La chromatographie est une technique de séparation des substances chimiques qui repose sur les différences de comportement de partage entre une phase mobile en mouvement et une phase stationnaire afin de séparer les constituants d’un mélange.
L’échantillon est transporté par un flux de gaz circulant dans une colonne remplie d’un solide finement divisé ou revêtue d’un film liquide. Grâce à sa simplicité, sa sensibilité et son efficacité pour séparer les constituants de mélanges complexes, la chromatographie en phase gazeuse constitue l’un des outils les plus importants de la chimie analytique. Elle est largement utilisée pour les analyses quantitatives et qualitatives des mélanges, la purification des composés ainsi que la détermination de constantes thermochimiques telles que les chaleurs de dissolution et de vaporisation, la pression de vapeur et les coefficients d’activité. La chromatographie en phase gazeuse est également utilisée pour la surveillance automatisée des procédés industriels : les flux gazeux sont analysés périodiquement et des actions correctives manuelles ou automatiques sont mises en œuvre afin de compenser les variations indésirables.
De nombreuses analyses de routine sont effectuées rapidement dans les domaines environnementaux et autres secteurs industriels. Par exemple, de nombreux pays disposent de stations de surveillance fixes permettant de mesurer en continu les niveaux d’émission de polluants tels que le dioxyde d’azote, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone. La chromatographie en phase gazeuse est également utilisée pour l’analyse des produits pharmaceutiques, de l’alcool dans le sang, des huiles essentielles et des produits alimentaires.
La méthode consiste à introduire tout d’abord le mélange à analyser ou l’échantillon dans un flux de gaz inerte, généralement de l’hélium ou de l’argon, servant de gaz vecteur. Les échantillons liquides sont vaporisés avant leur injection dans le flux de gaz vecteur. Ce flux traverse une colonne garnie dans laquelle les constituants de l’échantillon se déplacent à des vitesses dépendant de leur degré d’interaction avec la phase stationnaire non volatile. Les substances présentant les interactions les plus fortes avec la phase stationnaire sont davantage retenues et se séparent ainsi de celles interagissant plus faiblement. À la sortie de la colonne, les différents composés peuvent être quantifiés par un détecteur et/ou collectés pour des analyses complémentaires.
On distingue deux types de chromatographie en phase gazeuse : la chromatographie gaz-solide (GSC) et la chromatographie gaz-liquide (GLC). La chromatographie gaz-solide repose sur une phase stationnaire solide, où la rétention des analytes résulte de phénomènes d’adsorption physique. La chromatographie gaz-liquide est utilisée pour séparer des ions ou des molécules dissous dans un solvant. Lorsque la solution échantillon est mise en contact avec une seconde phase solide ou liquide, les différents solutés interagissent avec cette phase selon des degrés variables en raison des différences d’adsorption, d’échange ionique, de partage ou de taille moléculaire. Ces différences permettent la séparation des constituants du mélange en influençant leur temps de transit dans la colonne.
Le choix du gaz vecteur dépend du type de détecteur utilisé ainsi que des composés à déterminer. Les gaz vecteurs employés en chromatographie doivent présenter une très grande pureté et être chimiquement inertes vis-à-vis de l’échantillon, par exemple l’hélium (He), l’argon (Ar), l’azote (N₂), le dioxyde de carbone (CO₂) ou l’hydrogène (H₂). Le circuit de gaz vecteur peut intégrer un tamis moléculaire destiné à éliminer l’eau ou d’autres impuretés.
Les systèmes d’injection les plus courants pour l’introduction d’échantillons gazeux sont la vanne d’échantillonnage et l’injection par seringue.
Les échantillons gazeux et liquides peuvent être injectés à l’aide d’une seringue. Dans la configuration la plus simple, l’échantillon est d’abord introduit dans une chambre chauffée où il est vaporisé avant d’être transféré vers la colonne. Lorsque des colonnes remplies sont utilisées, la première partie de la colonne sert souvent de chambre d’injection, chauffée séparément à une température appropriée. Pour les colonnes capillaires, une chambre d’injection distincte est utilisée et seule une faible fraction de l’échantillon vaporisé ou gazeux est transférée vers la colonne ; cette technique est appelée injection avec division de débit (« split injection »). Cette procédure permet d’éviter une surcharge de la colonne due à un volume d’échantillon excessif.
