La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une technique d'analyse populaire pour isoler et évaluer les produits chimiques volatils dans une large gamme de matériaux. Cette technique permet de séparer les molécules issues de mélanges complexes et divers. La séparation réussie de mélanges complexes est essentielle à son efficacité.

Principe de la chromatographie gazeuse

L’analyse à travers de cette méthode repose sur l’équilibre de partage des analytes entre une phase stationnaire et une phase mobile gazeuse. La fonction de la séparation des analytes repose sur la différence d’affinité de ces composés pour la phase mobile et pour la phase stationnaire. Le mélange à analyser est vaporisé puis transporté à travers une colonne capillaire a certaine température, renfermant une substance liquide ou solide qui constitue la phase stationnaire. Le transport se fait à l'aide de différents types de gaz inerte, appelé « gaz vecteur », normalement de l’Hélium, de l’Hydrogène, de l’Argon ou de l’Azote de haute pureté pour éviter une interférence avec le mélange à analyser, qui constitue la phase mobile.

Le mélange gazeux est introduit dans la colonne grâce à un injecteur, où il est séparé en fonction de son temps de rétention et de son affinité avec le support de la colonne dans un four à température élevée. Ces dernières vont ainsi se dissocier et sortir de la colonne à différents moments : elles sont alors transportées jusqu'au détecteur, qui mesure le signal émis par les différentes molécules et les identifie en fonction de leur temps d'arrivée.

Importance du système d'injection d'échantillons

Le système d'injection d'échantillon, qui est responsable de l'injection de l'échantillon dans le chromatographe, est important pour ce processus de séparation. Le système d’injection d’échantillons est l’un des plus important composants en chromatographie gazeuse car il détermine l'exactitude, la précision et l'efficacité de l'analyse. La fonction principale du système d'injection d'échantillon est d'insérer l'échantillon dans la colonne GC. Le système d'injection d'échantillon doit garantir que l'échantillon est injecté dans le chromatographe en quantité constante et contrôlée.

Composants clés du système d'injection d'échantillons

  • Échantillon d'injecteur
  • Injecteurs à seringue
  • Échantillonneurs automatiques
  • Injecteurs Split/Splitless
  • Le port d'injection
  • Papiers doublures

L'injecteur de CPG

L'injecteur de CPG sert à vaporiser les solutés en solution dans le solvant afin qu'ils puissent être entrainés dans la colonne par le gaz vecteur. Le split correspond à un ratio entre la partie réellement injectée dans la colonne et celle dirigée vers l'extérieur de l'appareil. Les produits sont injectés grâce à des micros seringues (volume de 0,5µL à 10µL). On utilise une seringue de faible diamètre qui permet de déposer l'échantillon dans la colonne. La seringue doit être rincée plusieurs fois avec un solvant, puis avec l'échantillon avant de prélever l'échantillon.

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Les injecteurs split/spliless sont dotés d'un liner et d'un septum. Le septum a pour rôle d'assurer l'étanchéité entre la colonne et l'extérieur. En clair, la pression dans l'injecteur doit être suffisante pour permettre au gaz de pénétrer dans la colonne. Au final, our éviter tout risque de perte de débit, il est nécessaire de choisir un ratio de split adapté au diamètre intérieur (D.I.) de la colonne capillaire.

Techniques couramment utilisées des systèmes d'injection d'échantillons

Différentes techniques d'injection d'échantillons sont utilisées en chromatographie gazeuse (GC) pour introduire les échantillons dans le chromatographe en vue de leur examen.

  1. Injection fractionnée : Dans l'injection fractionnée, une partie de l'échantillon est détournée de la colonne, tandis que seule une fraction de l'échantillon entre dans la colonne pour être séparée. Cette technique est couramment utilisée pour les échantillons à forte concentration d'analytes, évitant ainsi la surcharge de la colonne.
  2. Injection sans division : L'injection sans division est l'opposé de l'injection avec division. Dans cette technique, l'échantillon entier est introduit dans la colonne, ce qui maximise la sensibilité. Elle est particulièrement utile lors de l'analyse de composants à l'état de traces.
  3. Injection directe : Pour les échantillons gazeux ou en espace de tête, l'injection directe est utilisée. Au lieu de délivrer un échantillon liquide, un échantillon en phase gazeuse ou vapeur est directement introduit dans le système GC.
  4. Injection sur colonne : L'injection sur colonne, également appelée injection à froid sur colonne, consiste à placer l'échantillon directement sur la tête de la colonne GC sans utiliser de port d'injection.
  5. Injection de purge et de piégeage : La technique de purge et de piégeage est une technique d'introduction d'échantillons utilisée pour analyser les composés organiques volatils (COV) dans des échantillons liquides tels que l'eau ou les extraits de sol. L'échantillon est purgé avec un gaz inerte pour libérer les analytes volatils, qui sont ensuite piégés sur un matériau adsorbant.
  6. Injection dans l'espace de tête : L'injection dans l'espace de tête est une technique utilisée pour analyser les composés volatils présents dans l'espace de tête au-dessus d'un échantillon liquide. L'espace de tête, qui contient des analytes volatils en équilibre avec le liquide, est échantillonné et injecté dans le GC pour analyse.
  7. Microextraction en phase solide (SPME) : La SPME est une technique de préparation et d'injection d'échantillons qui consiste à extraire les analytes d'une matrice d'échantillon à l'aide d'une fibre revêtue. La fibre est ensuite introduite dans l'injecteur GC, où les analytes sont désorbés thermiquement et transférés vers la colonne GC.
  8. Injection à grand volume : Afin d'améliorer la sensibilité, un volume relativement important d'échantillon est injecté sur la colonne. Lorsqu'il s'agit d'échantillons dilués ou de détecter des traces d'analytes, cette approche s'avère pratique.

