Chromatographie en phase gazeuse

Comment définir la chromatographie en phase gazeuse ?

Si tu as cliqué sur ce résumé de cours, tu es probablement curieux de connaître la chromatographie en phase gazeuse. En quoi consiste cette technique et comment fonctionne-t-elle ?

La chromatographie en phase gazeuse permet non seulement de séparer les composants d'un échantillon, mais aussi de mesurer la quantité relative de chaque espèce présente. Cette technique est donc utile pour permettre aux chimistes d'analyser des mélanges complexes, tant sur le plan qualitatif que quantitatif.

Il existe plusieurs types et sous-ensembles de chromatographie en phase gazeuse, mais le terme est généralement utilisé pour désigner la chromatographie gaz-liquide (également connue sous le nom de chromatographie de partage gaz-liquide, ou GLPC). Le mot liquide indique l'état physique de la phase stationnaire utilisée, que nous étudierons plus tard. Dans la suite de cette explication, nous utiliserons le terme chromatographie en phase gazeuse pour désigner la CPGL.

Chromatographie en phase gazeuse : Principe

La chromatographie en phase gazeuse suit les mêmes principes que tous les autres types de chromatographie. Cependant, il y a quelques détails particuliers à noter, et nous les examinerons plus en détail au fur et à mesure que nous les rencontrerons :

Comme dans tous les types de chromatographie, la chromatographie en phase gazeuse utilise une phase mobile pour transporter un échantillon à travers une phase stationnaire.

Les phases mobiles sont souvent des solvants. Mais en chromatographie en phase gazeuse, la phase mobile est plutôt un gaz non réactif (comme l'hélium).

En chromatographie en phase gazeuse, la phase stationnaire est un liquide visqueux (tel qu'un hydrocarbure à longue chaîne). Le liquide est en suspension sur un solide fin (tel que la silice), qui est emballé dans un tube capillaire long et fin (ou colonne). Le tube n'a généralement que quelques millimètres d'épaisseur, mais peut atteindre \( 10 \) mètres de long !

Certains composants de l'échantillon sont transportés plus rapidement que d'autres à travers la phase stationnaire par la phase mobile. On dit que les composants qui se déplacent plus rapidement ont une plus grande affinité avec la phase mobile, et que ceux qui se déplacent plus lentement ont une plus grande affinité avec la phase stationnaire.

L'échantillon est séparé en ses composants en fonction de leurs affinités relatives avec les phases stationnaire et mobile. Cela signifie que les composants quittent le système chromatographique à des moments différents et peuvent être détectés individuellement par un détecteur.

Le détecteur produit un signal, qui est utilisé pour créer un chromatogramme. Il s'agit d'un graphique qui te renseigne sur le temps de rétention de chaque composant : le temps qu'il lui faut pour se déplacer dans le système.

En chromatographie en phase gazeuse, le chromatogramme te fournit également des données quantitatives sur la composition en pourcentage de l'échantillon, c'est-à-dire la quantité de chaque composant qu'il contient.

Chromatographie en phase gazeuse : Protocole

Découvrons maintenant le protocole de la chromatographie en phase gazeuse :

L'échantillon et le gaz non réactif utilisé comme phase mobile sont injectés dans un petit four. Ils y sont chauffés et mis sous pression, de sorte que l'échantillon se vaporise et se mélange à la phase mobile.

Les gaz sont ensuite poussés à travers un long et fin tube capillaire (ou colonne). Ce tube, également chauffé, est serré avec la phase stationnaire.

Les composants du mélange se séparent à mesure qu'ils passent dans le tube, en fonction de leur affinité relative avec chaque phase. Cela signifie qu'ils traversent la colonne à des vitesses différentes.

Les composants quittent finalement la colonne et passent sur un détecteur. Le détecteur produit un signal proportionnel à la quantité de composant présent.

Le signal est utilisé pour produire un chromatogramme, qui est ensuite analysé par les chimistes. Le chromatogramme contient une série de pics qui fournissent des informations sur le temps de rétention et l'abondance relative de chaque composant.

Le diagramme de chromatographie en phase gazeuse suivant devrait t'aider à visualiser un peu plus clairement le processus :

Fig. 1- Diagramme montrant l'appareil et la configuration typiques utilisés en chromatographie en phase gazeuse.

Analyse des chromatogrammes

Nous avons appris que la chromatographie en phase gazeuse produit un chromatogramme. Il s'agit d'un graphique qui nous informe sur les composants de notre échantillon. Il montre les pics correspondant au temps de rétention et à la quantité relative de chaque composant.

