Chromatographie en phase gaz - " Université de Strasbourg ...

1 Chromatographie en phase gaz Marie Paule Bassez 1. Introduction Le concept de Chromatographie en phase gaz a t introduit par Archer Martin et Richard Synge (anglais) en 1941 (Nobel Chimie 1952 "for their invention of partition chromatography" ou le d veloppement de la Chromatographie de partage liquide liquide). 2 types: Chromatographie gaz solide: Chromatographie d'adsorption. peu utilis e en raison des tra n es dans les pics d' lution provoqu es par la non lin arit du processus d'adsorption. CGS. Chromatographie gaz liquide, bas e sur le partage des constituants s parer, les solut s, entre une phase gazeuse mobile inerte appel e gaz vecteur et une phase liquide fix e sur la surface d'un support poreux inactif. CGL 2. Chromatographie gaz-liquide Principe Volume de r tention La phase gazeuse mobile est compressible. La grandeur "volume de r tention" est utilis e avec un facteur de correction plut t que la grandeur "temps de r tention". VR = tR . D VR = volume d' lution ou de r tention d'un solut retenu par la phase stationnaire PS.

2 TR = temps de r tention de ce solut . D= d bit de la phase mobile (flow rate) en 1 ou 1. VM = tM . D ou V0 = t0 . D VM = V0 = volume de la PM, ou d'un solut non retenu par la PS dans la colonne (= elution volume of an unretained species). tM= t0 = temps mort = temps de r tention de ce solut V'R = VR V0 = t'R . D V'R = volume de r tention r duit (adjusted retention volume) Pour tenir compte du fait que le gaz vecteur est compressible et que la pression dans la colonne augmente entre l'entr e et la sortie de la colonne et donc que le d bit augmente (cf. ref. EPFL), Archer Martin et James ont introduit un facteur de correction: j. VN = j . V'R = j . t'R . D. VN = volume de r tention r duit ou corrig limite (net volume). j = est le facteur de correction de compression ou coefficient de perte de charge j = 3/2 . [ (p2 1) / (p3 1) ] p = Pe (pression d'entr e) / Ps (pression de sortie) inlet pressure / outlet pressure Facteur de s lectivit ou de s paration = KB / KA = t'R (B) / t'R (A) Si B est choisi comme r f rence, alors est un indice d'identification du solut A.

3 Il est ind pendant des param tres de la colonne, l'exception de la temp rature. Indice de r tention Kovats, en 1958, a propos l'indice de r tention I comme param tre d'identification des solut s. Le chromatogramme en r gime isotherme d'un m lange de n alcanes montre que les log(t'R) croissent lin airement en fonction du nombre n d'atomes de C. Par d finition: I (n alcane) = 100 x nbre d'atomes de carbone ind pendamment du remplissage de la colonne, de T et des autres conditions de chromatogr. I (solut ) peut tre obtenu partir d'un m lange du solut et d'au moins 2 alcanes normaux (hydrocarbures aliphatiques lin aires satur s CnH2n+2) qui encadrent I (solut ). Explication solut A dans phase mobile solut A dans phase stationnaire rG0 pour qu'il y ait s paration chromatographique, il faut rG0 < 0. K = [A]Stat / [A] Mob K est donc la constante d' quilibre et le rapport de distribution puisque rG0 = RT . ln K (cf. chapitre "Equilibre chimique") et que K = . k' = . t' / tM (cf. chap.)

