CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE: COMMENT ÇA MARCHE, TYPES, PIÈCES, UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

La chromatographie en phase gazeuse (GC) est une technique analytique instrumentale utilisée pour séparer et analyser les composants d'un mélange. Elle est également connue sous le nom de chromatographie de partition gaz-liquide, qui, comme on le verra plus loin, est la plus appropriée pour désigner cette technique.

Dans de nombreux domaines de la vie scientifique, c'est un outil indispensable dans les études de laboratoire, puisqu'il s'agit d'une version microscopique d'une tour de distillation, capable de générer des résultats de haute qualité.

Source: Gabriel Bolívar

Comme son nom l'indique, il utilise des gaz dans le développement de ses fonctions; plus précisément, ce sont la phase mobile qui porte les composants du mélange.

Ce gaz vecteur, qui est dans la plupart des cas de l'hélium, se déplace à l'intérieur d'une colonne chromatographique, tandis qu'en même temps tous les composants finissent par se séparer.

Les autres gaz vecteurs utilisés à cette fin sont l'azote, l'hydrogène, l'argon et le méthane. Le choix de ceux-ci dépendra de l'analyse et du détecteur couplé au système. En chimie organique, l'un des principaux détecteurs est le spectrophotomètre de masse (MS); par conséquent, la technique acquiert la nomenclature CG / EM.

Ainsi, non seulement tous les composants du mélange sont séparés, mais leurs masses moléculaires sont connues, et de là, leur identification et leur quantification.

Tous les échantillons contiennent leurs propres matrices, et comme la chromatographie est capable de les «clarifier» pour étude, elle a été une aide précieuse pour l'avancement et le développement de méthodes analytiques. De plus, avec des outils multivariés, sa portée pourrait être portée à des niveaux insoupçonnés.

Comment fonctionne la chromatographie en phase gazeuse?

Comment fonctionne cette technique? La phase mobile, dont la composition maximale est celle du gaz porteur, entraîne l'échantillon à l'intérieur de la colonne chromatographique. L'échantillon liquide doit être vaporisé et, pour ce faire, ses composants doivent avoir des pressions de vapeur élevées.

Ainsi, le gaz vecteur et l'échantillon gazeux, volatilisés à partir du mélange liquide d'origine, constituent la phase mobile. Mais quelle est la phase stationnaire?

La réponse dépend du type de colonne avec laquelle l'équipe travaille ou exige l'analyse; et en fait, cette phase stationnaire définit le type de CG considéré.

Séparation

L'image centrale représente de manière simple l'opération de séparation des composants au sein d'une colonne en CG.

Les molécules de gaz porteur ont été omises pour ne pas être confondues avec celles de l'échantillon vaporisé. Chaque couleur correspond à une molécule différente.

La phase stationnaire, bien qu'elle semble être les sphères oranges, est en fait un mince film de liquide qui mouille les parois intérieures de la colonne.

Chaque molécule se dissoudra ou se répartira différemment dans ledit liquide; ceux qui interagissent le plus avec lui sont laissés pour compte, et ceux qui ne le font pas avancent plus rapidement.

Par conséquent, la séparation des molécules se produit, comme le montrent les points colorés. On dit alors que les points ou molécules violets échapperont en premier, tandis que les bleus sortiront en dernier.

Une autre façon de dire ce qui précède est la suivante: la molécule qui échappe en premier a le temps de rétention le plus court (T _R).

Ainsi, on peut identifier ces molécules sont par comparaison directe de leur T _R. L'efficacité de la colonne est directement proportionnelle à sa capacité à séparer des molécules ayant des affinités similaires pour la phase stationnaire.

Détection

Une fois la séparation terminée, comme indiqué sur l'image, les points échapperont et seront détectés. Pour cela, le détecteur doit être sensible aux perturbations ou aux changements physiques ou chimiques provoqués par ces molécules; et après cela, il répondra avec un signal qui est amplifié et représenté par un chromatogramme.

C'est alors dans les chromatogrammes que les signaux, leurs formes et hauteurs en fonction du temps peuvent être analysés. L'exemple des points colorés doit générer quatre signaux: un pour les molécules violettes, un pour les vertes, un autre pour les moutarde et un dernier signal, avec un T _R plus élevé, pour les bleus.

Supposons que la colonne soit pauvre et ne puisse pas séparer correctement les molécules de couleur bleuâtre et moutarde. Ce qui se passerait? Dans ce cas, on obtiendrait non pas quatre bandes d'élution, mais trois, puisque les deux dernières se chevauchent.

Cela peut également se produire si la chromatographie est effectuée à une température trop élevée. Parce que? Car plus la température est élevée, plus la vitesse de migration des molécules gazeuses est élevée et plus leur solubilité est faible; et donc ses interactions avec la phase stationnaire.

Les types

Il existe essentiellement deux types de chromatographie en phase gazeuse: CGS et CGL.

CGS

CGS est l'acronyme de Gas-Solid Chromatography. Il se caractérise par une phase stationnaire solide au lieu d'une phase liquide.

