Chromatographie en Phase Gazeuse CPG.

TEISSIER Thomas
MADET Nicolas
Licence IUP SIAL
Université de Créteil-Paris XII
COMPTE-RENDU DE TP DE CHROMATOGRAPHIE:
Chromatographie en Phase Gazeuse
CPG.
Année universitaire 2003/2004
Sommaire.
I
OBJECTIF........................................................................................................................ 3
II
MATERIEL. ..................................................................................................................... 3
II.1
CHROMATOGRAPHE EN PHASE GAZEUSE. .................................................................... 3
II.1.1
Principe. ............................................................................................................. 3
II.1.2
Materiel .............................................................................................................. 4
III
MANIPULATIONS ..................................................................................................... 5
III.1 ETUDE DES PARAMETRES. ........................................................................................... 5
III.1.1 La résolution. ..................................................................................................... 5
III.1.2 Le facteur de capacité. ....................................................................................... 5
III.1.3 L’éfficacité.......................................................................................................... 5
IV
INTERPRETATIONS ET OPTIMISATION ........................................................... 6
IV.1
IV.2
IV.3
V
OPTIMISATION DU DEBIT. ............................................................................................ 6
OPTIMISATION DE LA TEMPERATURE........................................................................... 7
OPTIMISATION DE LA SEPARATION. ............................................................................. 8
CONCLUSION................................................................................................................. 9
-2-
La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une méthode séparative parmi les
plus employées car elle allie rapidité et efficacité de séparation. Elle permet d’analyser
qualitativement et quantitativement des mélanges complexes de gaz ou de composés qui
peuvent être volatilisés sans être décomposé. Cette méthode permet la séparation comme les
autres techniques chromatographique par une suite d’équilibre entre une phase gazeuse (phase
mobile qui entraîne les échantillons à analyser) et une phase liquide (chromatographie de
partage) ou solide (chromatographie d’adsorption).
Pour concurrencer l’utilisation de l’HPLC, la CPG offre :
- Une grande adaptabilité par un grand choix de phases stationnaires, de températures,
et de débit de phase mobile ainsi que sa composition (azote, argon, hélium, hydrogène, …)
- L’utilisation de méthodes physiques de détection très sensibles (de l’ordre du
picogramme)
- L’automatisation assurant l’utilisation de très nombreux échantillons.
I
Objectif.
Cette manipulation a pour objectif de nous familiariser avec l’utilisation d’un
chromatographe en phase gazeuse et d’optimiser quelques paramètres de séparation tel que le
débit de phase mobile et la température du four de la colonne.
L’optimisation s’effectuera sur la séparation d’hydrocarbures légers.
II
Matériel.
II.1 Chromatographe en phase gazeuse.
II.1.1 Principe.
Le schéma général d’un chromatographe en phase gazeuse couplé à un détecteur à
ionisation de flamme (FID ou DIF) est rendu sur la figure 1 suivante.
Figure 1 : schéma général d’un chromatographe en phase
gazeuse couplé à un détecteur à ionisation de flamme
-3-
Le principe de la séparation repose sur la différence d’affinité entre les composés pour
la phase mobile et la phase stationnaire.
Un composé qui aura plus d’affinité pour la phase mobile, aura peut d’interaction avec
la phase stationnaire et sera donc moins ralenti par celle-ci et sera donc élué plus rapidement
qu’un composé qui aura plus d’affinité avec la phase stationnaire et sera plus souvent en
interaction avec la phase stationnaire qu’avec la phase mobile.
II.1.2 Materiel
Les données techniques sont regroupées en annexes 12.
o Seringue : La seringue permet d’injecter un volume de 10 µL. Nous injecterons un
volume de 1 µL lors de ce TP.
o Injecteur : l’injecteur permet à la fois de
vaporiser les échantillons et de les entraîner par la phase
mobile. Parmi les nombreux types d’injecteurs utilisables,
l’injecteur Split/Splitless est le plus souvent utilisé pour des
échantillons en solutions.
Le terme Split se rapporte à une fuite qui est
contrôlée et qui permet d’éliminer une partie de
l’échantillon lors de l’injection et ceci est utilisé pour des
échantillons concentrés. Les échantillons qui seront les plus
volatils seront en plus grande concentration au début de la
colonne.
Figure 2 : schéma d’un injecteur Split/Splitless
On peut vérifier par le rapport de Split si la colonne ne risque pas d’être surchargé par
l’échantillon. Par exemple, le fabricant indiquant que la quantité maximale de la colonne est
de 100 à 200 ng pour chaque constituant, si on travaille avec un rapport de Split de 1: 50 et
que l’on injecte 1 µL de 5 constituants de masses volumiques de 1 g/cm3. Est-ce que
l’injection prévue répond bien aux consignes données par le fabricant ? Quantité injectée :
1µL=1*1=1 mg, Quantité dans la colonne : 1/50=0,02 mg
Quantité par constituants : 0,02/5=4 µg ce qui est supérieur à 200 ng donc il y a surcharge de
la colonne.
o Colonne : La colonne est constituée d’une phase stationnaire greffé à la paroi de la
colonne est qui est constituée de Poly(5% diphényl, 95% diméthylsiloxane). Elle permet la
séparation d’hydrocarbures légers en fonctions de la température. La colonne à les
caractéristiques suivantes : Longueur = 30 m , Diamètre interne = 0,25 mm,
épaisseur du film = 0,25 µm.
o Four : Le four permet de maintenir la colonne à une température constante ou de
travailler avec un gradient de température. On peut ainsi travailler de -99°C à 250°C.
