La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une méthode d'analyse utilisable sur des échantillons gazeux, liquides et solides (composants qui s'évaporent sous l'effet de la chaleur). Lorsqu'un système CPG est utilisé pour analyser un mélange de composés, chaque composé peut être identifié et mesuré séparément.
Mikhail Semenovich Tsvett a découvert la chromatographie en phase gazeuse (CPG) comme méthode de séparation des composés au début du XXe siècle. La chromatographie liquide-solide sur colonne est fréquemment utilisée en chimie organique pour séparer les molécules organiques en solution. La chromatographie gaz-liquide est le type de chromatographie en phase gazeuse le plus fréquemment employé pour la séparation des composés organiques.
Pour l'identification des produits chimiques, la combinaison de la spectrométrie de masse et de la chromatographie en phase gazeuse est un outil essentiel. Un chromatographe en phase gazeuse comprend un port d'injection, une colonne, des dispositifs de contrôle du débit du gaz vecteur, des fours et des éléments chauffants pour maintenir la température du port d'injection et de la colonne, un enregistreur graphique intégrateur et un détecteur. Pour séparer les produits chimiques en chromatographie gaz-liquide, une solution contenant les composés organiques d'intérêt est injectée dans le port d'échantillonnage et vaporisée. Les échantillons vaporisés sont ensuite transportés par un gaz inerte, souvent de l'hélium ou de l'azote. Ce gaz inerte traverse une colonne de verre remplie de silice et recouverte d'un liquide. Les matériaux moins solubles dans le liquide produiront un résultat plus rapide que les matériaux plus solubles. L'objectif de ce module est de mieux comprendre les techniques de séparation et de mesure, ainsi que leurs applications.
En chromatographie gaz-liquide (GLC), la phase stationnaire liquide est soit immobilisée sur les parois du tube capillaire, soit adsorbée sur un garnissage inerte solide. Lorsqu'un tube de colonne en verre ou en métal est rempli de minuscules supports inertes sphériques, la colonne est dite garnie. Une petite quantité de phase liquide s'adsorbe à la surface de ces billes. Une phase stationnaire, ou couche adsorbante, capable de supporter la phase liquide est ajoutée aux parois du tube d'une colonne capillaire. Malheureusement, en raison d'une traînée de pics importante et du stockage semi-permanent des composés polaires dans la colonne, la méthode GSC est rarement utilisée en laboratoire.
Un chromatographe en phase gazeuse est constitué d'un tube étroit, appelé colonne, à travers lequel passe l'échantillon vaporisé, entraîné par un flux continu de gaz inerte ou non réactif. Les composants de l'échantillon traversent la colonne à des vitesses différentes, selon leurs propriétés chimiques et physiques et les interactions qui en résultent avec le revêtement ou le remplissage de la colonne, appelé phase stationnaire. La colonne est généralement enfermée dans un four à température contrôlée. À la sortie de la colonne, les produits chimiques sont détectés et identifiés électroniquement.
Colonnes :
Les premières chromatographies en phase gazeuse utilisaient des colonnes à garnissage constituées de blocs de 1 à 5 m de long et de 1 à 5 mm de diamètre, chargés de particules. L'invention de la colonne capillaire a amélioré la résolution des colonnes à garnissage en déposant la phase stationnaire sur la paroi interne du capillaire.
Les colonnes tubulaires ouvertes, également appelées colonnes capillaires, se déclinent en deux types principaux. La première est une colonne tubulaire ouverte à revêtement mural (WCOT), tandis que la seconde est une colonne tubulaire ouverte à revêtement support (SCOT). Les colonnes WCOT sont des tubes capillaires sur lesquels est déposée une fine couche de phase stationnaire.
Une fine couche (d'environ 30 micromètres d'épaisseur) d'un matériau adsorbant, tel que la terre de diatomées, composée de squelettes de plantes marines unicellulaires, est d'abord appliquée sur les parois des colonnes SCOT. Ensuite, une phase stationnaire liquide est appliquée sur le solide adsorbant. En raison de leur plus grande capacité d'échantillonnage, les colonnes SCOT peuvent stocker davantage de phase stationnaire que les colonnes WCOT ; pourtant, ces dernières offrent une efficacité supérieure.
Pour différents domaines, plusieurs types de colonnes peuvent être utilisés. Certaines colonnes GC sont plus performantes que d'autres, selon le type d'échantillon. La colonne GC Zebron est appelée « Zebron-inferno ».
Un polyimide unique, résistant aux températures élevées, est appliqué sur sa couche externe. La figure 6 illustre la présence d'une couche supplémentaire à l'intérieur. Il est conçu pour permettre une séparation précise du point d'ébullition lors des procédés de distillation des hydrocarbures et peut supporter des températures allant jusqu'à 430 °C. Il est également applicable aux échantillons basiques et acides.
Détecteurs utilisés en chromatographie gazeuse
• Détecteur à conductivité thermique.
• Détecteur à ionisation de flamme (FID)
• Détecteur thermo-iconique.
• Détecteur photométrique de flamme.
• Détecteurs ultraviolets.
• Détecteur de fluorescence.
• Détecteur à indice de réfraction (RI ou RID)
• Détecteur de flux radio.
Le gaz vecteur, qui diffère selon le GC utilisé, est crucial. Le gaz vecteur utilisé en chromatographie gazeuse doit être sec, exempt d'oxygène et chimiquement inerte. L'hélium est le plus souvent utilisé, car il est plus sûr que l'hydrogène, mais d'efficacité comparable, offre une plage de débits plus large et est compatible avec divers détecteurs. Selon les performances recherchées et le détecteur utilisé, l'azote, l'argon et l'hydrogène sont également utilisés. Grâce à leurs débits plus rapides et à leurs masses moléculaires plus faibles, l'hydrogène et l'hélium, fréquemment utilisés dans la plupart des détecteurs conventionnels tels que l'ionisation de flamme (FID), la conductivité thermique (TCD) et la capture d'électrons (ECD), offrent des temps d'analyse plus rapides et des températures d'élution d'échantillon plus basses.
Par exemple, la meilleure sensibilité avec la TCD est obtenue avec l'hydrogène ou l'hélium comme gaz vecteur, car leur conductivité thermique diffère davantage de celle de la vapeur organique que des autres gaz vecteurs. D'autres détecteurs, comme la spectroscopie de masse, utilisent l'azote ou l'argon, qui sont supérieurs à l'hydrogène ou à l'hélium en raison de leurs masses moléculaires plus élevées, ce qui augmente l'efficacité de la pompe à vide.