Chromatographie en phase gazeuse

Chromatographie en phase gazeuse CPG

Technique applicable aux composés gazeux ou susceptible d’être volatilisés par élévation de T°
Limité aux composés thermostables et suffisamment volatils

Principales applications :
-analyse pétrochimique
-industrie des arômes ,des parfums
-environnement
-indus pharmaceutique →place ↓ au profit de la chromato liq

φm=gaz =gaz vecteur
φs (ds colonne) ssf de grains colonne remplies
ou de film déposé sur la paroi interne de la colonne
ech capillaire ou semi capillaire
soit liq déposé sur support =chromato gaz/liq
méca =partage
soit solide =chromato gaz/solide
méca d’adsorption

la rétention est fct° :
-de la nature de la φs (polarité)
-de la T° de la colonne
-φm :rôle passif

I Appareillage

Fig 24

1/ source de gaz

-pur ,inerte ,peu visqueux avec le détecteur (N2 ,He2 ou H2)
-ss/P° (sécurité !) détendu ss/ 1 à 4 bar
-régulé de façon à être à débit constant
(1 à 25 ml/min en fct° du détecteur et Ø de la colonne)
-mesure du débit avec débimètre
ex :à bulle de savon

tubullure latérale en verre reliée à la sortie de la colonne
calc tps que met une bulle de savon pour parcourir x mm

2/ chambre d’injection

-l’injecteur doit vaporiser l’ech puis l’entraîner ds la tête de la colonne
-chauffé à 30°C
-ech gazeux :seringue spéciale ou injecteur à boucle
-ech liq ou solide en solution
µseringues (fig 25)
injecte 1 à 5 µl
-≠ts types d’injection et d’injecteurs suivant le type de colonnes remplies ou capillaire
-injection / vaporisation directe (fig 26) :
seringue ,septum ,tt l’ech est vaporisé puis transféré ds la colonne / gaz vecteur
→ut pour colonne remplie et semi capillaire
-injection avec/sans division ou split/splitless (fig 27)
seringues ,septum
• split→gaz vecteur ds chambre de vap ;vanne de fuite :1à10% pénètre ds colonne
• splitless →pour solution très diluées ;vanne de fuite fermée

-injection part :technique de l’espace de tête « headspace » pour composés volatils :traces /matrice cplxe ,peu volatile
→dosage solvant résiduel ds Pa
-ech ds flacon type antibio + bouchon transperçable (60 à 80° /chauffage pdt tps donné (30’ à 1H)
prélèvement ,injection vap en eq avec ech
→les composés volatils sont ds vap à une conc ↔ à celle ds le liq
-technique quantitative :dosage /gamme d’étalonnage ds les même cdt°
-sélective
-ut pour doser arôme ds vin
-méthode PE :dosage des solvants résiduels /PA

3/ four

-enceinte où est située la colonne
-régulation T° au 1/10ème de degré près
-ventilation forcée en permanence →T° homogène

mode de travail : isotherme ou en programmation de T°
T° fixée cste
4/ Colonnes

enroulées en spires ,3 types :

◊ Colonnes remplies :
de moins en moins ut
3à5 m x 2 à 4 mm de Ø interne
tube en acier inox ou verre ctnt des grains
tube laisse trace métallique qui catalyse la réaction à chaud

•grains : support imprégnés de 3 à 25% de φs liq (partag G ou + rarement support seul)

◊ Colonnes capillaires :
15 à 100 m x 0.1 à 0.35 mm Ø interne
silice fondue revêtue de polyimide à l’ext
φs :film liq (partage G-L) ou qlq fois solide (adsrption G-S) déposé sur la paroi interne
actuellement ,greffage chimique sur paroi de silice au lieu de dépôt de film

◊ Colonnes semi capillaires = Mégabores =macrobores =ultrabores (bores =trous)
5 à 50 m x 530 µm Ø interne
aspect de colonne capillaire
Caractéristiques et avantage des colonnes capillaires ou semi capillaire