-4-
o Détecteur : Le détecteur est donc un
détecteur à ionisation de flamme. L'éluat pénètre dans
une flamme obtenue par combustion d'hydrogène et
d'air. Les composés organiques forment alors des ions
collectés par deux électrodes, entre lesquelles on
applique une différence de potentiel. Il en résulte un
courant électrique recueilli par un électromètre qui le
transforme en courant que l'on peut enregistrer.
Figure 3 : schéma d’un détecteur à
ionisation de flamme
III
Manipulations
Nous allons séparer un mélange de 4 constituants. Tous sont des hydrocarbures dont
seul la longueur de leur chaîne carbonée change : C5, C7, C8, C9.
Les composés élues en fonction de la longueur de leur chaîne carboné, ainsi le C9 est
celui qui aura le plus d’interaction avec la phase stationnaire donc il sera élué en dernier et
c’est celui-ci qui sera étudié pour le calcul des paramètres d’optimisation.
III.1 Etude des paramètres.
III.1.1 La résolution.
Ce paramètre permet de définir la qualité de la séparation en qualifiant la distance
entre les pics de chaque constituant et leur chevauchement.
Rs =
2
(t r 2−t r1)
ω +ω
2
1
Avec ω :la largeur du pic à la base.
tr : temps de rétention des composés
Rs doit être supérieur
étant porche de 1,5 pour que la séparation puisse être qualifié de bonne.
à 1,5 tout en
III.1.2 Le facteur de capacité.
k’ est le facteur de capacité, il est spécifique de chaque constituants et exprime le
rapport entre la concentration du constituant dans la phase stationnaire sur la concentration du
constituant dans la phase mobile.
−
Avec : tr le temps de rétention d’un des composé
k' = tr2 tm
tm le temps mort.
−
t r1 t m
III.1.3 L’éfficacité.
L’efficacité théorique d’une colonne, c’est le nombre de plateaux nécessaires à la sortie
complète de la quantité initiale de soluté. On a :
(t r −t m)
=
2
N
e
σ
2
Avec : tr le temps de rétention d’un des composé (calculer en
fonction du temps mort : tm).
Et σ la largeur du pic de ce composé à la hauteur de 60%
-5-
Avec l’efficacité théorique de la colonne on peut calculer la hauteur équivalente à un
plateau théorique (HEPTe) :
Avec : L la longueur de la colonne
L
Ne le nombre de plateaux théoriques
HEPT e =
N
IV
e
Interprétations et optimisation
IV.1 Optimisation du débit.
A température constante (t=70 °C), nous allons effectuer la séparation en faisant varier
le débit de la phase mobile. Les débits étudiés sont 0,5-0,8-1-1,2-1,5 mL/min.
Les courbes de séparation ainsi que les rapports d’analyses et d’intégration sont
donnés dans les annexes 1 à 11. Sur ces rapports d’analyses ont calculés pour chaque
composés : le temps de résolution, la largueur à la base du pic, l’efficacité théorique, le
facteur de capacité et le facteur de résolution. Toutes ces données sont regroupées dans le
tableau 1 donné en annexe 13.
A partir de ces données nous allons pouvoir tracer des courbes de Van-Deemter (Ne
ou HEPTe =f(débit ou de la température)). L’analyse de ces courbes nous permet de déduire
tour à tour le débit et la température optimale de séparation des composés.
Sur le graphique suivant on peut observer la courbe d’efficacité permettant de
déterminer le débit optimal.
Figure 4 : Courbe de Van-Deemter donnant l’efficacité théorique ou l’HEPTe en
fonction du débit pour le nonane (C9) à 70 °C (température de colonne).
100000
0,0012
90000
0,001
80000
0,0008
60000
50000
0,0006
HEPTe
Efficacité théorique
70000
Ne
HEPTe
40000
0,0004
30000
20000
0,0002
10000
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Débit de phase mobile en mL/min
L’allure des courbes obtenues est contradictoire avec ce que l’on aurait pu s’attendre à
obtenir car la courbe de Ne=f(débit) devrait être d’abord croissante puis décroissante et
inversement pour le courbe donnant l’HEPTe=f(débit).
On peut supprimer le premier point et essayer de tracer à nouveaux les courbes avec
ses nouvelles valeurs et on obtient la figure suivante.