Fig. 2- Un exemple de chromatogramme produit en chromatographie en phase gazeuse.

À partir des chromatogrammes, nous pouvons déduire deux choses :

• Les temps de rétention nous donnent des indices sur l'identité des composants de l'échantillon.
• Les chromatogrammes nous renseignent également de manière quantitative sur le pourcentage d'abondance de chaque composant dans l'échantillon.

Temps de rétention

Les temps de rétention sont toujours les mêmes pour un composant particulier, à condition que toutes les conditions restent les mêmes. Cela signifie que nous utilisons la même phase mobile, la même phase stationnaire, le même tube capillaire (ou colonne), la même pression et la même température. Bien que le contrôle minutieux des conditions puisse être un peu délicat, l'utilisation de conditions standards nous permet de comparer le temps de rétention d'un certain composant à ceux d'une base de données. Par conséquent, nous pouvons identifier le composant.

Pourcentage d'abondance

Certains pics dans les chromatogrammes sont beaucoup plus hauts que d'autres. D'autres sont beaucoup plus larges. Par conséquent, les différents pics ont des aires différentes. L'aire sous un pic est proportionnelle à la quantité relative du composant qui atteint le détecteur à un moment donné. Nous pouvons l'utiliser pour déterminer quantitativement le pourcentage d'abondance de chaque composant dans l'échantillon. Voici comment procéder :

1. On trouve d'abord l'aire sous chaque pic. Les pics sont grossièrement triangulaires, et leur surface est donc approximativement égale à \( 0{,}5 \times la \ longueur \ de \ leur \ base \times leur \ hauteur \) ;
2. Nous additionnons ensuite les surfaces sous tous les pics pour obtenir la surface totale ;
3. Pour trouver le pourcentage d'abondance d'un composant particulier, divise la surface sous son pic par la surface totale sous tous les pics. Puis, multiplie ce nombre par \( 100 \) . C'est ta réponse finale ;
4. Répète l'étape \( 3 \) avec les pics restants.

Chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse

La chromatographie en phase gazeuse permet de séparer les mélanges en leurs composants. Cependant, elle ne permet d'identifier ces composants que si tu utilises des conditions standards. Pour de nombreuses expériences, cela n'est pas possible. En outre, certains chromatogrammes peuvent donner des résultats ambigus si les composants de l'échantillon ont des temps de rétention similaires. Pour résoudre ces problèmes, nous combinons la chromatographie en phase gazeuse avec la spectrométrie de masse.

Tu as peut-être déjà rencontré la spectrométrie de masse, utilisée pour identifier une seule molécule en la divisant en différents fragments. Le modèle des rapports masse/charge des fragments agit comme une empreinte chimique, nous permettant de déterminer la structure et l'identité de la molécule. Toutefois, la spectrométrie de masse peut également être utilisée pour un mélange de plusieurs espèces différentes. En combinant la chromatographie en phase gazeuse et la spectrométrie de masse, on obtient un outil d'analyse extrêmement utile, appelé GC-MS. La GC-MS sépare d'abord efficacement (grâce à la chromatographie en phase gazeuse), puis identifie (grâce à la spectrométrie de masse) tous les différents composés d'un échantillon.

Les principales caractéristiques d'un système GC-MS sont les suivantes :

• L'échantillon est injecté dans le système de chromatographie.

• Les composants de l'échantillon sont séparés en fonction de leur affinité relative avec les phases stationnaire et mobile, et quittent le système chromatographique à des moments différents.

• Les composants séparés sont envoyés dans un spectromètre de masse au lieu d'un détecteur.

• Le spectromètre produit un spectre de masse détaillé, qui est ensuite comparé à une base de données connue. Le spectre peut être utilisé pour identifier tous les composants de l'échantillon.

Avantages et inconvénients de la chromatographie en phase gazeuse

La chromatographie en phase gazeuse n'est que l'un des nombreux types de chromatographie que tu dois apprendre pour tes examens de niveau A. Ils peuvent sembler assez similaires. Qu'est-ce qui distingue la chromatographie en phase gazeuse des autres, et qu'est-ce qui la rend insuffisante dans certaines situations ? Examinons les avantages et les inconvénients de la chromatographie en phase gazeuse.

Avantages

Certains des principaux avantages de la chromatographie en phase gazeuse sont énumérés ci-dessous :

• La chromatographie en phase gazeuse peut être utilisée pour toutes sortes d'échantillons - la seule condition est qu'ils soient volatils et ne se décomposent pas à la chaleur.
• Elle produit des données quantitatives, contrairement à d'autres techniques telles que la chromatographie sur couche mince (CCM).