4 Notions fond. Chromatographie ). ln t' = ln K + ln ( tM / ) ; ln t' = rG0 / RT + ln ( tM / ) pour A La courbe lnt' en fonction de n des n alcanes A, B, C, .. varie comme ( rG0 ) T ct. Il en est de m me pour log t'. r gime isotherme: 7=60 C. phase stationnaire: squalane:C30H62. Fig. Droite de Kovats des 6 n alcanes de C4 C9 : log(t'R(n))= f(n) = a . n + b La pente de la droite d pend de la colonne et du r glage du chromatographe. L'indice de r tention ne d pend que de la phase stationnaire. Indice de r tention du tolu ne = 749 n nombre d'atomes de carbones n Ref du dessin: 2003, livre et site 3. Instrumentation Appareil de Chromatographie en phase gaz Le gaz porteur doit tre chimiquement inerte, tels: He, N2, O2, CO2 . Son choix d pend du d tecteur utilis . r Fig. sh ma d'un appareil de Chromatographie gaz Le flux de gaz est divis quand une propri t du gaz vecteur d pend du solut . enceinte thermostat e qui permet de chauffer la colonne T~400 C. r gle le d bit cylindre gaz Fig.

5 Sh ma d'un appareil de Chromatographie gaz Ref: 2003, livre et site 0,5<Padmission <3,5 atm ; d bit= (col. remplies) et 1-25mL (col. capillaires). Fig. Courbes de van Deemter pour une collone capillaire et les gaz vecteur N2, He et H2. Ref. et site vitesse moy. de d placement des mol cules de la PM. Le minimum de la courbe de N2, se produit sur une chelle des vitesses ou des d bits (D= , S=section de la colonne) tr s troite, contrairement au minimum des courbes pour He et H2 qui sont plus larges et qui se produisent pour des d bits plus lev s. Un d bit plus lev signifie une analyse plus rapide (D = V/ t , mL/s). He et H2 sont donc pr f r s et tant donn les pr cautions de s curit concernant H2, He (non inflammable) est souvent utilis . Dans le cas des colonnes remplies, l'allure des courbes est semblable et le choix du gaz vecteur d pend de sa disponibilit , de sa compatibilit avec les d Injecteur La temp rature de la chambre de vaporisation peut tre programm e de chambre de vaporisation.

6 ~20 300 C: Injecteur PTV: ~50 C au dessus de Teb du ProgrammedTemperature Vaporizer constituant le moins volatil introduction de la seringue colonne Septum ou diaphragme travers par une microseringue qui contient le compos liquide ou gazeux. Injection pour les colonnes gaz vecteur remplies: ~1 L-20 L. Pour les colonnes capillaires, l'injection peut tre de Fig. Injecteur vaporisation directe ~0,1 L; un diviseur injecte une fraction de l' chantillon, le reste est jet : injecteur split/splitless Fig. Injecteur avec diviseur Ref. En mode split, une partie de l' chantillon est limin e avant d'entrer dans la colonne capillaire. Inconv nient: Evaporation s lective des compos s les plus volatils avec modification de la composition r elle de l' chantillon inject . tube en m tal (acier, Cu, Colonne Al) ou en verre ou en support poreux et inerte constitu de grains de ~0,2 mm greff s ou t flon plac dans un four impr gn s de la phase stationnaire T cte: 20 400 C. Si T. n'est pas ct, les rapports de distribution K ne sont pas cts.

7 Diam. inch=3,18mm ou 1/4 inch=6,35mm (1inch=2,54cm) rev tement de polyimide, polym re longueur: ~1 6 m thermiquement stable: Tmax= 370 C. silice fondue Fig. colonne remplie obtenue par combustion du ( garnissage) t trachlorosilane Les colonnes remplies sont SiCl4 dans atm enroul es: diam=10-30 cm. d'O2. Elles supportent un d bit de gaz vecteur de phase stationnaire: diam. ~0,1-0,75mm ~10-40 p. 0,05-5 m d pos e ou greff e Fig. colonne capillaire a b c Fig. Colonnes remplies a) cuivre, 6 feet x 0,25 inch =183 cm x 6,35 mm = 2m x 6,4 mm diam ext.; b) gauche drte: aluminium 4 ft x 0,25 in ; 20 ft x 3/8 in = ~6m x1cm ; acier inoxyd. 10 ft x 1/8 in = ~3m x 3,2 mm ; 3 ft x 1/8 in =~1m x 3,2mm ;. c) verre 2m x 0,25 in ( ) x 4mm ( ) (1 foot=30,48cm) Ref.: E. Barry 2007 livre et site a b d a) gauche: acier inoxydable, forme de cr pe, 25m x 1/16 in (1,6 mm) ; centre: Al et silice fondue 30m x 0,25mm ; droite: tube capillaire en acier vide (uncoated stainless steel) 1/16 in ;. b) silice fondue 30m x 0,25 mm et son support; c c) borosilicate 60m x 0,75mm.

