9.2.1 La pratique de la chromatographie en phase gazeuse
Léquipement de chromatographie en phase gazeuse commun comprend un système de gaz vecteur, un injecteur, une colonne de chromatographie en phase gazeuse, un détecteur et un traitement des données unité. Le gaz porteur est généralement un gaz permanent avec une capacité dadsorption faible ou négligeable, cest-à-dire lhydrogène, lhélium ou lazote. La nature du gaz vecteur peut influencer les caractéristiques de séparation du système GC et peut modifier la sensibilité de la détection. La stabilité et la reproductibilité du débit du gaz vecteur étant une condition préalable à une analyse chromatographique en phase gazeuse réussie, elles influencent considérablement à la fois lefficacité de la séparation et la quantification des résultats. Les injecteurs délivrent léchantillon à la tête de la colonne GC. Les injecteurs peuvent être classés en deux grands groupes: les injecteurs à vaporisation et sur colonne. Les injecteurs de vaporisation utilisent des températures élevées (100 à 300 ° C) pour vaporiser rapidement un échantillon liquide. Habituellement, une seringue est utilisée pour introduire léchantillon dans linjecteur thermostaté. Dans ce cas, léchantillon se vaporise rapidement, se mélange au gaz vecteur et est transporté dans la colonne. Les injecteurs sur colonne déposent léchantillon directement dans la colonne sans dépendre de la vaporisation de léchantillon et de son transport ultérieur dans la colonne. La séparation des composés volatils de léchantillon injecté est effectuée dans la colonne GC.
Les colonnes pour la chromatographie en phase gazeuse peuvent être divisées en deux groupes distincts; colonnes garnies et capillaires de différentes dimensions (Spangler, 2001). Une colonne garnie est une colonne rigide en métal ou en verre remplie de petites particules qui sont souvent recouvertes dune couche mince dun polymère de poids moléculaire élevé. Les supports solides les plus courants sont les terres de diatomées, les fluorocarbures, le noir de carbone graphité et les billes de verre. Environ 90% de tous les supports sont différents types de terre de diatomées. La phase liquide stationnaire des colonnes GC doit répondre aux exigences suivantes: faible pression de vapeur, stabilité chimique élevée et viscosité relativement faible à la température danalyse; sélectivité pour les composants de léchantillon à létude; bonne capacité de mouillage aussi bien pour la surface du support inerte que pour la paroi éventuellement inerte de la colonne. La longueur dune colonne garnie est limitée à environ 3 m en raison des pressions élevées qui sont nécessaires pour maintenir les débits de gaz porteur à des vitesses nécessaires pour des performances optimales. Les colonnes remplies présentent plusieurs avantages par rapport aux colonnes capillaires. Les colonnes remplies ont une capacité déchantillon 10 à 1000 fois supérieure à celle des colonnes capillaires. Cela rend les colonnes remplies supérieures pour les analytes où de grandes quantités déchantillon doivent être analysées. Cependant, les colonnes remplies ont 25 à 50% moins de plaques théoriques par mètre que les colonnes capillaires. Couplé aux longueurs plus courtes des colonnes garnies (1 à 3 m contre 10 à 60 m pour les colonnes capillaires), le nombre total de plaques théoriques est nettement inférieur à celui des colonnes capillaires.
Un capillaire (également appelé ouvert tubulaire) est un tube en verre ou en silice fondue de très petit diamètre intérieur (généralement entre 0,20 et 0,53 mm). La surface interne dune colonne capillaire est revêtue dune fine couche de phase stationnaire, de sorte quil est toujours possible que les molécules de soluté viennent en contact avec les parois internes du tube. La plupart des phases stationnaires de la colonne capillaire sont réticulées et liées de manière covalente à la surface de silice fondue. La quantité de phase stationnaire dans une colonne capillaire est désignée par son épaisseur de film, qui est typiquement de 0,1 à 5 µm. La rétention du composé est proportionnelle à lépaisseur du film dans les colonnes capillaires, la rétention augmente à mesure que lépaisseur du film augmente et elle diminue à mesure que lépaisseur du film diminue. Lavantage des colonnes capillaires est leur très grande capacité de séparation. Cela permet la résolution des pics dans des échantillons complexes qui ne sont pas correctement séparés par des colonnes remplies. En raison de meilleures performances de séparation, les colonnes capillaires ont été plus souvent utilisées en chromatographie en phase gazeuse que les colonnes garnies. Lefficacité des analyses GC peut être nettement améliorée en utilisant une technique de commutation de colonne (Samuel et Davis, 2002).