• En outre, les données sont numériques, ce qui réduit le risque de perte ou de dégradation.

• La chromatographie en phase gazeuse présente également un haut niveau de sensibilité et une haute résolution, ce qui permet de détecter une large gamme de composés.

• Sa résolution et sa sensibilité sont toutes deux considérablement améliorées lorsqu'elle est associée à un spectromètre de masse. C'est pourquoi nous pouvons utiliser la chromatographie en phase gazeuse pour séparer et identifier des espèces extrêmement similaires, même si elles ne sont présentes qu'à l'état de traces.

• En outre, il existe de nombreux types de tubes capillaires, de colonnes, de détecteurs et de phases stationnaires qui peuvent être utilisés dans toute une série d'applications.

Inconvénients

Pour éviter tout biais scientifique, nous devons également prendre un moment pour réfléchir aux inconvénients de la chromatographie en phase gazeuse. En voici quelques-uns :

• La chromatographie en phase gazeuse nécessite une surveillance attentive des conditions externes, afin de s'assurer que la température ne tombe pas trop bas.
• Les espèces non volatiles, ainsi que celles qui ne sont pas thermiquement stables, ne sont pas adaptées à l'analyse par cette technique. Cela inclut de nombreuses molécules organiques comme les sucres.
• Les tubes capillaires doivent être manipulés et stockés avec soin.

Chromatographie en phase gazeuse : Domaines d'application

Enfin, et ce n'est certainement pas le moins important, il est temps de passer aux applications concrètes de la chromatographie en phase gazeuse. Cette technique a de nombreuses utilisations et domaines d'application dans la société moderne. Par exemple :

• La chromatographie en phase gazeuse est utilisée pour tester le dopage, la consommation de drogues et la présence d'exhausteurs de performance dans les grands événements sportifs.

• De même, elle est utilisée dans les services de sécurité des aéroports et en médecine légale.

• La chromatographie en phase gazeuse joue également un rôle dans l'industrie alimentaire. Cette technique est utilisée pour évaluer la sécurité et la palatabilité des produits alimentaires en analysant non seulement les niveaux d'additifs et de contaminants, mais aussi en s'assurant qu'il y a suffisamment de molécules aromatiques ou de saveurs particulières.

• Nous vérifions également la présence de polluants environnementaux dans les systèmes d'eau et les habitats naturels à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse.

• Un domaine d'étude scientifique assez récent consiste à examiner les risques et les dangers des produits chimiques organiques volatils (COV). La chromatographie en phase gazeuse peut être utilisée pour identifier les COV libérés par des articles ménagers courants.

Application de la chromatographie en phase gazeuse : Exemples

Alimentation

Si tu penses que les aliments que tu manges sont simples et directs, détrompe-toi. De nos jours, les aliments sont soumis à une longue liste de tests pour s'assurer qu'ils peuvent être consommés sans danger, qu'ils sont conformes aux réglementations en vigueur, que les ingrédients sont clairs et que leur qualité est bonne.

La chromatographie en phase gazeuse peut jouer un rôle essentiel dans chacun de ces cas. Elle peut être utilisée pour l'analyse qualitative et quantitative des produits alimentaires, la quantification des additifs, l'identification des composés de saveur et d'arôme, et la détection de contaminants tels que les pesticides et les toxines naturelles.

Comment surveiller la pollution par chromatographie en phase gazeuse ?

La pollution est l'un des sujets les plus discutés au cours de la dernière décennie, et rien ne semble indiquer que cela va changer. L'un des problèmes les plus immédiats est l'émission de polluants dans l'air que nous respirons. Le plus souvent attribuées aux voitures et aux installations industrielles, ces émissions ont été liées à des difficultés respiratoires, à des maladies mortelles comme le cancer, voire à des malformations congénitales.

La chromatographie en phase gazeuse peut être utilisée pour surveiller les niveaux de pollution dans l'air. Cela permet aux chercheurs de mieux comprendre où la pollution est la plus forte, comment elle évolue au cours de la journée et de l'année, et comment la combattre à long terme.

Dépistage des drogues

La chromatographie en phase gazeuse permettant d'identifier les composants spécifiques d'une substance, elle peut également être utilisée pour détecter des drogues dans des échantillons de fluides corporels. Elle est parfois utilisée par exemple à des fins médico-légales, pour vérifier si une personne a consommé des drogues ou ingéré du poison dans les heures qui ont précédé sa mort. Cependant, il peut également être utilisé dans des affaires judiciaires et par des organismes sportifs pour tester l'utilisation de drogues illégales ou interdites.