Gaz vecteur et son importance

En assurant le bon transport depuis l’injecteur jusqu’à la colonne chromatographique, le gaz vecteur est un élément essentiel de l’analyse. Les gaz vecteurs les plus couramment utilisés sont l’hélium, l’hydrogène et l’azote. La sélection du gaz vecteur dépend de la nature de l’échantillon et du type de détecteur utilisé lors de l’analyse. Essentiels pour une bonne interprétation des résultats du chromatogramme, les gaz vecteurs sont essentiels en CPG pour garantir des performances optimales.

Lorsqu’il existe un niveau élevé d'impuretés dans le gaz vecteur, cela crée un niveau de bruit dans le chromatogramme qui peut interférer avec la détermination des substances à analyser. Il est donc essentiel de choisir correctement des gaz de bonne qualité avec un bon contrôle des impuretés. La pureté élevée minimise les interférences et les bruits de fond, améliorant ainsi la sensibilité et la précision des analyses. Les impuretés telles que l'oxygène, l'eau, et les hydrocarbures peuvent endommager la colonne et les détecteurs, et provoquer des interférences analytiques.

Le gaz vecteur ne doit pas réagir avec les composés de l'échantillon ou les composants du système (comme la colonne et les détecteurs). Le gaz doit être compatible avec le type de détecteur utilisé et les conditions opératoires. Des variations de débit ou de pression peuvent affecter la répétabilité et la reproductibilité des analyses.

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Colonne de séparation

Il existe deux types de colonnes : les colonnes remplies et les colonnes capillaires. Les colonnes remplies sont un diamètre de quelques millimètres et une longueur de l’ordre du mètre. Elles sont remplies de granules de support inerte, généralement de la silice, dont la surface est imprégnée ou greffée avec la phase stationnaire. Les colonnes capillaires sont de simples tubes d’acier inoxydable, de verre ou de silice fondue (matériau inerte vis-à-vis de la phase stationnaire et des échantillons) de diamètre intérieur compris entre 0,1 et 0,5 mm, et d’une longueur typique de plusieurs dizaines de mètres, pouvant aller jusqu’à 100 m.

La surface interne de ce tube est recouverte d’un film de 0,1 à 5 µm d’épaisseur constitué de la phase stationnaire. Ce film est mis en place par greffage ou simple déposition, le greffage étant généralement préféré pour des raisons de stabilité thermique. D'après W.E. Harris et H.W. Habgood, Programmed Temperature Gas Chromatography, p. 10.

Détecteurs

En sortie de colonne, les analytes rencontrent le détecteur, aujourd’hui généralement couplé à un enregistreur numérique du signal qui permet son traitement. Cet élément mesure en continu une grandeur proportionnelle à la quantité des différents analytes.

Le FID (en anglais flame ionisation detector, en français détecteur à ionisation de flamme), qui est le plus utilisé. La sortie de colonne traverse une flamme maintenue à une tension d’une centaine de volts. La pyrolyse ionise les composants, provoquant l’apparition d’un courant électrique entre les électrodes, ensuite amplifié.

Le TCD (en anglais thermal conductivity detector, en français détecteur à conductivité thermique), ou catharomètre. La sortie de colonne arrive sur l’une des résistances d’un pont de Wheatstone ; le passage de composants fait varier la tension aux bornes du pont.

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Le MS (en anglais mass spectrometer, en français spectromètre de masse), généralement en mode EI (electron ionisation) ou CI (chemical ionisation), qui provoque l’ionisation des molécules organiques éluées et analyse ces ions. Ce couplage GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) permet, au-delà de la simple détection de présence d’espèces chimiques, d’avoir des informations concernant lesdits composants.

Conseils pratiques

  • Programmer le four. Si des conditions expérimentales adéquates sont déjà connues, les utiliser. Une méthode de type gradient est souvent suffisante.
  • Choisir la colonne. Par défaut, une colonne apolaire est suffisante.
  • Injecter environ 1 µL dans l’injecteur.
  • Afin de nettoyer la colonne, on peut la laisser quelques minutes à la température maximale d’utilisation.
  • A l'arrêt de la CPG, le gaz vecteur doit circuler dans la colonne tant que la température de l'injecteur n'est pas descendue en dessous de 100°C. Une température trop élevée peut endommager la colonne.

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