-6-
Figure 4 : Courbe de Van-Deemter donnant l’efficacité théorique ou l’HEPTe en
fonction du débit pour le nonane (C9) à 70 °C sans le débit de 0,5 mL/min
0,0012
100000
90000
0,001
80000
0,0008
60000
50000
0,0006
HEPTe
Efficacité théorique
70000
Ne
HEPTe
40000
0,0004
30000
20000
0,0002
10000
0
0
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
Débit de phase mobile en mL/min
On n’obtient toujours pas les courbes souhaitées mais on s’aperçoit que le débit
permettant d’avoir une efficacité théorique et une HEPTe la plus faible possible correspond à
1,2-1,3 mL/min. Pour la suite des manipulations nous avons donc décidé de travailler avec un
débit de 1,2 mL/min.
IV.2 Optimisation de la température.
Le tracé des courbes de Van-Deemter à un débit de 1,2 mL/min en fonction de la
température est donné par la figure suivante.
Figure 5°: Courbe de Van-Deemter donnant l’efficacité théorique ou l’HEPTe en
fonction de la température pour le nonane (C9) à 1,2 mL/min
0,0007
250000
0,0006
0,0005
150000
0,0004
0,0003
100000
HEPTe
Efficacité théorique
200000
Ne
HEPTe
0,0002
50000
0,0001
0
60
70
80
90
100
110
120
130
140
0
150
Température de la colonne en °C
-7-
Pour cette figure, les courbes de Van-Deemter correspondent bien à ce que l’on
attendait, on peut donc déduire de ces courbes la température optimale pour un débit de 1,2
mL/min, c'est-à-dire que la séparation sera la plus efficace à une température de 107°C.
IV.3 Optimisation de la séparation.
Si on observe l’évolution de la résolution en fonction du débit et de la température sur la
figure suivante on observe une diminution de la résolution vers des valeurs acceptable (proche
de 1,5) quand la température alors que des débits croissants fait augmenter la résolution de
manière peut acceptable.
Figure 6°: Courbe d’évolution de la résolution Rs en fonction du débit et de la
température
Température en °C
70
100
120
140
12
Résolution Rs
10
8
Débit à 70°C
6
Température à 1,2 mL/min
4
2
0
0,5
0,8
1
1,2
1,5
1,7
Débit en mL/min
Pour avoir la meilleure résolution il faudrait donc avoir un débit de 0,8 mL/min et une
température de 140 °C.
En effectuant deux autres analyses avec les paramètres suivants :
- débit = 1,3 mL/min
Température = 106 °C
- débit = 1,4 mL/min
Température = 110 °C
On obtient les courbes d’analyses et rapports d’intégrations donnés en annexes 10 et 11.
On s’aperçoit que les résolutions sont de l’ordre de 5, ce qui est trop important. Car
même si la séparation de composés est effective et bonne, le temps d’analyse en devient
considérablement plus long.
-8-
V
Conclusion
Il aurait donc été préférable d’effectuer des analyses avec les paramètres de débit et de
température trouvé plus haut, c'est-à-dire : 140 °C et 0,8 mL/min mais lors de notre étude
nous n’avons pas tracé les courbes de débit et température en fonction de la résolution, et
nous ne pouvions savoir quels paramètres utiliser pour l’optimisation.
L’optimisation n’a donc pas pu réellement être mené à bout car nous ne savions pas quel
débit ou quelle température nous donnerait la meilleure résolution avec un temps d’analyse
correct. Mais la démarche d’optimisation à été effectuée mais les courbes que nous avons
obtenus ne nous permettait pas de trouver directement par les courbes de Van-Deemter (en
particulier pour l’optimisation du débit) les paramètres optimums de séparation de ces
composés.
-9-
Tableau 1 : Récapitulatif des données obtenu sur les rapports d’analyse
Débit en
mL/min
0,5
0,8
1
1,2
1,5
1,7
Température en
°C
70
70
70
70
70
70
Ne
HEPTe
k'
Rs
47644
29051
40415
47130
61245
92278
0,00062967
0,001032667
0,000742299
0,000636537
0,000489836
0,000325105
3,77
2,29
1,76
1,41
1,05
0,87
9,5
7,7
8,7
9,1
10
11
Essai à température =70
°C en fonction du débit.
1,2
1,2
1,2
1,2
70
100
120
140
47130
214367
197611
93912
0,000636537
0,000139947
0,000151813
0,000319448
1,41
0,97
0,82
0,74
9,1
6,6
3,8
1,8
Essai à débit =1,2 mL/min
en fonction de la
température.
1,3
1,4
106
110
17588
189225
0,001705708
0,000158541
0,81
0,69
5,1
5
Essais supplémentaires.
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Bibliographie
École Polytechnique, Palaiseau.
Chromatographie en phase gazeuse [en ligne] disponible sur :
<http://www.collegepolytechnique.com/cdx/site/fiche_seminaire.cfm?seminaire_id=68>
(consulté le 19/01/04)
Pascale Richardin. La chromatographie en phase gazeuse [en ligne] disponible sur :
<http://www.culture.gouv.fr/culture/conservation/fr/methodes/chrom_01.htm>
(consulté le 19/01/04)
René Lafont. Méthodes physiques de séparation et d’analyse et méthodes de dosages des
biomolécules [en ligne] disponible sur :
<http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/lafont/chromato/A3.html> (consulté le 19/01/04)
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