Le solide doit avoir des pores d'un diamètre contrôlé par l'endroit où les molécules sont retenues lors de leur migration à travers la colonne. Ce solide est généralement constitué de tamis moléculaires, comme les zéolithes.

Il est utilisé pour des molécules très spécifiques, car le CGS fait généralement face à plusieurs complications expérimentales; par exemple, le solide peut retenir de manière irréversible l'une des molécules, altérant complètement la forme des chromatogrammes et leur valeur analytique.

CGL

Le CGL est la chromatographie gaz-liquide. C'est ce type de chromatographie en phase gazeuse qui couvre la grande majorité de toutes les applications, et est donc le plus utile des deux types.

En fait, le CGL est synonyme de chromatographie en phase gazeuse, même si on ne précise pas de quoi on parle. On ne mentionnera ci-après que ce type de CG.

Parties d'un chromatographe en phase gazeuse

Source: Aucun auteur lisible par machine fourni. Dz supposé (basé sur les revendications de droits d'auteur)., via Wikimedia Commons

Un schéma simplifié des parties d'un chromatographe en phase gazeuse est montré dans l'image ci-dessus. Notez que la pression et le débit du flux de gaz vecteur peuvent être régulés, ainsi que la température du four qui chauffe la colonne.

À partir de cette image, vous pouvez résumer le CG. Un flux d'He s'écoule du cylindre, qui selon le détecteur, une partie est déviée vers lui et l'autre est dirigée vers l'injecteur.

Une microseringue est placée dans l'injecteur avec laquelle un volume d'échantillon de l'ordre du µL est libéré immédiatement (pas progressivement).

La chaleur du four et de l'injecteur doit être suffisamment élevée pour évaporer instantanément l'échantillon; sauf si un échantillon gazeux est injecté directement.

Cependant, la température ne peut pas non plus être trop élevée, car elle pourrait évaporer le liquide dans la colonne, qui fonctionne comme une phase stationnaire.

La colonne est tassée comme une spirale, bien qu'elle puisse également être en forme de U. Après que l'échantillon a parcouru toute la longueur de la colonne, il atteint le détecteur, dont les signaux sont amplifiés, obtenant ainsi les chromatogrammes.

Colonne

Sur le marché, il existe une infinité de catalogues avec de multiples options pour les colonnes chromatographiques. Le choix de ceux-ci dépendra de la polarité des composants à séparer et à analyser; si l'échantillon est apolaire, alors une colonne avec une phase stationnaire la moins polaire sera choisie.

Les colonnes peuvent être du type à garnissage ou capillaire. La colonne de l'image centrale est capillaire, puisque la phase stationnaire couvre son diamètre interne mais pas tout l'intérieur de celui-ci.

Dans la colonne garnie, tout l'intérieur a été rempli d'un solide qui est généralement de la poussière de brique réfractaire ou de la terre de diatomées.

Son matériau extérieur se compose soit de cuivre, d'acier inoxydable, soit même de verre ou de plastique. Chacun a ses caractéristiques distinctives: son mode d'utilisation, sa longueur, les composants qu'il parvient le mieux à séparer, la température de travail optimale, le diamètre interne, le pourcentage de phase stationnaire adsorbée sur le support solide, etc.

Détecteur

Si la colonne et le four sont le cœur du GC (CGS ou CGL), le détecteur est son cerveau. Si le détecteur ne fonctionne pas, il est inutile de séparer les composants de l'échantillon, car vous ne saurez pas ce qu'ils sont. Un bon détecteur doit être sensible à la présence de l'analyte et répondre à la plupart des composants.

L'un des plus utilisés est la conductivité thermique (TCD), il répondra à tous les composants, mais pas avec la même efficacité que les autres détecteurs conçus pour un ensemble spécifique d'analytes.

Par exemple, le détecteur à ionisation de flamme (FID) est destiné aux échantillons d'hydrocarbures ou d'autres molécules organiques.

Applications

-Un chromatographe en phase gazeuse ne peut pas manquer dans un laboratoire d'investigation médico-légale ou criminelle.

-Dans l'industrie pharmaceutique, il est utilisé comme un outil d'analyse de la qualité à la recherche d'impuretés dans les lots de médicaments fabriqués.

-Aide à détecter et quantifier les échantillons de drogue, ou permet une analyse pour vérifier si un athlète a été dopé.

-Il est utilisé pour analyser la quantité de composés halogénés dans les sources d'eau. De même, le niveau de contamination par les pesticides peut être déterminé à partir des sols.

-Analyser le profil d'acides gras d'échantillons d'origines différentes, qu'elles soient végétales ou animales.

-Transformant les biomolécules en dérivés volatils, elles peuvent être étudiées par cette technique. Ainsi, la teneur en alcools, graisses, glucides, acides aminés, enzymes et acides nucléiques peut être étudiée.

Références

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2. Carey F. (2008). Chimie organique. (Sixième édition). Mc Graw Hill, pages 577 à 578.
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5. Thet K. & Woo N. (30 juin 2018). Chromatographie des gaz. Chimie LibreTexts. Récupéré de: chem.libretexts.org
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