Afin dobtenir une séparation efficace et fiable, la colonne chromatographique en phase gazeuse doit être thermostatée à une température constante (mode de séparation isotherme) ou il peut être modifié selon un programme de température prédéterminé (gradient de température). Lapplication dun gradient de température augmente considérablement lefficacité de la séparation (Davis et al., 2000). La température de la colonne étant lun des paramètres les plus décisifs de lanalyse GC, sa régulation exacte est dune importance capitale. Les détecteurs interagissent avec les molécules de soluté à leur sortie de la colonne. Cette interaction est convertie en un signal électrique qui est envoyé à un dispositif denregistrement ou de stockage de données. Un chromatogramme est alors créé qui est un graphique de lintensité du signal en fonction du temps écoulé.Les principales caractéristiques des détecteurs sont la quantité la plus faible dun composé qui est détectable (sensibilité) et quel composé à la même quantité produit la plus forte réponse du détecteur (sélectivité).
De nombreux détecteurs différents (ionisation de flamme = FID , azote-phosphore = NPD, flamme photométrique = FPD, capture délectrons = ECD, conductivité thermique = TCD, émission atomique = AED, conductivité électrolytique = ELCD, chimiluminescence, etc.) ont été développés pour la détection et la quantification sensibles et sélectives des échantillons Composants. Le FID utilise un flux dhydrogène mélangé au gaz vecteur. Le mélange est enflammé, les analytes sont brûlés et les ions formés pendant le processus de combustion sont collectés dans une électrode cylindrique à une tension élevée appliquée entre le jet de flamme et lélectrode. Le courant résultant est amplifié et détecté. Le NPD est similaire au FID dans sa conception. Il contient des billes de rubidium ou de césium à lintérieur dun serpentin de chauffage près du jet dhydrogène. Les molécules dazote et de phosphore partiellement brûlées sadsorbent à la surface de la bille réduisant lémission délectrons ce qui augmente le courant. FPD détecte spécialement les composés soufrés et phosphorés. Les analytes sont brûlés dans la flamme. En raison de lexcitation dans la flamme, la lumière est émise à 392 (soufre) et 526 (phosphore) nm. Un filtre sélectionne les longueurs donde atteignant un tube photomultiplicateur.
LECD utilise une source de rayons β de faible énergie pour la production délectrons et dions. Les molécules de capture délectrons (composés halogénés) entrant dans le détecteur diminuent le courant électronique qui peut être amplifié et enregistré. Le TCD répond aux changements de conductivité thermique et de chaleur spécifique à laide dun filament sous courant placé dans le flux de gaz vecteur. Les changements de conductivité thermique et / ou de chaleur spécifique du gaz actuel provoqués par les analytes modifient le potentiel à travers le filament. LAED convient à la détection datomes ou de groupes datomes sélectionnés, lELCD peut être spécialement utilisé pour la détection danalytes contenant Cl, N ou S. Un détecteur à chimioluminescence est principalement utilisé pour la détection de composés soufrés. Au cours des dernières décennies, les méthodes GC combinées à divers systèmes de détection par spectrométrie de masse (MS) ont trouvé une application croissante dans les analyses GC.
La détection MS est basée sur le phénomène selon lequel des ions ou des molécules peuvent être ionisés dans un vide poussé produisant espèces payantes supplémentaires. Ces espèces peuvent être séparées et leur abondance relative (leur spectre de masse) est caractéristique de lanalyte dorigine. Un spectromètre de masse doit générer des espèces ioniques puis les séparer et les détecter. La génération dions peut être obtenue par des techniques dimpact électronique (EI) et dionisation chimique (CI). Dans la méthode EI, la fragmentation et la charge des analytes sont effectuées en produisant des collisions entre eux et les électrons générés à partir dun filament chaud.
La technique CI utilise un gaz réactif tel que lammoniac ou le méthane ionisé par un faisceau délectrons. Le gaz ionisé réagit avec les analytes en formant des complexes ion-molécule relativement stables. Comme les complexes les plus fréquents sont des adduits simples tels que + ou +, la masse moléculaire des analytes peut être facilement calculée. Dautres instruments GC portables avec trait dunion ont également été développés pour des applications sur le terrain (Arnold et al., 2000). Les tendances actuelles de linstrumentation et des méthodologies GC ont été récemment examinées par Yashin et Yashin, (2001).