C. remplies C.capillaires
Perméabilité 2.10^-7 cm² 100.10^-7 cm²
Volume φm/φs 10 - 100 100 – 1000
h 0.5 à 1 mm 0.1 à 0.5 mm

NB :la perméabilité est proportionnelle au Ø des particules dp² pour colonne remplies
Au rayon r² pour colonne capillaires

◊ Perméabilité de 10^-7↔ 10 trous de 1 µm²
C. capillaire a une perméabilité ~50 x > à celle d’une C. remplie
→perte de charge faible ,colonnes longues possibles ;N élevé

◊ vol C. capillaire >C. remplie →+ de gaz vecteur (φs)
→analyse + rapide
mais faible capacité (on ne peut chargé trop la colonne→ut solutions très diluées

◊ h : hauteur équivalente d’un plateau théorique
h=Longueur colonne/N
+ colonne effi + h petit
→bcp + faible avec C. capillaire car effi élevé →pic + étroit →meilleur résolution

5/ phase stationnaire

•liquide plaqué sur paroi C. capillaire
→polysiloxanes (huiles ,gommes silicones)
avec substituants divers pour conférer des polarités ≠tes
PEG (carbowax) OH-(CH2-CH2-O-)n-H
Polarité variable en fct° de n
Carbowax 20M très polaire

•solide
silice ,alumine…

6/ détecteurs

dans un bloc chauffé à T° >30°C four
le + courant = détecteur à ionisation de flamme

Catharomètre

Conductibilité du gaz vecteur est une cste qui ↓ en présence de m* étrangères
2 bloc métalliques thermostatés
1 bloc de ref parcouru par un gaz vecteur en permanence
1 bloc de mesure parcouru par ce qui sort de la colonne

cavité avec filament thermosensible sui a une résistance R chauffée électriquement
électrodes = branches du pont de Wheastone

Ds bloc de mesure ,qd :
pas de soluté → eq T° ds pont de Wheastone
présence de soluté→↓ conductivité thermique ,T° modifiée ,résistance modifiée
le pont est déseq →on nregistre deseq de T°

•avantage :
détecteur universel

•inconvénient :
peu sensible

→ut srtt pour l’analyse de gaz

Ionisation de flamme ou FID

Courant gazeux sortant de la colonne arrive ds flamme (α-H2) à 2100°C placée vs 2 électrodes
Les proportions α/H2 sont pré définies
M* organiques brûlées ds flamme →courant faible d’ion proportionnel au nbre de m* brûlées
Ces ions sont collectés vs 2 électrodes portées à une ddp de 10 à 300 volt
L’une sert de polarisation (masse)
L’autre sert d’anode et recueille le courant
Ce courant est transformé et amplifié par électromètre en une T° mesurée

•Réponse : fct° des réglages α/H2 $ un optimum
Elle varie pour chaque fct° organique

•quasi universelle →répond à ttes les m* organiques (sauf formol et ac formique)

•très sensible →détecteur par excellence en CPG

thermoionique

modif du FID

la présence d’un sel alcalin de Rb ou Ce placé près de la flamme multiplie la réponse des composés azotés et phosphatés 200 à 500 x
→céramique dopée avec sel ds l’axe de la flamme

-détecte trace de composés N ou P qd composés matrice cplxe
-détecteur très sensible et sélectif pour N et P
-pour pesticides organophosphorés et m* azotées ds milieux bio
(sensibilité et sélectivité recherchée ds matrice cplxe)

photométrie de flamme FDP

-composé P ou S ds flamme α-H2 réductrice
→excitation et émission de lumière
analyse nrj lumineuse à l’aide de filtres (P :526 nm ,S :394 nm)
-très sensible et sélectif pour S et P
-analyse des pesticides P et S (sensibilité et sélectivité recherchée ds matrice complexe)