8 D) photographie d'une colonne capillaire et microphotographie lectronique balayage de son extr mit : on Fig. Colonnes observe la phase stationnaire d pos e sur le m tal. capillaires Ref.: E. Barry 2007 livre et site et 2001 th se Colonnes remplies La phase stationnaire liquide doit avoir une aire de contact la plus lev e possible avec la phase mobile. Elle est donc d pos e sur des grains sph riques de diam tre 60 80 mesh= 0,25 0,18mm ou 80 100 mesh= 0,18 0,15 mm, ayant une surface sp cifique ~2 8 m2/ g. A temp rature lev e, ce support solide doit rester inerte et uniform ment mouill par la phase liquide. Le support le plus utilis est un mat riau naturel, la diatomite ou "terre diatom es" qui est une roche s dimentaire constitu e par l'accumulation ou la s dimentation de coquilles poreuses de diatom es dans les lacs et les mers. Les diatom es sont des micro organismes unicellulaires, 10 15 m, ayant une coque fortement siliceuse form e de 2 valves et dont les g ologues ont identifi s ~12000esp ces.

9 La structure poreuse leur conf re une surface sp cifique de ~20 m2/ g. Leurs surfaces sont couvertes avec des groupements silanol Si OH et siloxane Si O Si . La diatomite rose a une grande surface de contact et son pH est l g rement acide: 6 7. La diatomite blanche est l g rement basique 8 10. (Ref. diatomite: R. Nakkad 2005 communication 69; F. Champreux, une roche auvergnate et E. Barry 2007 livre et site ). Fig. microphotographie lectronique d'une diatom e obtenue avec un microscope lectronique: grossissement 5000, tension d'acc l ration: 10,0 kV. Ref: 2003, livre p554 et site Colonnes capillaires ou colonnes tubulaires ouvertes Elles permettent des s parations sur des quantit s tr s faibles d' chantillon: <1 g . Elles sont constitu es d'un tube sur la paroi interne duquel est d pos e la phase stationnaire. Colonnes WCOT: wall coated open tubular column, colonne capillaire film mince: Tube, en acier inoxydable, Al, Cu ou en verre. phase stationnaire liquide d pos e. Depuis 1979:FSOT, Fused Silica Open Tubular: En silice fondue et tr s flexibles: Les parois sont plus minces mais renforc es par une gaine en polyimide appliqu e lors de l' tirage du capillaire.

10 phase stationnaire greff e chimiquemnt. Colonnes PLOT: Porous Layer Open Tubular column: phase stationnaire solide (adsorbant) d pos e. Colonnes SCOT: Support Coated Open Tubular column: phase stationnaire liquide impr gn e sur un support solide tel que la terre de diatom es. Moins utilis es, tant donn l'am lioration des techniques de d p t et de greffage des phases stationnaires directement sur la paroi ( vaporation, r ticulation in situ par liaison C ) Colonnes semi capillaires ou megabore ou wide bore ou macro bore Diam Int: 0,53 mm (= 530 m, "colonne 530", L=5 50m ) (col. capill.: 0,15mm< < 0,53mm). Injection du m me volume que dans colonnes remplies. Elles sont en silice greff e, avec moins de probl mes de "lessivage", "bleeding" de la phase stationnaire par perte de celle ci, entra n e par le gaz vecteur. Colonnes capillaires narrow bore ou micro bore GC:D. I. < 0,18mm (m me 0,10 mm) pour chromato. rapide; L + petit: ~10m. fig. Comparaison des colonnes capillaires et remplies Ref.