colonnes de chromatographie en phase gazeuse
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Chromatographie en Phase Gazeuse
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Chromatographie en phase gazeuse
• CPG : Méthode d’analyse par séparation qui s’applique aux composés
gazeux ou susceptibles d’être vaporisés par chauffage sans décomposition
• Historique
1941 : A. J.P. Martin et M. Synge publient la théorie de la chromatographie de
partage
1952 : Prix Nobel de chimie attribué à A. J.P. Martin et M. Synge pour leurs
travaux
1951 : James et Martin inventent les colonnes remplies
(très utilisées jusqu’aux années 80)
1957 : Golay met au point les premières colonnes capillaires
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Chromatographie en phase gazeuse
• CPG : Méthode d’analyse par séparation qui s’applique aux composés
gazeux ou susceptibles d’être vaporisés par chauffage sans décomposition
• Utilisable pour analyser:
- des arômes
- des polluants, pesticides
- des substances volatiles (éthanol, solvants)
- des acides gras (après dérivatisation = estérification)
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Chromatographie en phase gazeuse
• Le chromatographe
Colonne : séparation des composés
(ϕ stationnaire : rétention des composés)
Injecteur :
vaporisation
Détecteur (FID, TCD)
Gaz
vecteur
(pas
d’O2)
Manodétendeur
Four thermostaté
Ordinateur
Air
H2
CG
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Composition de la chaîne de mesure
Injection, séparation des composés
Ordinateur
Intégration du signal
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Chromatographie en Phase Gazeuse
Colonnes de chromatographie
en phase gazeuse
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
• Différentes variétés de chromatographie en phase gazeuse
Chromatographie gaz/liquide
Phase stationnaire = liquide non volatil possédant des propriétés de solvantvis à vis des solutés à séparer
Séparation basée sur le partage du soluté entre la phase gaz et la phase
stationnaire
Phase stationnaire
(liquide)
Intérieur de la colonneCM
CS
Coefficient de distribution:
K= Cs /CM
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• Différentes variétés de chromatographie en phase gazeuse
Chromatographie gaz/solide
Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
Phase stationnaire = solide adsorbant
Séparation basée sur l’adsorption à la surface de l’adsorbant
Cvap
Phase stationnaire
= Adsorbant
Phase gazeuse
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
Film de phase stationnaire ou couche poreuse d’adsorbant
Longueur : 10 à 50 m
Diamètre interne : 0,1 à 0,5 mm
Epaisseur de phase : 0,1 à 5 µm
Colonnes capillaires
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Colonne de chromatographie en phase gazeuse
• Une colonne capillaire est définie par :
∅ interne (ID ou DI)
Longueur
Nature de la phase stationnaire (greffée ou réticulée)
Epaisseur du film de phase stationnaire
OV-1701 - 25m - 0,32 mm DI
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• Interactions mises en jeu dans la rétention du soluté
• Forces de Van der Waals
Forces de Keesom ou interactions dipôle-dipôle
Forces de Debye ou interactions dipôle-dipôle induit
Forces de London ou de dispersion
δδδδ+ δδδδ - δδδδ+ δδδδ -
à t
δδδδ+ δδδδ - δδδδ+ δδδδ - δδδδ+ δδδδ -
δδδδ+ δδδδ - δδδδ+ δδδδ -
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Sites actifs du support
• Groupes silanols Si-OH
• Groupes siloxanes Si - O - Si
SiO-HO-H
Si O-HO
HOC R
H-O
OC R
Si SiO
H-O-R
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• Exemple de désactivation du support
Traitement au diméthyldichlorosilane (DMDCS) puis méthanol
SiOH
O-HSi
CH3
CH3ClCl
Si
OH
O Si CH3CH3
Cl
Si
OH
O SiCH3
CH3
O
CH3OH
CH3
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
• Exemple de désactivation du support
Traitement à l’héxadiméthyldisilazane (HDMS)
SiOH
O-HN
Si(CH3)3
Si(CH3)3H Si
O Si
O Si
CH3CH3CH3CH3CH3CH3
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
Pour optimiser une séparation il est essentiel de :
choisir une phase stationnaire adaptée
Composés polaires retenus par ϕ polaire
Composés apolaires retenus par ϕ apolaire
n-propanol
n-heptane
Sur SQUALANE
(phase apolaire)
n-propanol
n-heptane
Sur PEG = CARBOWAX 20M
(phase polaire)
n-propanol Teb = 97°Cn-heptane Teb= 98°C
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Pour améliorer une séparation en CPG
(diminuer la HEPT)
Modifier les paramètres thermodynamiques:Changer de phase stationnaire
Jouer sur les paramètres cinétiques:- Modifier la vitesse du gaz vecteur
- Modifier la température de la colonne
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Symbole Substancetémoin Fonctions
X' Benzène Aromatiques, oléfiniques
Y' 1-butanol Alcools, nitriles, acides
Z' Méthylpropyl
cétone
Cétones aldéhyddes esters,
époxydes, dérivés àgroupmt diméthylamine
U' Nitropropane Nitrile, dérivés à
groupement nitro
S' Pyridine Pyridine
H 2-méthyl-2-pentanol
Chaînes ramifiées, en part.alcools
J 1-iodobutane Fonctions halogénées
K 2-octyne Fonctions acétyléniques
L 1-4-dioxane
M Cis-hydrindane
Constantes de Mc Reynolds
X ’ + Y ’ + Z ’ + U ’ + S ’ = polarité moyenne de ϕ
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• Phases stationnaires : quelques exemples courants
Squalane (C30H62) phase très apolaire