Lorsque l’échantillon contient des composés en quantités traces, il est possible d’utiliser l’injection directe sur colonne (« on-column injection ») en chromatographie capillaire. L’échantillon liquide est injecté directement dans la colonne à l’aide d’une seringue. Le solvant est ensuite évaporé, ce qui entraîne une concentration des constituants de l’échantillon. Pour les échantillons gazeux, cette concentration est obtenue par cryofocalisation (« cryo focusing »). Les composés de l’échantillon sont concentrés et séparés de la matrice par condensation dans un piège froid avant la séparation chromatographique.
L’injection par boucle est fréquemment utilisée dans le contrôle des procédés industriels, où les échantillons gazeux ou liquides circulent en permanence dans la boucle d’échantillonnage. Celle-ci est remplie hors ligne à l’aide d’une seringue ou d’une pompe automatique. La boucle est ensuite placée en série avec la colonne et l’échantillon est transporté par la phase mobile. Dans certains cas, une étape préalable de concentration est nécessaire.
Un détecteur à ionisation de flamme (FID) est constitué d’une flamme hydrogène (H₂)/air et d’une électrode collectrice. L’effluent provenant de la colonne de chromatographie en phase gazeuse traverse la flamme, où les molécules organiques sont décomposées et ionisées. Les ions générés sont collectés sur une électrode polarisée, produisant un signal électrique. Le FID présente une très grande sensibilité ainsi qu’une large plage dynamique ; son principal inconvénient est qu’il détruit l’échantillon lors de l’analyse.
Les détecteurs à ionisation de flamme sont utilisés pour la détection des hydrocarbures (HC) tels que le méthane (CH₄), l’éthane (C₂H₆), l’acétylène (C₂H₂), etc.
L’échantillon à analyser est mélangé à un gaz combustible spécifique : hydrogène (H₂), hydrogène-hélium (He) ou hydrogène-azote (N₂). Les ions et électrons formés dans la flamme pénètrent dans l’espace interélectrodes, diminuent sa résistance électrique et permettent ainsi la circulation d’un courant dans le circuit externe. Ce courant est proportionnel à la vitesse de formation des ions, laquelle dépend de la concentration en hydrocarbures présente dans les gaz. Le signal est mesuré à l’aide d’un électromètre approprié puis affiché sous forme analogique.
Le FID fournit une mesure rapide, précise et continue de la concentration totale en hydrocarbures, avec des limites de détection pouvant atteindre le niveau du ppb (partie par milliard).
Le détecteur photométrique à flamme (FPD) permet la mesure sensible et sélective des composés volatils contenant du soufre ou du phosphore. Son principe repose sur la formation d’espèces excitées S₂* et HPO* dans une flamme réductrice. Un tube photomultiplicateur mesure l’émission chimiluminescente caractéristique produite par ces espèces. Le filtre optique peut être remplacé afin de permettre au photomultiplicateur de détecter le rayonnement à 394 nm pour la mesure du soufre ou à 526 nm pour celle du phosphore. La réponse du détecteur pour le phosphore est linéaire, tandis que celle obtenue pour le soufre est proportionnelle au carré de la concentration.
Généralement, l’azote (N₂) est utilisé comme gaz vecteur.
Les détecteurs à capture d’électrons (ECD) sont couramment utilisés dans les analyses environnementales pour la détection des PCB, des pesticides organochlorés, des herbicides et de divers hydrocarbures halogénés.
Dans un détecteur à capture d’électrons, un émetteur bêta tel que le tritium radioactif ou le nickel-63 (⁶³Ni) est utilisé pour ioniser le gaz vecteur. Les particules bêta rapides générées par la source radioactive entrent en collision avec les molécules du gaz vecteur ou du gaz d’appoint. Par ionisation par impact, des électrons libres à faible vitesse sont produits, générant un courant stable et mesurable. Si l’effluent de la colonne contient des molécules organiques possédant des groupes fonctionnels électronégatifs, tels que les halogènes, le phosphore ou les groupes nitro, ces électrons sont capturés, entraînant une diminution du courant. Par comparaison avec le signal obtenu en absence d’analytes, la réduction du flux électronique est proportionnelle à la quantité de composés électrophiles présents dans l’échantillon.
Les détecteurs à capture d’électrons sont jusqu’à 1 000 fois plus sensibles que les détecteurs à ionisation de flamme. Ils ont été les premiers détecteurs capables de mesurer des composés à des concentrations de l’ordre du ppb (partie par milliard) et du ppt (partie par millier de milliards). Cette sensibilité exceptionnelle fait de l’ECD le détecteur privilégié pour les mesures environnementales.
