Grandeurs dérivées caractérisant la rétention d’un composé

A partir des grandeurs de  rétention obtenues ci-dessus, on définit les grandeurs suivantes :

a)le volume de rétention non corrigé, VR

C’est le volume du gaz qui passe au travers de la colonne pendant que s’écoule le temps de rétention

VR=Tr*ds : ou ds est le débit volumétrique mesuré  à la pression de sortie et à la température de la colonne.

b) le volume mort, Vm

C’est  le volume de rétention  non corrigé d’un gaz non retenu  dans la colonne (l’aire en chromatographie  gaz –liquide) :

Vm =tm * ds

c) le volume de rétention vrai, V’R

C’est le volume du gaz vecteur qui s’écoule  à travers la colonne pendant le temps que passe le composé étudié dans la phase fixe :

V’R = VR –Vm = (tR-tm) * ds =t’R*ds

-          le volume de rétention corrigé, V°R

Quand on augmente le débit (ds) le temps de rétention brut tR diminue, mais VR   ne reste pas constant, il augmente. En effet, pour augmenter le débit, il faut augmenter la pression à la tète de la colonne. Le gaz vecteur étant compressible se détend au fur et à mesure qu’il progresse pour assurer l’ élution d’un composé lorsque la pression en tète de colonne est plus élevée. Il en résulte que v R=t R* d S croit avec d S. On appelle volume de rétention limite, ou volume de rétention corrigé, le volume de rétention que l’on obtiendrait pour le débit nul, pour lequel il n’y a pas de gradient de pression. le rapport :                                    

                                                J=VºR/VR                (4)                 

Est inférieur à l et décrois quand la pression augmente. Si l’on peut considérer le gaz vecteur comme idéal, on montre que ce facteur de correction,

Appelait facteur de JAMES et MARTIN, ou facteur de compressibilité est donné par :

                  J=    3/2  (pe/ps) ²-  1 =   3  p²-1              (5)

                                                (pe/ps) ³  -1   2     p³-1

Ou’ pe est la pression d’entrée et ps la pression de  sortie du gaz vecteur.

En général ps est la pression atmosphérique et le rapport pe/ps est alors égal à la pression absolue d’entrée exprimée en atmosphère. On le note généralement par p.

-          le volume de rétention net, VN, ou volume de rétention totalement corrigé :

Il résulte du volume de rétention brut sur lequel on a effectué les deux corrections de volume mort et de compressibilité du gaz vecteur :

VN= J V’R = J (t R-t m) d S                          (6)

Par convention, VR, V’R, V°R et VN sont mesurés à la température de la colonne et sous la pression de sortie du gaz vecteur, ce qui exige que d s soit corrigé en conséquence.

§         le volume de rétention spècifque, v g

C’est le volume de rétention net ramené aux conditions normales de température et de pression (o°c, 76 cm de mercure) et rapporté à la masse unité de phase stationnaire :


 

Ou’ Tc est la température absolue de la colonne (°k), m f la masse de phase fixe contenue dans la colonne, ps la pression de sortie et p n la pression normale. Ce volume de rétention spécifique est une constante physique qui ne dépend que du couple soluté – solvant et de la température.

v g =       Vn       × 273      × ps                                        (7)

                   M f           Tc         pn

Parallèlement aux volumes de rétention qui sont des grandeurs absolues

signal

                              D

c

                                  G    I       H                                                 

o

                A                E    B    F

Temps

(Fig. 1)

Dont la détermination dépend  d’une mesure de débit, mesure souvent imprécise, on utilise des grandeurs relatives :

-          le rapport frontal, R

C’est le rapport des temps de rétention brut de l’air et du composé étudié :

R  = t m /  tR                         (R <1)                      (8)

On montre que R est égal à la fraction de molécules du soluté se trouvant en phase gazeuse à un instant donné, d’ou’ l’intérêt théorique de cette grandeur. La fraction (1-R) se trouve dissoute dans la phase stationnaire.

§         le facteur de capacité, k’  On le définit par la relation suivante :

             k’ = tR-t m /tm=    d’ R / d R –d’ R  = 1-R  /R              (9a)

On a donc :                       R = 1 /1+k’                                         (9b) 

§         coefficient de partage, k Ce coefficient est défini par la valeur à l’équilibre du rapport :

k=quantité de soluté par unité de volume de phase fixe 
     quantité de soluté par unité de volume de phase mobile                          (10)   

Il s’agit d’une grandeur thermodynamique ne dépendant que du couple soluté – solvant et de la température. K est ainsi directement relié à v g. on montre en effet que :

V g = k /ρL

Ou’ ρ L  est la masse  spécifique de la phase liquide.

