Quest-ce que la chromatographie en phase gazeuse?
La chromatographie en phase gazeuse (GC) est une technique analytique utilisée pour séparer les composants chimiques dun mélange déchantillons, puis les détecter pour déterminer leur présence ou leur absence et / ou leur quantité. Ces composants chimiques sont généralement des molécules organiques ou des gaz. Pour que GC réussisse dans leur analyse, ces composants doivent être volatils, généralement avec un poids moléculaire inférieur à 1250 Da, et thermiquement stables afin quils ne se dégradent pas dans le système GC. La GC est une technique largement utilisée dans la plupart des industries: pour le contrôle de la qualité dans la fabrication de nombreux produits, des voitures aux produits chimiques en passant par les produits pharmaceutiques; à des fins de recherche depuis lanalyse des météorites jusquaux produits naturels; et pour la sécurité de lenvironnement à la nourriture à la médecine légale. Les chromatographes en phase gazeuse sont fréquemment couplés à des spectromètres de masse (GC-MS) pour permettre lidentification des composants chimiques.
Comment fonctionne la chromatographie en phase gazeuse?
Comme son nom lindique, GC utilise un gaz vecteur dans la séparation, cela joue le rôle du mobile phase (Figure 1 (1)). Le gaz vecteur transporte les molécules de léchantillon à travers le système GC, idéalement sans réagir avec léchantillon ni endommager les composants de linstrument.
Léchantillon est dabord introduit dans le chromatographe en phase gazeuse (GC), soit avec un seringue ou transféré à partir dun échantillonneur automatique (figure 1 (2)) qui peut également extraire les composants chimiques de matrices déchantillons solides ou liquides. Léchantillon est injecté dans lentrée du GC (figure 1 (3)) à travers un septum qui permet linjection du mélange échantillon sans perdre la phase mobile. Connecté à lentrée est la colonne analytique (Figure 1 (4)), un long (10 – 150 m), étroit (0,1 – 0,53 mm de diamètre interne) en silice fondue ou tube métallique qui contient la phase stationnaire enduite sur les parois intérieures. La colonne analytique est maintenue dans le four à colonne qui est chauffé pendant lanalyse pour éluer les composants les moins volatils. La sortie de la colonne est insérée dans le détecteur (figure 1 (5)) qui répond aux composants chimiques éluant de la colonne pour produire un signal. Le signal est enregistré par le logiciel dacquisition sur un ordinateur pour produire un chromatogramme (Figure 1 (6)).
Figure 1: Un schéma simplifié dun chromatographe en phase gazeuse montrant: (1 ) gaz vecteur, (2) échantillonneur automatique, (3) entrée, (4) colonne analytique, (5) détecteur et (6) PC. Crédit: Anthias Consulting.
Après injection dans l’entrée du GC, les composants chimiques du mélange d’échantillon sont tout d’abord vaporisés, s’ils ne sont pas déjà en phase gazeuse. Pour les échantillons à faible concentration, tout le nuage de vapeur est transféré dans la colonne analytique par le gaz porteur dans ce que lon appelle le mode sans division. Pour les échantillons à haute concentration, seule une partie de léchantillon est transférée vers la colonne analytique en mode fractionné, le reste est évacué du système via la ligne fractionnée pour éviter une surcharge de la colonne analytique.
Une fois dans la colonne analytique, les composants de léchantillon sont séparés par leurs différentes interactions avec la phase stationnaire. Par conséquent, lors du choix du type de colonne à utiliser, la volatilité et les groupes fonctionnels des analytes doivent être pris en compte pour les faire correspondre à la phase stationnaire. Les phases stationnaires liquides se divisent principalement en deux types: à base de polyéthylène glycol (PEG) ou de polydiméthylsiloxane (PDMS), ces derniers avec des pourcentages variables de fonctions diméthyle, diphényle ou semi-polaires, par exemple cyanopropylphényle. Comme les séparations similaires, par conséquent, les colonnes non polaires avec du diméthyle ou un faible pourcentage de diphényle sont bonnes pour séparer les analytes non polaires. Ces molécules capables dinteractions π-π peuvent être séparées sur des phases stationnaires contenant des groupes phényle. Ceux capables de se lier hydrogène, par exemple les acides et les alcools, sont mieux séparés avec des colonnes PEG, à moins quils naient subi une dérivatisation pour les rendre moins polaires.