Capture d’e-

-source radioactive émettrice de rayonnement β de faible nrj (Ni ou H) ionise le gaz vecteur selon relation :
β- + N2 →N2+ + e- courant de base
M + e-→M- M = substance électophile (Cl, Br
→enregistre signaux négatifs
le courant de base (collecté par électrodes) ↓ en présence d’une substance électrophile
gde pureté des solvants
pas de solvants chlorés ,pas de bouchon PVP…
réglementation particulière (localisation ,maintenance ,inspection)

•très sélectif et très sensible pour substance électrophiles
→détecteur donnant info structurale

Spectrométrie de masse

Identification des composés à partir du spectre de masse (SM) ,du spectre de fragmentation ,svt comparaison avec bibliothèque de spectre

Ce couplage CPG/SM est maintenant très répandu pour identifier solvant résiduel ds PA

IR

(IR moyen)
Permet identifier m*

•peu sensible
•peu répandu

émission atomique

II Mécanisme et optimisation en CPG

Rétention des solutés en fct° de l’affinité vis-à-vis de la φs
Eq φs φm suivant 2 mécas :
-adsorption G/S
-partage G/L
eq caractérisé par cste de distrib
Kd=Cs/Cm
Qui dpd de la nature du soluté et de la φs
Φm :rôle passif en CPG

Règle de rétention :

1/φ apolaire : force de dispersion (interaction)
≠ce ds ces forces reflétées ds les points d’ébullition
•soluté non polaire les + retenus et sortent ds l’ordre du point d’ébullition
hexane (69°c) heptane (18°c) octane (126°c)
•avec même point d’ébullition ,soluté polaires les – retenus
propanol(1) heptane (2) T°eb=98°c

2/ φs polaire : interaction dipôle-dipôle en + des forces de dispersion
•soluté polaire les + retenus
(point d’eb svt – importants pour det rétention)
•avec même point d’eb ,soluté peu polaire les – retenus
heptane (1) propanol (2) point d’eb 98°C

Optimisation d’une séparation

On agit tout d’abord sur la sélectivité α qui dépend de :
•polarité φs
on choisit une φs qui donne des interactions =qui se ressemble ,s’assemble
•T° de séparation : après avoir choisi la φs ,on fait varier la T° du four
qd T° ↓ α ↑
rétention ↓
α ne dépend pas de -la granulométrie de la φs
-l’épaisseur du film de liq qui recouvre φs
-du débit du gaz vecteur

III Application

Limite :composé de PM>300 →non volatilisables ,substances ioniques thermolabiles
Injection directe pour les solutés volatils ou volatilisables
Injection après dérivation (transformation chimique ) qd
-T° d’eb trop élevée
-trop polaire
-thermolabile
-détection peu sensible et peu sélective
Réaction couramment ut :
CH 3 CH3
•sylation :ROH + Si CH3 → R-O-Si-CH3
CH3 CH3

On fixe qpmt triméthyl sylilé TMS sur composé à H mobil (alcool ,phénol)

•Alcoylation
ROH→ROR’ éther
RCOOH→RCOOR’ ester
Ut ds dosage des AG ds alim (point eb élevé (LH)

•Acylation
ROH + R-C+=O→R-O-C=O
carbocation R
R-NH2 + R’-C+=O→R-C=O
NH2

♦ utilisation de la CPG :

•contrôle pharmaceutique
-solvant résiduel /PA
-contrôle de qualité (matière 1ère ,formes pharmaceutiques supplantées svt par CLHP :sauf essences ,alcools ,parfums ,plastique

•Dosage mdt ds milieu bio
-étude de métab ,pharmacocinétique ,biodispo suivi thérap
avec SM ou après dérivation
•industrie chimique ,cosmétologie
-analyse des essences ,parfums ,arômes ,hydrocarbures
•industrie agro alim
-analyse des pesticides ,nitrosamines