5-GRANDEURS DERIVEES CARACTERISANT L’EFICACITE :

La largeur à la base d’un pic caractérise l’aptitude de la  colonne à fournir des pics étroits, donc  à séparer des mélanges complexes. Divers autres paramètres, absolus ou relatifs permettent d’exprimer cette aptitude.                          

1/ NOMBRE DE PLATEAUX THEORIQUES

Calcul :

Giddings a souligné tout l’intérêt qui s’attache encore au calcul du nombre de plateaux théoriques d’une colonne au titre de l’évaluation de celle-ci, même si la théorie  des plateaux n’est plus retenue pour l’explication des phénomènes chromatographiques.

On suppose que les courbes sont de types des courbes gauss, d’écart type, le nombre de plateaux théoriques s’obtient par l’expression :

n= (dR/ơ)­2

ơ est la demie largeur  du pic entre les points d’intersection  de  celui ci avec des tangentes d’inflexions .la largeur du pic à la base,c’est  à dire la distance entre les points d’intersection des mêmes tangentes  et de la ligne de base  du chromatogramme  est donc  4 ơ=ω

D’où

n=16(dR/ ω)*2

Un double décimètre suffit  pour la mesure du nombre de plateaux théoriques d’une colonne

Il peut être plus précis de mesurer la largeur du pic à mi-hauteur ð, l’expression ci-dessus devenant  

n=5.54 (dR/ ð)­2

2/Nombre de plateaux théoriques effectifs, N

C’est une grandeur semblable à n  mais  définie  à partir du temps de rétention  vrai   t’R :

N= 16 (d’R/ ω)*2

3/Hauteur équivalente à un plateau théorique   

Si la colonne a pour longueur L chaque plateau théorique aura pour hauteur  

H=L/n     

H s’exprime généralement en mm est une valeur  courante en chromatographie  en phase gazeuse  se situe entre 0.5 et 1 mm    

Cas de deux composés : rétention relative, résolution

La fig. 4 montre le chromatogramme schématisé obtenu pour un mélange  de deux composés .soit dR1 dR2 les distances de rétention  des deux composés ,w1 et w2 des largeurs  à la base des pics correspondants .

1/Rétention relative

d’R1/d’R2=k’1/k’2=k1/k2=V’R1/V’R2

Ce rapport ne dépend que du couple soluté qu’il caractérise, de la phase stationnaire et de la température.il est beaucoup plus facile à déterminer que les valeurs absolues  correspondantes (coeff. de partage ou vol de rétention)

D’autres grandeurs telles les indices de rétention ou indices de KOVATS sont utilisés, pour repérer les positions des pics  et identifier les composés.

I.de R rétention, ou indice de KOVATS :

Très utilisés dans certaines applications comme les analyses des parfumeries ,les indices de kovats ,d’abord développés pour l’utilisation sur colonnes remplies en mode isotherme ont été transposés ensuite pour l’utilisation sur colonnes capillaires et la programmation de température .

Le calcul se fait alors par interpolation entre les deux alcanes encadrant le pic inconnu selon l’équation  ci-dessous :

Ix= {log t’R (z+1)-log t’R(x)}/log t’R (z+1)-log t’R (z)

Où z représente le nombre de carbone du n-alcane de temps de rétention  le plus proche  inférieur au temps de rétention inconnu

Z+1 représente le nombre de carbone du n-alcane de temps de rétention  le plus proche  supérieur au temps de rétention inconnu

2/R E S O L U T I O N

On appelle résolution ou degré de résolution, plus simplement :

R1,2=2(dr2-dr1)/(w1+w2)

Une résolution  de 1.0 est nécessaire pour obtenir de bons résultats quantitatifs.elle ne s’accompagne pas d’un retour à la ligne de base  du chromatogramme  entre les deux pics ; pour deux pics de hauteur voisine, ce retour ne s’observe pratiquement que lorsque I>1.5

Lorsque les hauteurs sont très différentes, le retour exige en général des résolutions nettement plus grandes.