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• Phases stationnaires : quelques exemples courants
Poly Méthyl Siloxanes (OV101; CPSil-5)
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• Phases stationnaires : quelques exemples courants
Phényl, Méthyl Siloxanes (OV-17; CPSil-8)
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Cyanopropyl méthyl siloxane
• Phases stationnaires : quelques exemples courants
5 à 30 % voire plus degroupements cyanopropyle
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• Phases stationnaires : quelques exemples courants
Phase à base de Polyéthylène glycol (PEG) (= Carbowax)
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α-cyclodextrine β-cyclodextrine
Pour la séparation d’énantiomères : phases à base de cyclodextrines
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Cyclodextrine
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Pour améliorer une séparation en CPG
(diminuer la HEPT)
Modifier les paramètres thermodynamiques:Changer de phase stationnaire
Jouer sur les paramètres cinétiques:- Modifier la vitesse du gaz vecteur
- Modifier la température de la colonne
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
• Grandeurs à considérer
Temps de rétention
Pic de l ’air ou du
méthane
Pic du soluté
tm : temps de rétention d ’un composé non retenu
tR : temps de rétention du soluté
t’R : temps de rétention réduit
tR
tm t'R
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Pic de l ’air ou du
méthane
Pic du soluté
tR
tm t'R
Facteur de capacité:
k’ = mS /mM = = K tR
’/ tmCs ·VsCM·VM
VsVM
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• Colonnes capillaires : Equation de Golay
h
u
hmin
uopt
h = B/u + CG ·u + CL ·u
Vitesse linéaire du gaz vecteur
(cm/s)
Diffusion
longitudinale
Résistance au
transfert en
phase gaz
Résistance au
transfert en
phase liquide
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
• Colonnes capillaires : HEPT (h)
h
u
hmin
uopt
h = B/u + CG ·u + CL ·u avec
B= 2 ·DG
CG =
CL
=
r2 1 + 6k’+ 11 k’2
DG 24(1+ k’)2
ef 2 2k’
DL 3(1+ k’)2
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h = B/u + CG ·u + CL ·u avec
B= 2 ·DG
DG : coefficient de diffusion moléculaire du soluté dans le gaz
porteur (lié à la nature du gaz vecteur)
CG =
r : rayon interne de la colonne ; plus il est faible, plus h est
faible donc plus la colonne est efficace
k’ : facteur de capacité
CL =
DL : coefficient de diffusion moléculaire dans la phase liquide
ef : épaisseur du film de phase stationnaire ; plus elle est faible
plus h est faible donc l’efficacité importante
r2 1 + 6k’+ 11 k’2
DG 24(1+ k’)2
ef 2 2k’
DL 3(1+ k’)2
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HEPT = h
ū
N2
H2
He
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Pour améliorer une séparation en CPG
(diminuer la HEPT)
Modifier les paramètres thermodynamiques:Changer de phase stationnaire
Jouer sur les paramètres cinétiques:- Modifier la vitesse du gaz vecteur
- Modifier la température de la colonne
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Série de composés d’une même famille
Programmation isotherme
Air C6 C7 C8 C9 C10
Composé i
C8
C7
C6
C5
log(t’R)
1,9
1,7
1,5
1,3500 600 700 800
Composé i
Ii
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Ii = 100 + 100nlog(t’R)i - log(t’R)n
log(t’R)n+1- log(t’R)n
C8
C7
C6
C5
log(t’R)
1,9
1,7
1,5
1,3500 600 700 800
Composé i
Ii
C l d h hi h
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
Les critères de qualité d’une colonne sont :
- Son efficacité
- Son inertie
- L’absence de "bleeding" ou dérive de la ligne de base
C l d h t hi h
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Colonnes de chromatographie en phase gazeuse
• Tests permettant d’évaluer l’adsorption et l’activité catalytique
Des tests permettent d’évaluer si une colonne a tendance à adsorber certains composés ou à catalyser des
hydrolyses ce sont :
- Le test de Grob
- Le test de Donike
Mais on peut également mettre au point son propre test avec des composés nous intéressant plus
particulièrement.
Les tests permettant l’évaluation de la qualité d’une colonne sont basés sur l’analyse de mélanges decomposés test comprenant :
- Des alcanes : qui ne posent généralement pas de problème en chromatographie
- Des composés réputés difficiles à analyser
Les conditions opératoires à respecter pour une interprétation correcte sont généralement bien définies par
le fabricant du test (Température, quantité injectée, solvant…)
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Composition d’un mélange de Grob
- Décane
- Undécane
- Décanoate de méthyle (E10)
- Undécanoate de méthyle (E11)
- Dodécanoate de méthyle (E12)
- 1-Octanol
- 2,3 Butanediol- 2,6-Diméthylphénol
- Nonanal
-2,6-Diméthylaniline
- Dicyclohexylamine
- Acide 2-ethyl hexanoïque
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Exemple de test de Grob
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• Test d’activité catalytique = test de Donike
Le test de Grob permet d’évaluer qualitativement l’adsorption (type de composés adsorbes) mais ne
quantifie pas le phénomène
Le test de Donike permet de l’évaluer.
Pour réaliser un test de Donike on injecte :
- Une série d’alcanes
- Une série de triméthylsilyléther d’acide gras sensibles à la décomposition catalytique sous l’action
des groupements (SiOH silanol et Si-O-Si siloxane)