La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une technique de chromatographie qui permet de séparer des molécules d'un mélange gazeux, éventuellement très complexe, de natures très diverses. Elle s'applique principalement aux composés gazeux ou susceptibles d'être vaporisés par chauffage sans décomposition. Elle est de plus en plus utilisée dans les principaux domaines de la chimie, ainsi qu'en parfumerie et en œnologie.
Le mélange à analyser est vaporisé à l'entrée d'une « colonne », qui renferme une substance active solide ou liquide appelée « phase stationnaire », puis il est transporté à travers celle-ci à l'aide d'un gaz porteur (ou gaz vecteur). Les différentes molécules du mélange se séparent et sortent de la colonne les unes après les autres après un certain laps de temps qui est fonction de l'affinité de la phase stationnaire avec ces molécules.
Historique
En 1944, Erika Cremer met au point avec l'un de ses étudiants le premier chromatographe avec phase mobile gazeuse, afin de pouvoir séparer des gaz. Ses travaux qui établissent les bases théoriques de la technique sont publiés en 1951 dans une petite revue de langue allemande, mais le sujet est considéré comme sans intérêt par la communauté scientifique autrichienne.. En 1952, A.J.P Martin et R.L.M. Synge en Angleterre, et Alain Berton en France annoncèrent la naissance de la chromatographie en phase gazeuse. Cette technique a vécu son âge d'or entre 1955 et 1960, avec l'invention des colonnes capillaires par Marcel Golay (1957), du détecteur à ionisation à argon (1958), suivi du détecteur à ionisation de flamme (1958) et du détecteur à capture d'électrons (1960). Dès les années 1960, les progrès se sont orientés sur l'instrumentation et ont permis de rendre viables toutes ces inventions. De la fin des années 1970 à la fin des années 1980, d'énormes recherches ont été entreprises pour permettre l'analyse de toutes les familles de composés chimiques, grâce notamment au développement de nouveaux injecteurs et des colonnes capillaires.
Dès 1962, cette technique d'analyse est utilisée couramment dans l'industrie pétrolière. En effet, pour avoir des résultats rapides lors des forages, il est indispensable d'avoir une méthode d'analyse qui donne presque instantanément et automatiquement des résultats fiables. Depuis, cette technique s'est développée et s'étend aujourd'hui à tous les domaines : chimie, biologie, astronomie, pharmacie, industrie des matières plastiques, etc.
Compte tenu de ses nombreuses applications dans tous les domaines des sciences, la chromatographie de grande efficacité est considérée comme une évolution majeure du dans le domaine de la chimie analytique.
Appareils
Les appareils de chromatographie gazeuse sont appelés chromatographes. Ils sont principalement composés: d'un four (type chaleur tournante) qui permet une programmation de température ajustable de ( pour certains systèmes) à et qui est également équipé d'un système de refroidissement rapide; d'un système d'injection, qui va permettre d'introduire et de rendre volatil l'échantillon à analyser. L'injection peut se faire d'une manière manuelle ou automatique à l'aide d'un échantillonneur; d'une colonne (capillaire ou remplie) qui peut faire plus de 50 mètres, sur laquelle les différentes molécules de l'échantillon injecté vont se séparer suivant leurs affinités avec la phase stationnaire; d'un système de détection, qui va permettre de mesurer le signal émis par les différentes molécules et de pouvoir les identifier. Pour l'enregistrement du signal émis par le détecteur, des logiciels sur PC remplacent avantageusement les enregistreurs analogiques sur papier; d'un système de détendeur-régulateur pour les gaz utilisés (hélium, dihydrogène, diazote et air comprimé). Sur les chromatographes modernes, on trouve des systèmes électroniques pour la régulation des gaz qui sont également purifiés par des cartouches filtrantes.
Il existe des chromatographes de différentes tailles. Cela va du portable (env. 10 kg) conçu pour les analyses sur le terrain, à ceux utilisés dans la purification des gaz rares.
Il existe trois sortes de chromatographes : Chromatographe industriel, utilisé pour la purification des produits, c'est ainsi qu'Air Liquide a conçu et fabriqué un chromatographe de grande taille pour la purification du krypton et du xénon. Chromatographe à colonne, utilise un produit (phase stationnaire) imprégné ou greffé sur un support solide inerte à forte capillarité Chromatographe capillaire, ou la phase stationnaire est fixée directement sur la surface interne du tube capillaire creux, dont le diamètre interne est de l'ordre du demi ou quart de millimètre. La chromatographie de type gaz-liquide, largement utilisée de nos jours par rapport à celle de type gaz-solide, se fonde sur le partage du soluté entre une phase mobile gazeuse et une phase stationnaire liquide immobilisée sur un support inerte.