La dernière étape est la détection des molécules danalyte quand ils éluent de la colonne. Il existe de nombreux types de détecteurs GC, par exemple: ceux qui répondent aux liaisons C-H comme le détecteur à ionisation de flamme (FID); ceux qui répondent à des éléments spécifiques comme le soufre, lazote ou le phosphore; et ceux qui répondent aux propriétés spécifiques de la molécule, comme la capacité de capturer un électron, comme cela est utilisé avec le détecteur de capture délectrons (ECD).
Ajout de masse de la spectrométrie à la chromatographie en phase gazeuse (GC-MS)
La spectrométrie de masse (MS) est une technique analytique qui peut être couplée à un GC et utilisée à la place du détecteur GC. Les molécules neutres séluent de la colonne analytique et sont ionisées dans la source dions pour produire des ions moléculaires qui peuvent se dégrader en ions fragments. Le fragment et les ions moléculaires sont ensuite séparés dans lanalyseur de masse par leur rapport masse: charge (m / z) et sont détectés.Les données dune GC-MS sont tridimensionnelles, fournissant des spectres de masse qui peuvent être utilisés pour la confirmation didentité, pour identifier des analytes inconnus et pour déterminer les propriétés structurelles et chimiques des molécules, ainsi que le chromatogramme qui peut être utilisé pour une analyse qualitative et quantitative.
Comment lisez-vous un chromatogramme et que vous dit-il?
Figure 2: Sortie de chromatogramme dun GC ou dun GC -MME. Crédit: Anthias Consulting.
De nombreuses informations peuvent être obtenues à partir du chromatogramme sur la santé du système GC ou GC-MS ainsi que les données nécessaires pour effectuer une analyse qualitative ou quantitative.
Laxe des x est le temps de rétention, pris entre le moment où léchantillon a été injecté dans le GC (t0) et la fin de lanalyse GC. Chaque pic danalyte a un temps de rétention mesuré à partir du sommet du pic, par exemple tR. Laxe y est la réponse mesurée du pic danalyte dans le détecteur. La ligne de base montre le signal du détecteur lorsquaucun analyte nest élué de la colonne ou sil est en dessous de la limite de détection. La réponse de base est un mélange de bruit électrique (généralement faible) et de bruit chimique, comme les impuretés dans le gaz vecteur, la purge de la phase stationnaire de la colonne et la contamination du système. Par conséquent, si la valeur de référence est plus élevée quelle ne devrait lêtre, cela indique un problème ou quune maintenance est nécessaire. Diverses mesures peuvent être prises à partir du pic, telles que la largeur à la ligne de base, la largeur à mi-hauteur, la hauteur totale et la surface. Les deux derniers sont proportionnels à la concentration, mais cest la zone qui est utilisée pour la quantification car elle est moins affectée par lélargissement de la bande. Les mesures peuvent être utilisées pour calculer létendue de lélargissement de la bande, létalement des molécules danalyte sur la colonne. Des pics plus étroits et plus nets donnent une meilleure sensibilité (rapport signal sur bruit) et une meilleure résolution (séparation des pics). Les pics indiqués sont gaussiens, mais la queue de pic (le côté droit du pic est plus large) indique une activité ou un volume mort dans le système, tandis quune façade de pic (le côté gauche du pic est plus large) indique que la colonne est surchargée. Les mesures précises sont affectées par le nombre de points de données à travers un pic, le nombre idéal étant de 15 à 25. Trop peu, le pic ressemble au dessin de jointure des points d’un enfant, affectant la surface du pic, la résolution et, avec GC-MS, la déconvolution. Trop réduit le signal en bruit, réduisant la sensibilité. Pour les données GC-MS, chaque point de données est un spectre de masse, la troisième dimension des données.
Prenant la chromatographie en phase gazeuse en plusieurs dimensions
Comparé à dautres techniques de séparation, GC a une capacité de crête élevée avec la capacité de séparer des centaines de composés. Cependant, pour certaines applications où des milliers de pics doivent être séparés, il ny a pas assez de plaques théoriques pour les séparer tous par chromatographie. Des exemples peuvent inclure lanalyse du diesel, ou lorsque des traces danalytes doivent être détectées dans des matrices complexes telles que des échantillons environnementaux, biologiques ou alimentaires. La résolution spectrale, où un MS est couplé à un GC, permet deffectuer une analyse sans résolution chromatographique complète, mais les pics coéluants doivent avoir des spectres différents pour que cela soit pleinement réussi.