Principe de fonctionnement
L'échantillon (un liquide volatil) est d'abord introduit en tête de colonne par l'intermédiaire d'une micro seringue qui va traverser une pastille souple, appelée septum, pour se retrouver dans une petite chambre en amont de la colonne appelée injecteur. L'injecteur est traversé par le gaz porteur et porté à une température appropriée à la volatilité de l'échantillon. Les quantités injectées peuvent varier de 0,2 à .
Ensuite, une fois rendus volatils, les différents composés de l'échantillon vont être emportés par le gaz porteur (ou gaz vecteur) à travers la colonne et se séparer les uns des autres en fonction de leur affinité avec la phase stationnaire. La phase stationnaire peut être un liquide non (ou peu) volatil (chromatographie gaz-liquide) ou un solide adsorbant (chromatographie gaz-solide). Dans les deux cas, la phase stationnaire va provoquer un phénomène de rétention chromatographique avec les différents composés (appelés solutés). Plus le composé a d'affinité avec la phase stationnaire, plus il mettra de temps à sortir de la colonne. La grandeur expérimentale brute est appelée temps de rétention. C'est le temps qui s'écoule entre l'injection de l'échantillon et l'apparition du signal maximum du soluté au détecteur. Pour favoriser le transport de tous les composés à travers la colonne (élution), il faut déterminer la bonne température du four. En général, la température doit être légèrement supérieure à la température d'ébullition des composés (de manière que les composés ne sortent pas trop tôt, ce qui aurait pour conséquence d'avoir leurs pics confondus avec celui du temps mort). On peut travailler en isotherme, c’est-à-dire avec une température fixe durant toute l'analyse ou avec un programme de température qui varie.
À la sortie de la colonne, les composés rencontrent un élément essentiel qui est appelé détecteur. Cet élément évalue en continu la quantité de chacun des constituants séparés au sein du gaz porteur grâce à la mesure de différentes propriétés physiques du mélange gazeux. Le détecteur envoie un signal électronique vers un enregistreur de données qui dessinera les courbes de chaque pic en fonction de leur intensité (courbe de type Gaussienne). L'ensemble des pics est appelé chromatogramme. Actuellement et de plus en plus, les logiciels remplacent avantageusement les enregistreurs papiers pour l'interprétation des signaux envoyés par les détecteurs.
Notions théoriques Théorie des plateaux Afin de simplifier la représentation théorique des équilibres entre phase, les chercheurs Martin et Synge publient en 1950 leur modèle des plateaux.. Dans ce dernier, on considère la colonne composée de 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 , et de pic (cf. Paragraphe ci-dessous) :
On rencontre parfois aussi la Hauteur Équivalente à un Plateau Théorique (HEPT) définie comme et la plupart du temps comprise entre 0,1 et 10 mm..
Caractéristiques et résolutions des pics alt=Pic chromatographique de type "courbe gaussienne". Flèches indiquant l'emplacement de la largeur, largeur à mi hauteur et écart-type du pic|vignette|242x242px|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 , la largeur à mi-hauteur et l'écart-type . Les relations entre ces différents paramètres sont. :
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 et est considérée bonne lorsque . Elle se calcule pour deux pics et de la façon suivante :
Équilibre et Rétention 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..
Le temps de rétention () 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 () correspond au temps de rétention du gaz vecteur. Il s'exprime en fonction de la longueur de la colonne et de la vitesse linéaire du gaz. Ou encore en fonction du volume de la colonne et du débit de la phase mobile. Le temps de rétention réduit () correspond à la différence entre le temps de rétention du composé et le temps mort.
Il est possible, en suivant le même raisonnement de définir le volume de rétention (), le volume mort () ainsi que le volume de rétention réduit ().
Un équilibre existe entre le composé adsorbé sur la phase solide et dans la phase mobile : A_{(s)} <=>[K] A_{(g)}. Le rapport de phase est une grandeur caractéristique de chaque colonne, dépendant du volume de chacune des phases. La constante d'équilibre peut s'exprimer en fonction des paramètres de rétention déterminés précédemment.
Cette constante 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. en introduisant le facteur de rétention () qui permet de caractériser l'élution de chaque composé. Gaz
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 argonGwenola Burgot, Jean-Louis Burgot, Méthodes instrumentales d'analyse chimique et applications, Lavoisier, , 2011.. 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.
Injecteurs