Coup de cœur est utile lorsquune colonne est sélectionnée pour séparer la majorité des pics, puis quelques groupes de pics coéluants sont «coupés» et transférés sur une deuxième colonne contenant une phase stationnaire et une sélectivité différentes. Seules quelques coupes peuvent être transférées à travers lanalyse , par conséquent, il ne peut être utilisé que là où il y a quelques problèmes de séparation.
Figure 3: Courbe GC x GC du diesel montrant les différentes classes chimiques séparées. La colonne de 1ère dimension est non -polaire et la colonne de 2ème dimension est mi-polaire. Crédit: Anthias Consulting.
Pour les échantillons complexes où les coélutions sont fréquentes, une chromatographie bidimensionnelle complète (GC x GC) est utilisée. Deux colonnes , contenant différentes phases stationnaires et donc différentes mécanismes de séparation, sont montés en série. La configuration « normale » est une colonne non polaire de 1ère dimension suivie dune colonne plus polaire de 2ème dimension, comme le montre la figure 3, pour lanalyse du diesel. Un modulateur est utilisé entre les deux colonnes pour prendre une coupure du première colonne et réinjecter dans une bande déchantillons étroite sur la deuxième colonne. Les modulateurs thermiques y parviennent en utilisant la température pour piéger puis relâcher les molécules, les modulateurs de débit collectent leffluent, compressent et rincent les molécules sur la deuxième colonne. Des coupes sont effectuées tout au long de lanalyse , généralement toutes les 1 à 10 secondes. La séparation sur la deuxième colonne doit être effectuée avant lintroduction de la coupe suivante. Cette séparation rapide est obtenue en utilisant une deuxième colonne courte et étroite, généralement de 1 à 2 m de 0,1 mm de diamètre interne utilisée avec modulateurs ou une deuxième colonne courte et plus large, généralement de 5 m de diamètre interne de 0,25 mm, utilisée avec des modulateurs de débit.Les pics GC x GC sont très étroits, jusquà 35 ms, donc des détecteurs GC rapides ou des spectromètres de masse à taux dacquisition élevé > 100 Hz doivent être utilisés pour acquérir suffisamment de points de données.
Forces et limites de la chromatographie en phase gazeuse
La GC est une technique largement utilisée dans la plupart des industries. Il est utilisé pour lanalyse de routine jusquà la recherche, en analysant quelques à plusieurs centaines (ou des milliers avec GC x GC) de composés dans de nombreuses matrices différentes, des solides aux gaz. Cest une technique robuste et facilement couplée à dautres techniques, y compris la spectrométrie de masse.
GC se limite à lanalyse des composés volatils de lhélium / hydrogène jusquà des poids moléculaires denviron 1250 u. Les composés thermiquement labiles peuvent se dégrader dans un GC chaud, cest pourquoi des techniques dinjection à froid et des températures basses doivent être utilisées pour minimiser cela. Des analytes plus polaires peuvent se coincer ou se perdre dans le GC, cest pourquoi le système doit être désactivé et bien entretenu ou ces analytes doivent être dérivatisés.
Problèmes courants avec la chromatographie en phase gazeuse
Le problème le plus courant dans GC est les fuites. La phase mobile est un gaz et circule dans tout le système, par conséquent, linstallation correcte des pièces et des consommables est importante avec une vérification régulière des fuites.
Lactivité est un autre problème pour les analytes plus polaires, en particulier ceux à niveaux de trace. Les groupes silanol sur les revêtements en verre et la colonne, ainsi quune accumulation de saleté dans le système peuvent provoquer des pics de résidus, une adsorption irréversible ou une dégradation catalytique. Lentrée est la zone qui pose le plus de problèmes car cest ici que léchantillon est injecté, vaporisé et transféré dans la colonne GC. Par conséquent, un entretien régulier de linjecteur ainsi que lutilisation des bons consommables, par exemple une gaine dentrée désactivée, sont importants pour maintenir linstrument sans problème.